樸家溝水庫大壩加固工程設(shè)計(jì)探析

楊秋菊

(營口市水利勘測建筑設(shè)計(jì)院，遼寧 營口 115000)

樸家溝水庫大壩加固工程設(shè)計(jì)探析

楊秋菊

(營口市水利勘測建筑設(shè)計(jì)院，遼寧 營口 115000)

樸家溝水庫為山丘區(qū)水庫，加固后最大壩高26.20m，上下游最大水頭差為25.44m，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)規(guī)定，樸家溝水庫按山區(qū)丘陵區(qū)水庫確定洪水標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《遼寧省小(2)型水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告編制規(guī)程》，對該大壩工程進(jìn)行設(shè)計(jì),滿足水庫正常運(yùn)行需求。

大壩;防浪墻;護(hù)坡;滲流安全;設(shè)計(jì)

1 概 述

樸家溝水庫位于遼寧營口陳屯鎮(zhèn)樸家溝村，冷水河支流上，庫區(qū)流域面積3.56km2，壩址以上河道長2.35km，河道平均比降為74.48‰。1976年竣工投入運(yùn)行。原防洪標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇洪水設(shè)計(jì)，300a一遇洪水校核，設(shè)計(jì)洪水位123.7m，相應(yīng)庫容34萬m3，校核洪水位125.0m，相應(yīng)庫容39.4萬m3，是一座以灌溉為主、兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的小(2)型水庫。

樸家溝水庫壩型為黏土心墻壩，壩殼為砂礫石、塊石，壩長126m，壩頂寬5.7-8.3 m，最大壩高26.0m，壩頂高程125.39-125.9m，迎水坡1∶2.3，背水坡為2級坡，分別為1∶1.5和1∶2.0。

河岸式溢洪道位于大壩左側(cè)，凈寬13-32m，渠底高程121.80-120.20m。

輸水洞位于大壩右側(cè)，型式為壩下埋管，洞身為鑄鐵管，洞徑0.3m，長61.6m，進(jìn)口高程116.59m，出口高程110.19 m。

2 大壩工程地質(zhì)

2.1 壩體條件

為了揭示大壩各種土料指標(biāo)，在迎水坡、壩上、背水坡分別布置3個(gè)坑探。經(jīng)過野外鉆探及室內(nèi)土工試驗(yàn)得出：

迎水坡由黃褐色級配不良砂組成。表層0.3m為碎石，黃褐色級配不良砂的不均勻系數(shù)Cu平均值為11.61，水上休止角θ平均值為30度，水下休止角θ平均值為25°。

心墻為黃褐色低液限黏土，其上部1.0m為黃褐色松散狀山皮土，(山皮土由砂土、碎石等組成)，黃褐色低液限黏土含鐵質(zhì)結(jié)核、鐵銹和少量的砂粒，濕,硬塑-堅(jiān)硬狀態(tài),中壓縮性。不均勻系數(shù)平均值為35.17，垂直滲透系數(shù)Kv平均值為3.03E-06(cm/s)，滲透等級為微透水。

背水坡為黃褐色級配不良礫。黃褐色級配不良礫的不均勻系數(shù)Cu平均值為13.21，水上休止角θ平均值為32°，水下休止角θ平均值為27°。

2.2 壩基條件

大壩壩基座落于巖石基礎(chǔ)上，揭開覆蓋層2-12m可以見到新鮮巖石，以花崗巖為主。巖石裂隙少，質(zhì)量較好，透水性小，運(yùn)行30多年來，大壩壩基未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

2.3 壩肩條件

右側(cè)壩肩與山相連接，左側(cè)壩肩與溢洪道相連接，大壩運(yùn)行多年，無接觸滲漏情況。

3 大壩加固設(shè)計(jì)

3.1 大壩斷面設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)狀壩頂高程為125.39-125.90m，本次設(shè)計(jì)為了滿足心墻抗凍要求，壩頂加高至126.10m。防浪墻頂高程126.40m，心墻頂高程125.0m，壩頂寬度為4.0m。

本次設(shè)計(jì)大壩迎水坡為1∶2.3，背水坡為二級坡，坡比分別為1∶2.0、1∶2.25。

3.2 防浪墻設(shè)計(jì)

1)防浪墻斷面設(shè)計(jì)：

防浪墻與心墻接觸，防浪墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與心墻相結(jié)合。

2)防浪墻滲流穩(wěn)定計(jì)算：

按照萊因公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

加權(quán)滲徑長度：

式中：∑Lv為垂直滲徑長度，m；∑Lh為水平滲徑長度，m。

滲徑長度滿足下式：

La≥KaH

(2)

式中：La為加權(quán)滲徑長度，m；Ka為允許滲徑系數(shù)，取2.0;H為作用在心墻頂最大水頭，H=0.34m。

防浪墻滲流穩(wěn)定計(jì)算成果見表1。

表1 防浪墻滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表 m

由表1計(jì)算成果得出，設(shè)計(jì)防浪墻加權(quán)滲徑長度La=1.0>KaH=0.68，滿足滲徑要求。

3)防浪墻穩(wěn)定計(jì)算：

防浪墻抗滑穩(wěn)定按照下列公式計(jì)算：

(3)

式中：Kc為防浪墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系；f為防浪墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.30；∑H為作用在防浪墻上全部平行于基底面的荷載，kN；∑G為作用在防浪墻上全部垂直于基底面的荷載，kN。

抗傾穩(wěn)定按照下列公式計(jì)算：

(4)

式中：Kf為防浪墻抗傾穩(wěn)定系數(shù)；∑MY為對防浪墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m；∑M0為對防浪墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m。

防浪墻穩(wěn)定計(jì)算成果見表2。

表2 防浪墻穩(wěn)定計(jì)算成果表

由以上計(jì)算可知：防浪墻穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3.3 大壩護(hù)坡計(jì)算

大壩迎水坡護(hù)坡石由于風(fēng)浪淘刷和風(fēng)化作用部分已破碎，壩坡局部沉陷，塊石松動(dòng)、脫落，護(hù)坡石必須全面認(rèn)真翻修，從迎水坡死水位108.00至壩頂進(jìn)行護(hù)砌。

1)護(hù)坡厚度計(jì)算如下：

(5)

式中：D為石塊的換算球形直徑，m；Q為石塊的質(zhì)量，t；D50為石塊的平均粒徑，m；Q50為石塊的平均質(zhì)量，t；t為護(hù)坡厚度，m；Kt為隨坡率變化的系數(shù)，按表A.2.1查得；ρk為塊石密度，t/m3；ρω水的密度，t/m3；hp為累積頻率為5%的波高，m。

護(hù)坡復(fù)核計(jì)算參數(shù)及成果見表3。

表3 護(hù)坡計(jì)算參數(shù)及成果表

根據(jù)以上計(jì)算，大壩護(hù)坡厚度取300mm。

設(shè)計(jì)迎水坡坡比為1∶2.3，翻修施工前應(yīng)全面、徹底清除壩面、雜草和植根土層，清理后對原壩坡進(jìn)行整平，底層鋪設(shè)100mm厚的中粗砂墊層，上面鋪設(shè)200mm厚的碎石墊層，面層為300mm干砌塊石[1]。砌筑縫隙≤30mm。

迎水坡翻修范圍為死水位108m至壩頂。

大壩背水坡坡比由原來的1∶1.5及1∶2.0變?yōu)?∶2.0和1∶2.25，改變坡比后，需對部分壩坡進(jìn)行培土加厚。

在對背水坡培厚的基礎(chǔ)上，新建上壩公路長270m，凈寬3.5m，上壩公路外側(cè)設(shè)180×250×990mm路緣石，路面采用砂石路面100mm厚，下鋪水泥砂礫穩(wěn)定層300mm厚。為了下游壩坡排水，下游壩坡沿著上壩公路靠近大壩一側(cè)設(shè)排水溝，排水溝采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[2]。

3.4 滲流安全計(jì)算

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)，按照有限元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。穩(wěn)定滲流工況：

1)正常高水位：上游水位121.80m，相應(yīng)下游無水。

2)設(shè)計(jì)洪水位：上游水位124.54m，相應(yīng)下游無水。

3)校核洪水位：上游水位125.34m，相應(yīng)下游無水。

計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院有限公司的《理正滲流分析軟件》，滲流計(jì)算成果見表4。

表4 滲流穩(wěn)定分析成果表

根據(jù)表4結(jié)果，由于溢出點(diǎn)較高，下游無排水設(shè)施，所以進(jìn)行排水體設(shè)計(jì)。

3.5 加固后大壩穩(wěn)定計(jì)算

對加固后的大壩進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。

土料指標(biāo)：根據(jù)上、下游壩坡及勘察取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析的試驗(yàn)結(jié)果。土料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表5。

表5 土料物理力學(xué)指標(biāo)表

根據(jù)加固后大壩的結(jié)構(gòu)斷面及運(yùn)行條件和水位參數(shù)，以及《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)中的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算工況如下：

1)正常運(yùn)用條件：①正常高水位穩(wěn)定滲流期上、下游坡的穩(wěn)定計(jì)算。②設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期上、下游坡的穩(wěn)定計(jì)算。

2)非常運(yùn)用條件Ⅰ：①校核洪水位穩(wěn)定滲流期上、下游坡的穩(wěn)定計(jì)算；②校核洪水位驟降至正常高水位情況上游坡的穩(wěn)定計(jì)算。

3)非常運(yùn)用條件Ⅱ：正常高水位+地震上、下游坡的穩(wěn)定計(jì)算。

穩(wěn)定計(jì)算方法根據(jù)規(guī)范《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，采用瑞典圓弧法計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。穩(wěn)定計(jì)算采用壩高最大、壩坡最陡的實(shí)測斷面[3]。

邊坡穩(wěn)定計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院有限公司的《理正邊坡穩(wěn)定分析軟件》，穩(wěn)定計(jì)算成果見表6。

表6 穩(wěn)定計(jì)算成果表

根據(jù)表6計(jì)算結(jié)果得出：加固后大壩穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)均大于允許安全系數(shù)，滿足規(guī)范要求。

3.6 下游貼坡排水設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)對大壩下游增設(shè)貼坡排水，根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)5.7.8貼坡排水體頂部高程應(yīng)高于壩體浸潤線出逸點(diǎn)，超過的高度 3級、4級和5級壩≥1.5m。本次設(shè)計(jì)貼坡排水頂高程為103.50m。由內(nèi)至外分四層：粗砂100mm厚，碎石(1-3cm)200mm厚，碎石(6-10cm)300mm厚，20cm以上塊石400mm厚。在坡后地面水平段長3m。

4 結(jié) 語

本次施工項(xiàng)目為大壩迎水坡進(jìn)行翻修處理，背水坡進(jìn)行削坡、培厚，壩頂寬度為4.0m，新建防浪墻，并對壩頂進(jìn)行加高至126.10m。背水坡設(shè)排水溝。上壩公路270m，路面凈寬3.5m。

1)迎水坡護(hù)坡塊石翻修，采用人工拆除，拆除過程中，完整塊石(利用率為30%)用于重新利用，拆除后人工整平壩坡，從下至上依次鋪設(shè)中粗砂墊層、碎石墊層、塊石。要求砌體塊石之間咬扣緊密，錯(cuò)縫無通縫，不得疊砌和浮塞，塊石表面應(yīng)保持平整、美觀。拆除不能利用的塊石運(yùn)至大壩壩腳，運(yùn)距為0.5km。拆除后的墊層采用8t自卸汽車運(yùn)至背水坡回填，平均運(yùn)距為0.5km。

2)對大壩心墻頂至壩頂段土料進(jìn)行開挖，主要使用1m3挖掘機(jī)挖土，74kw推土機(jī)整平裝。黏土心墻裸露后，及時(shí)進(jìn)行保護(hù)。對防浪墻混凝土基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)場澆筑，模板、鋼筋在加工廠制作好后運(yùn)至施工現(xiàn)場，人工安裝模板、鋼筋。防浪墻所需混凝土采用商品骨料，現(xiàn)場拌制混凝土，人工用膠輪小車入倉，人工振搗[4]。

防浪墻砌筑完畢后，原開挖的土料回填于壩頂，并加高壩頂至126.10m，如果回填砂礫料不足，采用外購。大壩回填砂礫料使用振動(dòng)碾碾壓，局部機(jī)械碾壓不到的部位，采用蛙式夯實(shí)機(jī)夯實(shí)。

3)壩體背水坡先清除表層的草根、樹根雜質(zhì)等300mm厚。清除覆土后，采用采用8t自卸汽車運(yùn)至大壩壩腳處，運(yùn)距約0.5km。然后對背水坡進(jìn)行砂礫料培厚。砂礫料回填前應(yīng)根據(jù)砂料場的沙礫料做好碾壓試驗(yàn)，確定合理的碾壓參數(shù)。使用74kW推土機(jī)推運(yùn)砂礫料，1m3挖掘機(jī)裝8t自卸汽車運(yùn)輸上壩，74kW推土機(jī)鋪料整平，振動(dòng)碾壓機(jī)碾壓，填筑接縫必須成斜坡形。對于兩岸壩頭狹窄部位邊隅地段的砂礫料回填，必須選取級配良好的砂礫料回填，用蛙式夯實(shí)機(jī)結(jié)合人工夯實(shí)、整形處理。清除表面松散、不密實(shí)的填料，并按設(shè)計(jì)坡面進(jìn)行修整，使施工坡面平整、密實(shí)、美觀。培厚的砂礫料利用墊層拆除的一部分，不滿足要求的回填量采用外購。對上壩路進(jìn)行重建，平整路面后，從底層至路面分別鋪設(shè)水泥砂礫穩(wěn)定層300mm厚和砂石路面100mm厚[5]。

4)排水體砌筑，砌筑前應(yīng)先進(jìn)行排水體護(hù)建部位的地面清基處理，塊石場內(nèi)運(yùn)輸采用膠輪車，排水體施工采取人工進(jìn)行砌筑。

[1]鈕新強(qiáng).大壩安全與安全管理若干重大問題及其對策[J].人民長江，2011(12)：69-70.

[2]黃紅女,周瓊,華錫生.大壩安全監(jiān)控理論與技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述[J].大壩與安全，2005(02)：55-56.

[3]鈕新強(qiáng).大壩安全診斷與加固技術(shù)[J].水利學(xué)報(bào)，2007(S1)：99-100.

[4]張進(jìn)平,黎利兵,盧正超,趙春.大壩安全監(jiān)測決策支持系統(tǒng)的開發(fā)[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2003(02)：12-13.

[5]張進(jìn)平.大壩安全監(jiān)測資料分析方法及信息處理技術(shù)的若干進(jìn)展[J].大壩與安全，2003 (06)：51-52.

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1007-7596(2017)09-0194-03

文章編號(hào)：1007-7596(2017)09-0125-02

2017-08-28

楊秋菊(1984-)，女，遼寧營口人，工程師，從事水利工程設(shè)計(jì)工作。