勝利水庫均質(zhì)土壩安全復(fù)核及除險(xiǎn)加固防滲處理

毛志華，邱寬紅，向紅利，李光建

（1.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324002；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100）

勝利水庫均質(zhì)土壩安全復(fù)核及除險(xiǎn)加固防滲處理

毛志華1，邱寬紅1，向紅利1，李光建2

（1.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324002；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100）

勝利水庫大壩在高水位運(yùn)行中，存在壩體滲漏、壩體壩基接觸段滲漏、防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低等問題，雖經(jīng)多次加固，但由于缺乏全面計(jì)算分析，壩體和壩基仍滲漏嚴(yán)重。為消除水庫安全隱患，根據(jù)壩體滲漏病險(xiǎn)現(xiàn)狀，結(jié)合壩體安全論證結(jié)果，優(yōu)選增加防洪墻與套井回填粘土防滲相結(jié)合的除險(xiǎn)加固方案。防滲加固處理后，經(jīng)測試，12個(gè)抽樣鉆孔，其滲透系數(shù)均小于1.0×10-5cm/s指標(biāo)要求，壩體密實(shí)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到有效增強(qiáng)。歷經(jīng)3年蓄水運(yùn)行考驗(yàn)，壩體和壩肩等均未出現(xiàn)滲漏問題，大壩整體運(yùn)行狀況良好。

壩體滲漏；安全復(fù)核；滲透系數(shù)；套井回填粘土；勝利水庫

1 工程概況

勝利水庫位于衢州市衢江區(qū)賀邵溪村，水系屬衢江支流下山溪，水庫以灌溉為主，兼顧防洪、生態(tài)養(yǎng)殖等功能。灌溉面積300畝，養(yǎng)殖面積50畝。水庫周邊有大洲雨量站，水庫壩址以上集水面積為0.2km2，河道長度0.61km，比降為18.6‰。水庫正常蓄水位79.80m，正常庫容26.0×104m3，總庫容29.34×104m3。復(fù)核后大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為 200年一遇。水庫主要建筑物由大壩、溢洪道等組成，為?。?）型水庫，工程等別為 V等，主要和次要建筑物級別均為5級。

2 大壩滲漏現(xiàn)狀分析

勝利水庫大壩為均質(zhì)土壩，現(xiàn)狀壩頂高程80.80～81.08m，最大壩高9.3m，壩頂長97.0m，寬3.4～4.1m不等。大壩迎水坡平均坡比1∶2.89，壩坡面不平整，雜草叢生。背水坡被上壩道路分為兩級，上壩道路至壩腳坡比1∶2.12，至壩頂坡比1∶2.39，雜草叢生，壩腳未設(shè)排水和反濾設(shè)施，壩腳潮濕。

水庫由于受當(dāng)時(shí)社會經(jīng)濟(jì)條件限制，且屬典型的“三邊”工程，缺乏完善的地質(zhì)勘探資料和科學(xué)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，工程建設(shè)質(zhì)量較差［1］。經(jīng)現(xiàn)場勘查分析，大壩樞紐存在以下多方面的問題：①壩坡面不平整，表面雜草叢生，壩腳未設(shè)排水和反濾設(shè)施，壩腳潮濕。②大壩壩體填土碾壓填筑質(zhì)量較差，壩體土滲透系數(shù)較大，存在嚴(yán)重壩體滲漏問題。③大壩壩體與壩基土、基巖接觸帶滲透系數(shù)不能滿足規(guī)范要求，存在接觸滲漏問題。④大壩白蟻危害嚴(yán)重。

工程填筑質(zhì)量差、防洪標(biāo)準(zhǔn)低、未設(shè)排水反濾設(shè)施和滑坡坍塌破壞等安全隱患，將會對壩體和壩肩穩(wěn)定性帶來不利，導(dǎo)致壩體和基巖發(fā)生移位，嚴(yán)重威脅到大壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需進(jìn)行全面安全復(fù)核和選擇合理防滲除險(xiǎn)加固措施，確保大壩運(yùn)行具有較高的安全可靠性。

3 壩體安全復(fù)核結(jié)論及除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

3.1 壩體安全復(fù)核結(jié)論

為了準(zhǔn)確掌握在不同荷載組合工況下，壩體的應(yīng)力分布狀況和整體穩(wěn)定性，為大壩除險(xiǎn)加固提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，運(yùn)用簡化畢肖普法結(jié)合理正邊坡穩(wěn)定計(jì)算軟件，對勝利水庫壩體穩(wěn)定性進(jìn)行全面安全復(fù)核。論證結(jié)果表明：①工程質(zhì)量：壩體土碾壓填筑質(zhì)量和壩體土滲透系數(shù)不能滿足規(guī)范技術(shù)指標(biāo)要求，壩體滲漏問題嚴(yán)重。大壩壩體與壩基土、基巖接觸段滲透系數(shù)不能滿足規(guī)范要求，存在接觸滲漏問題［2］。②防洪安全： 按設(shè)計(jì) 20年一遇、 校核200年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)核，現(xiàn)狀大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足規(guī)范要求。大壩防洪安全等級評定為“C”級。③滲流安全：從滲流計(jì)算結(jié)果可以看出，滲流出逸點(diǎn)較高，從現(xiàn)場檢查情況看，壩腳未發(fā)生滲透破壞，因此大壩滲流基本穩(wěn)定。但壩腳潮濕，且未按規(guī)范要求設(shè)置排水反濾設(shè)施。大壩滲流安全性等級評定為“B”級。④結(jié)構(gòu)安全：各種運(yùn)用條件下，勝利水庫大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范指標(biāo)，壩坡穩(wěn)定性較好。大壩結(jié)構(gòu)安全評定為“B”級。

3.2 均質(zhì)土壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

3.2.1 壩頂高程復(fù)核

勝利水庫正常蓄水位79.80m，對應(yīng)庫容26.00 ×104m3。經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，水庫設(shè)計(jì)洪水位（P=5%）為80.06m，對應(yīng)庫容28.23×104m3；水庫校核洪水位（P=0.5%）為80.19m，對應(yīng)庫容29.34× 104m3。多年平均年最大風(fēng)速W=15.7m/s，風(fēng)區(qū)長度 D=310m。按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）推薦公式計(jì)算［3］，得壩頂高程復(fù)核成果，如表1所示。

表1 壩頂高程計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算：正常運(yùn)用（20年一遇設(shè)計(jì)洪水位）工況，大壩安全超高為1.55m，計(jì)算所需壩頂高程為81.61m；非常運(yùn)用（200年一遇校核洪水位）工況，大壩安全超高為 1.06m，計(jì)算所需壩頂高程為81.25m?，F(xiàn)狀壩頂高程為80.80～81.08，大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足規(guī)范要求。

3.2.2 壩體防滲加固設(shè)計(jì)

根據(jù)大壩安全認(rèn)定結(jié)論，壩體碾壓填筑質(zhì)量和滲透系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，除險(xiǎn)加固原則是通過對大壩進(jìn)行防滲處理，截?cái)鄩误w滲漏通道，確保大壩安全［4-5］。另外，壩體與壩基、 壩體與基巖接觸帶均存在接觸滲漏和繞壩滲漏問題，需進(jìn)行防滲處理。

（1）防滲處理方案選擇

擬采用粘土斜墻和套井回填兩種方案進(jìn)行壩體防滲處理，即：①方案一：粘土斜墻方案。壩坡開挖至粘土設(shè)計(jì)填筑面后進(jìn)行斜墻填筑施工，斜墻基礎(chǔ)開挖要求進(jìn)入基巖0.5m。②方案二：套井回填方案。在壩頂采用套井回填粘土法進(jìn)行壩體防滲處理。套井孔徑為 φ110cm，孔距0.75m，套井有效防滲厚度為0.8m。套井嵌入強(qiáng)風(fēng)化基巖 0.5～1.0m，單排孔布置。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，勝利水庫壩體以下第四系覆蓋層較厚，采用粘土斜墻方案開挖量大，對粘土需求量大，投資高，工期長。而采用套井回填方案工程量小、施工簡單、施工技術(shù)成熟，設(shè)計(jì)采用套井防滲方案。

（2）大壩結(jié)構(gòu)加高設(shè)計(jì)

壩體加高設(shè)計(jì)擬采用兩種方案進(jìn)行比較：①方案一：加高壩頂至計(jì)算高程。利用壩體土將壩頂加高至81.70m高程，壩頂加寬至4m，加固后壩頂與背水坡通過 1∶2坡比連接。②方案二：增加防浪墻。壩頂整平至80.80m高程，加寬至4m，壩頂靠迎水坡設(shè)置混凝土防浪墻，防浪墻頂高程81.70m，壩頂外側(cè)設(shè)置干砌石邊墻。

現(xiàn)狀壩頂高程80.80～81.08，計(jì)算所需壩頂高程為81.61m。由于壩頂長97m，整體加高壩體填筑量大，而采用防浪墻方案填筑量小，工程量少，投資省。為減少大規(guī)模填筑，設(shè)計(jì)采用增加防浪墻的大壩結(jié)構(gòu)加高方案。

加固后壩頂高程 80.80m，防浪墻頂高程81.70m，頂寬4m。采用套井回填粘土的方法進(jìn)行大壩防滲處理，由于大壩壩基與基巖接觸帶存在繞壩滲流情況，因此套井須嵌入強(qiáng)風(fēng)化基巖0.5m以上。套井為單排孔，孔徑 φ110cm，孔距 0.75m，有效防滲厚度為0.8m。套井孔回填土料采用粘性土料，含水量控制在最優(yōu)含水率附近為宜，壓實(shí)度不小于0.96。壩頂采用瀝青混凝土路面，路面靠近迎水側(cè)設(shè)置 C25鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程81.70m，頂寬0.3m，底寬0.6m。壩頂背水側(cè)設(shè)置50cm×50cm（寬×高）干砌石邊墻，15cm厚C20混凝土壓頂。路面向下游側(cè)傾斜，坡度為2%。迎水面壩坡削填結(jié)合，調(diào)整為設(shè)計(jì)坡比1∶2.75，壩體填土表面鋪設(shè)20cm厚砂礫石墊層，再在其上鋪設(shè)12cm厚C25預(yù)制混凝土塊護(hù)坡。預(yù)制塊體為邊長30cm的正六邊形，預(yù)制塊間用1∶3水泥干砂漿嵌縫，縫寬2cm。迎水坡坡腳設(shè)置 C20混凝土基座，頂寬0.8m，底寬1.0m，高1.0m，基座深入兩岸山體不小于0.5m。壩頂沿迎水坡至基座新建壩體臺階，臺階寬3m，采用15cm厚C20混凝土現(xiàn)澆，單步步高15cm，步長41.3cm，兩側(cè)設(shè)置C20混凝土肋條，尺寸為30cm×35cm（寬×高），臺階基礎(chǔ)鋪設(shè)20cm厚砂礫石墊層。左右壩肩新建C20混凝土界墻，頂寬0.3m。背水坡被上壩道路分為兩級，加固將上壩道路拓寬至4m，壩坡削填結(jié)合，調(diào)整為設(shè)計(jì)坡比1∶2。背水坡設(shè)置C20混凝土框格草皮護(hù)坡，草皮選用矮生百慕大草皮，滿鋪，草皮底部鋪設(shè)30cm厚種植土。

3.3 大壩加固后結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

3.3.1 大壩加固后滲流計(jì)算分析

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，壩體填筑料為粘質(zhì)粉土，壩基土為含礫粉質(zhì)粘土，各材料的滲透特性指標(biāo)，如表2所示。

表2 壩基和大壩土體各滲透系數(shù)指標(biāo) （單位：cm/s）

大壩滲流采用理正滲流分析軟件按有限元法進(jìn)行計(jì)算［6］。根據(jù)工程特點(diǎn)及 SL274-2001規(guī)定，選擇2種運(yùn)用條件，即：（1）正常運(yùn)用條件：正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位時(shí)穩(wěn)定滲流期；（2）非常運(yùn)用條件：校核洪水位時(shí)穩(wěn)定滲流期。各種運(yùn)用條件下流網(wǎng)圖如圖1-圖3所示。

計(jì)算得壩體滲流分析成果，如表3所示。

表3 壩體滲流計(jì)算成果

從滲流計(jì)算結(jié)果可以看出，加固后大壩最大滲透比降出現(xiàn)在套井部位，為2.35，滿足土料允許滲透比降要求，大壩加固后滲流穩(wěn)定。

3.3.2 大壩加固后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算分析

采用地質(zhì)勘察報(bào)告中的土料參數(shù)建議值，其數(shù)值如表4所示。

表4 壩基和大壩各物理力學(xué)指標(biāo)表

壩坡滑動按圓弧滑動進(jìn)行滑動穩(wěn)定分析，采用計(jì)及條塊間作用力的簡化畢肖普法，選取大壩最大斷面進(jìn)行壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算［7］。選擇 2種運(yùn)用條件，即：（1）正常運(yùn)用條件：正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期；（2）非常運(yùn)用條件：校核洪水位穩(wěn)定滲流期和水庫水位非常降落期。大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果，如表5所示。

圖1 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期流網(wǎng)圖

圖2 設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期流網(wǎng)圖

圖3 校核洪水位穩(wěn)定滲流期流網(wǎng)圖

表5 壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

從表5可以看出，大壩整體穩(wěn)定，正常運(yùn)用條件下最小安全系數(shù)為1.554（發(fā)生在設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期），非常運(yùn)用條件下最小安全系數(shù)為1.548（發(fā)生在校核洪水位穩(wěn)定滲流期），均大于規(guī)范規(guī)定的正常運(yùn)用條件K=1.25和非常運(yùn)用條件K=1.15的技術(shù)指標(biāo)，大壩抗滑穩(wěn)定性較好。

3.4 白蟻防治

大壩白蟻危害嚴(yán)重，大壩加固工程中采取挖除蟻巢、隔離溝帶和壩面消毒等人工和藥物相結(jié)合的方法， 對白蟻進(jìn)行綜合防治［8］。

（1）挖除蟻巢：在大壩及大壩兩端10m范圍內(nèi)清挖蟻巢，不管新生蟻巢和成年蟻巢及副巢，徹底清挖抓出蟻皇蟻后，巢內(nèi)施藥回填夯實(shí)，使用滅蟻靈粉使巢內(nèi)殘留的白蟻在一定時(shí)間內(nèi)徹底死亡。

（2）隔離溝帶：在大壩背水坡兩端各挖一條隔離溝帶（規(guī)格為40cm×40cm），同時(shí)在隔離溝帶內(nèi)投放藥物回填完善，重點(diǎn)阻隔大壩外及周邊地區(qū)的白蟻進(jìn)入大壩吸水取食，使用藥物是（滅蟻靈粉），此藥物在土壤中具有較長的特效作用，以及水解和光解速度快，使白蟻無法進(jìn)入大壩。

（3）壩面消毒：在大壩背水坡打孔灌藥（規(guī)格為2m×2m，深度25～35cm），使整座大壩形成消滅白蟻的毒土網(wǎng)。壩面消毒使用藥物為100%比中啉懸浮劑，此藥物不易污染環(huán)境和水域。毒死大壩內(nèi)無法挖出的白蟻蟻巢，防止今后白蟻在分飛季節(jié)飛落大壩，使白蟻無法在大壩建巢和生存，徹底消滅蟻害。

4 套井回填粘土防滲加固應(yīng)用效果分析

（1）施工質(zhì)量檢測

施工中嚴(yán)格《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）控制分層回填粘土厚度，回填后的套井其密實(shí)度嚴(yán)格按照96% ～98%設(shè)計(jì)密實(shí)度和不大于1.0×10-5cm/s的指標(biāo)進(jìn)行全程動態(tài)質(zhì)量控制。每個(gè)套井抽檢干密度的合格率均在92.5%以上，沒有出現(xiàn)集中不合格樣，且最小壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)度的99.5%。為檢測套井回填粘土的防滲效果，防滲工程施工完成后，根據(jù)大壩整體布置共選擇12個(gè)抽樣鉆孔進(jìn)行注水試驗(yàn)，測結(jié)果表明：12個(gè)抽樣鉆孔的滲透系數(shù)最大為0.93×10-5cm/s，小于1.0× 10-5cm/s的指標(biāo)要求，合格率為100%，防滲加固效果顯著。

（2）運(yùn)行效果

2013年9月，水庫除險(xiǎn)加固工程順利完工并蓄水試運(yùn)行。運(yùn)行3年來，壩體未發(fā)現(xiàn)滲水。2014年4月中旬水庫開始進(jìn)入汛期，水庫維持在正常蓄水位79.80m條件下運(yùn)行達(dá)70d；2015年7月中旬，庫水位達(dá)到80.09m，接近200年一遇校核洪水位80.19m，壩體、壩肩等均未出現(xiàn)滲漏問題，滲漏水量也為零，表明壩體滲漏問題得到有效處理，套井回填粘土壩體防滲效果良好。

5 結(jié)論

勝利水庫大壩由于受建設(shè)資金和施工技術(shù)力量不足、施工質(zhì)量監(jiān)控不到位、清基不徹底、土質(zhì)混雜、壩體填土壓實(shí)不佳防滲性能差等因素的制約，加上40余年的運(yùn)行，存在壩體滲漏、壩體與壩基土及基巖間接觸滲漏、壩體浸潤線偏高、壩體蟻害等問題，大壩壩體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等，均受到不斷增強(qiáng)滲水壓力的破壞。2012年，大壩被鑒定為“三類壩”，必須通過合理安全論證和加固后壩體結(jié)構(gòu)和抗滑穩(wěn)定復(fù)核，確保除險(xiǎn)加固方案具有較高的安全可靠性，徹底根除大壩現(xiàn)存的安全隱患。

（1）現(xiàn)狀壩頂高程80.80～81.08m，不能滿足20年一遇設(shè)計(jì)洪水和 200年一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)，需采取大壩加高處理。壩體與壩基土及基巖間接觸段滲透系數(shù)不能滿足規(guī)范要求，大壩存在壩體滲漏和接觸滲漏等問題，需采取合理的防滲加固措施進(jìn)行處理。大壩白蟻活動蔓延擴(kuò)大，嚴(yán)重威脅到大壩的運(yùn)行穩(wěn)定。

（2）設(shè)計(jì)采用增加防浪墻的壩體加高方案，墻頂高程 81.70m，以滿足大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，優(yōu)選施工技術(shù)成熟、施工便捷和投資效益高的套井回填粘土的防滲方案進(jìn)行大壩防滲加固處理。

（3）壩體防滲加固后， 在 2種運(yùn)用條件下，大壩最大滲透比降出現(xiàn)在套井部位為 2.35，滿足土料允許滲透比降要求，大壩加固后滲流穩(wěn)定。

（4）大壩在正常運(yùn)用和非常運(yùn)用條件下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)復(fù)核指標(biāo)，均大于規(guī)范規(guī)定的［1.25］和［1.15］允許值，滿足規(guī)范要求

（5）套井回填粘土經(jīng)分層夯實(shí)后，壩體材料干密度增大、滲透系數(shù)降低，有效增強(qiáng)壩體密實(shí)度和壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。檢測結(jié)果表明：12個(gè)抽樣鉆孔，其滲透系數(shù)均小于1.0×10-5cm/s指標(biāo)要求，防滲合格率100%，并歷經(jīng)多次高水位蓄水運(yùn)行考驗(yàn)，滲漏水量為零，加固后工程達(dá)到設(shè)計(jì)要求，大壩滲漏安全隱患得到徹底解決。

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TV698.2+3

B

1672-2469（2017）02-0137-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.041

2016-08-22

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（50020208）

毛志華（1985年—）， 男， 工程師。