慶豐水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固研究

孟 林

(平昌縣農(nóng)田水利規(guī)劃建設(shè)管理局，四川 巴中 636400)

慶豐水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固研究

孟 林

(平昌縣農(nóng)田水利規(guī)劃建設(shè)管理局，四川 巴中 636400)

對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行加固除險(xiǎn)，既能夠延長(zhǎng)水庫(kù)的使用壽命，又能夠提高水庫(kù)大壩使用的質(zhì)量，以免水庫(kù)大壩在汛期或者雨季壓強(qiáng)和壓力的增大，出現(xiàn)潰壩或者潰堤的現(xiàn)象，危及到人們的生命和財(cái)產(chǎn)。水庫(kù)大壩工程的實(shí)施，是將人們安穩(wěn)的生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)的增長(zhǎng)進(jìn)行有效地維護(hù)，所以，對(duì)于加固除險(xiǎn)水庫(kù)大壩的重要性必須要認(rèn)識(shí)和了解，將加固除險(xiǎn)水庫(kù)大壩的處理方法進(jìn)行有效地落實(shí)，從而使水庫(kù)大壩的使用價(jià)值得以提高。該文對(duì)慶豐水庫(kù)大壩的加固和除險(xiǎn)進(jìn)行了分析和研究。

慶豐水庫(kù)大壩；除險(xiǎn)加固；研究

0 前 言

開(kāi)展水利工程建設(shè)是一項(xiàng)利國(guó)利民的事業(yè)，在水利工程中，水庫(kù)大壩可謂是最常見(jiàn)的建筑。慶豐水庫(kù)是1988年建成后開(kāi)始運(yùn)行，至今天已有二十多年的歷史，在運(yùn)行的過(guò)程中存在著很多的問(wèn)題，該文研究了慶豐水庫(kù)大壩加固除險(xiǎn)的設(shè)計(jì)，分析了水庫(kù)大壩的病害，完整地探討了慶豐水庫(kù)大壩的加固除險(xiǎn)，對(duì)于加固除險(xiǎn)水庫(kù)大壩具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1 大壩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

1.1 分析大壩滲流破壞

1)壩體滲漏：壩坡逸出的浸潤(rùn)線(xiàn)造成壩坡沼澤化或者濕潤(rùn)化，通常混合土料或者質(zhì)壩型中容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象，浸潤(rùn)面過(guò)高使滑坡的可能性增加了，因?yàn)榻涤旰蜌鉁氐挠绊懸约伴L(zhǎng)期滲流的作用，減小了壩坡土體抗剪的強(qiáng)度，破壞了局部的滲透，加大了滑塌的可能性；壩體裂縫滲漏：壩體隱蔽滲漏的主要因素就是壩體開(kāi)裂，因?yàn)樾眽蛘咝膲Φ暮髩螝ねǔ６际菑?qiáng)透水的土料，裂縫集中滲漏在壩殼中會(huì)擴(kuò)散，因此，集中滲漏區(qū)就很難發(fā)現(xiàn)，利用觀測(cè)壩殼浸潤(rùn)面的成果也很難判斷滲漏是否存在。下游壩面的集中滲漏現(xiàn)象：壩體在進(jìn)行分層填筑時(shí)，土層相對(duì)比較厚，加上施工機(jī)械功率不足，導(dǎo)致各層填土的局部疏松和上部不密實(shí)，從而使水平集中滲漏帶形成，有些壩的施工組織比較落后，尤其是有些人工填筑的施工，規(guī)模比較大，填筑運(yùn)用分段包干的方法，由于土層的厚度和上升的速度都不一致，相臨兩段接合的部位，漏壓和少壓的松土帶現(xiàn)象就容易出現(xiàn)[2]。

2)非正常滲漏和壩基滲漏：很多土石壩不是根據(jù)壩工理論和規(guī)范建造的，而是在特殊的歷史時(shí)期建造的，很多土石壩建設(shè)在正式開(kāi)工以前，沒(méi)有進(jìn)行前期地質(zhì)勘探或者水文地質(zhì)工作，非常粗糙，導(dǎo)致沒(méi)有對(duì)土石壩工程做任何的防滲處理。

3)壩后地面滲漏：通常的滲漏現(xiàn)象就是土石壩外坡壩后的地面所出現(xiàn)的砂環(huán)和砂沸以及管涌和泉涌，或者沼澤化，地層構(gòu)造和控制滲流是導(dǎo)致滲漏出現(xiàn)的主要因素。淤泥和粉細(xì)砂或者壤土的表層，透水性都比較小，而其下的砂層地基或者砂礫石的透水性都比較強(qiáng)，如果壩后沒(méi)有運(yùn)用適當(dāng)?shù)臏p壓排水的措施，出逸坡降比表層土的臨界坡降大時(shí)，壩后的地面就會(huì)有管通和砂沸等相關(guān)的破壞現(xiàn)象出現(xiàn)。

4)繞壩滲漏：大壩兩岸的節(jié)理發(fā)育和山體裂隙，或者巖溶和斷層的現(xiàn)象發(fā)生，還有透水第四紀(jì)的堆積層，繞壩滲流不但對(duì)山體自身安全有影響，還影響壩基和壩體。

5)接觸部位滲漏：各種接觸部位有：壩體齒墻和兩刺墻與涵管、壩基與壩體、兩岸山坡的防滲設(shè)施與壩體、破碎基巖與兩岸山坡的防滲設(shè)施，滲漏通常是因?yàn)槭┕ず驮O(shè)計(jì)等相關(guān)因素引發(fā)，導(dǎo)致接觸沖刷現(xiàn)象發(fā)生，甚至出現(xiàn)垮壩失事的現(xiàn)象。

1.2 觀測(cè)大壩滲流的成果

自慶豐水庫(kù)竣工并運(yùn)行以后，將原型觀測(cè)進(jìn)行了開(kāi)展，但是，慶豐水庫(kù)雖然運(yùn)用了多年，卻并沒(méi)有進(jìn)行很好地維護(hù)，導(dǎo)致原有觀測(cè)土壩的大部分都損壞或者失效了。

1)壩體黏土心墻不存在滲透穩(wěn)定和滲漏的問(wèn)題。

2)大壩的多數(shù)壩段壩基滲漏情況普遍存在。地質(zhì)勘查后得知，處理壩基帷幕灌漿防滲的壩段只有103m，不但灌漿的效果很差，也不連續(xù)；9m范圍內(nèi)的基巖巖體上部，壓水試驗(yàn)的透水率可以到10-16lu，透水層為中等。開(kāi)挖壩基截水槽,可以看到能夠通過(guò)的有擠壓破碎帶6條和斷層25條以及巖脈數(shù)條，多數(shù)不但節(jié)理裂隙比較發(fā)育和順河向，而且強(qiáng)烈風(fēng)化和巖體破碎。這些因素導(dǎo)致水庫(kù)在進(jìn)行蓄水時(shí)，隨著抬高庫(kù)水位，加大了大多壩段壩基的滲漏量[3]。

3)地質(zhì)勘查的結(jié)果表明，大壩樁號(hào)為0+000-0+220m的地段，沒(méi)有滲透穩(wěn)定的問(wèn)題存在；大壩樁號(hào)為0+220-0+520m的地段，因?yàn)閴位袧B漏問(wèn)題存在，導(dǎo)致截水槽后的壩基卵礫石層有滲透穩(wěn)定情況存在。如果水庫(kù)長(zhǎng)期進(jìn)行高水位的運(yùn)行，高水頭的滲透壓力就會(huì)逐步地加大該段壩基的滲漏量，卵礫石層也不均勻，有的部位細(xì)粒缺乏，基本都是粗顆粒，出現(xiàn)架空的現(xiàn)象，滲透的系統(tǒng)也相應(yīng)地變大，細(xì)顆粒在滲漏水的帶動(dòng)下，移動(dòng)到下游粗顆粒的孔隙中，細(xì)顆粒逐漸地流失，加大了上游部分的滲透系數(shù)，減小了水頭的損失，導(dǎo)致下游部位對(duì)絕大部分水頭進(jìn)行承受，致使流土現(xiàn)象發(fā)生，上下游貫通后，成為連續(xù)的孔道，導(dǎo)致滲透破壞發(fā)生。

4)兩側(cè)的壩肩沒(méi)有繞壩滲漏的情況存在。

1.3 分析大壩壩坡抗滑穩(wěn)定

工程施工中，在極限平衡理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)運(yùn)用土坡穩(wěn)定的分析方法。將土假設(shè)為理想的塑性材料，極限的平衡狀態(tài)達(dá)到時(shí)，土體就會(huì)沿著一個(gè)破裂的面出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象而失去穩(wěn)定，這就是極限平衡理論的一個(gè)基本的假設(shè)。

設(shè)計(jì)土石壩規(guī)范中規(guī)定，瑞典圓弧法是分析土石壩穩(wěn)定的主要方法。這種方法在理論上雖然有些不足，對(duì)一些情況所給出的結(jié)果也不太合理，但是，計(jì)算比較簡(jiǎn)單，已有近百年的歷史，積累的經(jīng)驗(yàn)比較豐富。從1949年開(kāi)始，我國(guó)大量土石壩建成以后，基本利用的都是這種分析方法，從使用的效果上來(lái)看，還是比較可靠安全的。瑞典圓弧法無(wú)法將每一土條力平衡的條件進(jìn)行滿(mǎn)足，所計(jì)算出的安全系數(shù)也比較低。因此，畢肖普法在當(dāng)前邊坡穩(wěn)定分析上應(yīng)用比較廣泛，畢肖普照法對(duì)每個(gè)土條間作用力的影響都進(jìn)行了考慮[4]。

為了使設(shè)計(jì)土石壩邊坡的安全得以有效地保障，瑞典圓弧法和畢肖普法以及滑楔法等各種方法，在對(duì)土石壩邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，數(shù)值不限。由于不斷的改進(jìn)和完善分析邊坡穩(wěn)定的軟件和分析邊坡的穩(wěn)定理論，在設(shè)計(jì)土石壩上下游邊坡的實(shí)際過(guò)程中，分析邊坡穩(wěn)定可以采用不同的程序和計(jì)算方法，對(duì)計(jì)算結(jié)果綜合進(jìn)行比較以后，再采取合理的設(shè)計(jì)方案。

1)分析土石壩邊坡穩(wěn)定的原理：極限平衡理論主要是在土體處在理想塑性的狀態(tài)時(shí)，對(duì)滑裂面軌跡和應(yīng)力分布進(jìn)行研究。從當(dāng)前來(lái)看，在工程的實(shí)踐中，分析土石壩邊坡穩(wěn)定，通常采用的是極限平衡法。極限平衡法通常的步驟，是假定破壞是沿著土體內(nèi)的某一個(gè)滑裂面進(jìn)行滑動(dòng)。結(jié)合摩爾-庫(kù)倫的破壞準(zhǔn)則和滑裂土體靜力的平衡條件，能夠?qū)⒀刂摶衙孢M(jìn)行滑動(dòng)的可能性計(jì)算出來(lái)，也就是破壞的概率和安全系數(shù)，再選取一些可能的滑裂面作為系統(tǒng)，將穩(wěn)定的破壞概率和安全系統(tǒng)計(jì)算出來(lái)。可能性最大的滑動(dòng)面就是破壞概率最高或者安全系數(shù)量低的滑動(dòng)面。

分析邊坡穩(wěn)定的傳統(tǒng)方法就是極限平衡法，利用安全系數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，安全系數(shù)具有直觀性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程界。此方法根據(jù)則塑性的理論，只對(duì)土體破壞的瞬間變形機(jī)制比較注重，而忽視了土體變形的過(guò)程，只要求對(duì)Mohr-Coulomb的破壞準(zhǔn)則以及力和力矩的平衡進(jìn)行滿(mǎn)足。

極限平衡法沒(méi)有對(duì)土體自身應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行考慮，不能夠?qū)⑦吰伦冃纹茐牡倪^(guò)程進(jìn)行有效地反映。但是，因?yàn)闃O限平衡法的概念明了且簡(jiǎn)單，在計(jì)算的方法上，有大量的計(jì)算模型和經(jīng)驗(yàn)形成了，具有準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。所以，從當(dāng)前來(lái)看，分析邊坡穩(wěn)定性主要的方法還是極限平衡法。在工程實(shí)踐的過(guò)程中，可以結(jié)合邊坡破壞的滑動(dòng)面形態(tài)，來(lái)將相應(yīng)的極限平衡法進(jìn)行選擇。

2)大壩壩坡除險(xiǎn)加固的設(shè)計(jì)：根據(jù)壩基和壩體的實(shí)際地質(zhì)條件，該次設(shè)計(jì)所選擇的斷面是最大壩的高樁號(hào)0+308m，采用了畢肖普法和瑞典圓弧法分別對(duì)上下游壩坡進(jìn)行抗滑穩(wěn)定的復(fù)核計(jì)算，上游壩坡主要對(duì)部位驟降和最不利的水位兩種情況進(jìn)行了計(jì)算，下游壩坡主要對(duì)正常蓄水位的穩(wěn)定滲流期情況進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)計(jì)算，了解到對(duì)工況下壩坡抗滑穩(wěn)定的計(jì)算都符合規(guī)范的要求。因此，該次加固除險(xiǎn)設(shè)計(jì)，對(duì)于上下游壩坡坡比保持不變，只是拆除上游壩坡原有的干砌塊石護(hù)坡；平整下游碎石護(hù)坡以后，再將一層碎石鋪到上面。

為了使來(lái)年的灌溉需求得以保證，加固除險(xiǎn)施工期間的水庫(kù)庫(kù)容必須高于150×104立方m，水庫(kù)的水位為318.1m，因此，該次設(shè)計(jì)擬將上游壩坡的翻修范圍規(guī)定為318.1m至壩頂。采用干砌塊石護(hù)砌作為該范圍內(nèi)的護(hù)坡翻修方案，將鋼盤(pán)混凝土梁格設(shè)置在上游坡上，來(lái)對(duì)干砌塊石護(hù)坡穩(wěn)定的要求進(jìn)行滿(mǎn)足。

大壩上游護(hù)坡翻修的起始高程是318.1m，護(hù)坡的厚設(shè)是0.3m，頂高程是330m，設(shè)0.16m為塊石護(hù)坡的碎石墊層。拆除原護(hù)坡塊石以后，整平原碎石墊層的表面以后，將0.15m的厚碎石層重新進(jìn)行鋪設(shè)，將0.3m厚度的干砌塊石砌筑在新墊層上。在翻修起始高程318.1m的護(hù)坡處設(shè)置一個(gè)深度和底寬為0.4m的干砌石腳槽。

清坡平整大壩下游壩坡以后，將0.2m厚的碎石層重新進(jìn)行鋪設(shè)，將起始高程翻修為313m。將兩級(jí)馬道設(shè)置在下游壩坡上，第一級(jí)的馬道高程324m，寬為1.8m；第二組的馬道高程318m，寬為1.8m，下游壩坡從下而上，分別為1：2.5和1：2.25以及1：2。大壩樁號(hào)0+516m和0+226m，重新將2m寬上壩踏步進(jìn)行砌筑。

2 水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固防滲設(shè)計(jì)的處理方式

2.1 穩(wěn)定大壩的壩體結(jié)構(gòu)

1)水庫(kù)大壩的結(jié)構(gòu)分類(lèi)：防滲加固措施通常遵循上堵中截下排的原則，水平鋪蓋需要人工填筑和天然黏土兩種，水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固一般采用高壓噴射灌漿防滲和混凝退防滲墻以及倒掛井防滲墻和劈裂灌漿防滲等幾類(lèi)。大壩壩體根據(jù)上下游坡度的陡緩程度，相對(duì)應(yīng)地進(jìn)行系數(shù)放緩的培厚施工。

2)維護(hù)大壩結(jié)構(gòu)的其他建設(shè)項(xiàng)目：為了使大壩結(jié)構(gòu)得以穩(wěn)定，既要重視排水棱體處理能力的加大，又要重視處理涵洞和護(hù)坡的危險(xiǎn)災(zāi)情，使泄洪道排水的能力得以增加，及時(shí)加固改造除險(xiǎn)，對(duì)于水庫(kù)大壩受滑坡的影響力，應(yīng)該力學(xué)地參考滑坡自身的成因、性質(zhì)、規(guī)模、邊界條件以及范圍等，還有滑坡產(chǎn)生的作用，使滑坡安全的穩(wěn)定性得以擴(kuò)大。

3)大壩壩體加固，提高其抗震的能力：在水庫(kù)大壩加固措施實(shí)施的過(guò)程中，還要重視落實(shí)其抗震的能力，相對(duì)應(yīng)地檢測(cè)地震烈度和震級(jí)，在水庫(kù)大壩壩頂超高設(shè)計(jì)抗震加固，坡壩放緩，致使上部壩坡穩(wěn)定性得以增強(qiáng)，因?yàn)樗畮?kù)大壩上部地震的慣性比較大，需要石塊砌體或者石塊對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行加固增厚，同時(shí)，建設(shè)鋼筋槽穩(wěn)定的水庫(kù)大壩也要增設(shè)。在土石方格或者鋼筋設(shè)置時(shí)，應(yīng)該重視加固水庫(kù)下游坡壩，禁止開(kāi)閘泄洪時(shí)，發(fā)生沖毀下游壩坡的現(xiàn)象。

2.2 增強(qiáng)水庫(kù)加固除險(xiǎn)的能力

1)水庫(kù)除險(xiǎn)加固措施的實(shí)施：對(duì)水庫(kù)大壩加固除險(xiǎn)，設(shè)計(jì)的原則既要簡(jiǎn)便可行，又要具有經(jīng)濟(jì)性。水庫(kù)大壩加固除險(xiǎn)措施的要求，工程施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查必須要實(shí)施，分析大壩滲流的情況。產(chǎn)生裂縫容易加大裂縫導(dǎo)致整個(gè)大壩潰堤，水庫(kù)大壩在除險(xiǎn)中，先要解決裂縫問(wèn)題，才能夠有效地開(kāi)展加固的技術(shù)。滲流狀況若比較輕，可以運(yùn)用高壓膽管理混凝土旋噴的技術(shù)，將滲流縫隙堵塞，以防混凝土板張裂。此外，還可以采用翻砌施工的方式，處理裂縫涌水的情況。

2)水庫(kù)防滲的技術(shù)：水庫(kù)發(fā)生滲水，主要是因?yàn)樵谒膲簭?qiáng)下，水庫(kù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)松動(dòng)或部位變化。所以，水庫(kù)大壩防滲技術(shù)中的防滲方式具有很多種。例如，帷幕灌漿和混凝土防滲墻，以及深層攪拌連續(xù)墻和高壓噴射灌漿等相關(guān)的防滲技術(shù)措施，從而使水庫(kù)大壩施工的質(zhì)量得以有效地提高。

3 總 結(jié)

綜上所述，慶豐水庫(kù)大壩實(shí)施加固除險(xiǎn)工程，無(wú)論對(duì)樞紐建筑物工程狀況的改善，還是水庫(kù)運(yùn)行條件的改善，都至關(guān)重要，同時(shí)，也提升了水庫(kù)綜合的效益。慶豐水庫(kù)通過(guò)加固險(xiǎn)除，既修繕了水庫(kù)現(xiàn)有的工程設(shè)施，又使水庫(kù)運(yùn)行期和使用的壽命得以有效地延長(zhǎng)，使水庫(kù)防洪和灌溉等相關(guān)的主要作用得以充分地發(fā)揮。

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2017-09-12

孟林(1970-)，男，四川平昌人，工程師，研究方向?yàn)樗ㄔO(shè)、管理。