滸溪水庫大壩防滲加固工程設(shè)計探究

袁 燾

（吉安市青原區(qū)水利局，江西 吉安 343000）

1 工程概況

滸溪水庫位于青原區(qū)文陂鄉(xiāng)荷塘村委滸溪村，座落于贛江水系富水支流滸溪水上，距文陂鄉(xiāng)6 km，距青原區(qū)城31 km。該工程于1971年冬動工興建，1972年投入使用。水庫樞紐工程主要建筑物：大壩、溢洪道及壩下涵管等。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程108.92 m～109.80 m，最大壩高11.8 m，壩頂寬1.5 m～3.6 m，壩軸線長319 m。上游壩坡坡比1∶2.91～1∶3.14。下游壩坡坡比1∶2.16～1∶2.4。滸溪水庫控制集雨面積3.09 km2，正常蓄水位106.30 m，總庫容122.03萬m3，設(shè)計灌溉面積167 hm2，實際灌溉面積127 hm2，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的小（1）型水庫。另外，水庫下游有0.8萬余人、167 hm2萬畝耕地。

目前工程存在的問題有：壩體填筑的土質(zhì)較差，碾壓不實，不能滿足土石壩的防滲要求，易產(chǎn)生集中滲流問題；壩基具中等透水性，壩基存在滲漏問題。溢洪道未襯砌，泄槽段不滿足抗沖刷要求，兩岸邊坡較陡，穩(wěn)定性差，易發(fā)生邊坡塌滑。無消能設(shè)施，無出水渠。斜管過流能力不滿足設(shè)計灌溉要求。斜管管身砼老化、剝蝕，蜂窩麻面嚴(yán)重，有多條貫穿性裂縫。壩下涵管為砼預(yù)制圓涵，結(jié)構(gòu)型式不滿足抗裂要求。水庫無水雨情觀測設(shè)施，無大壩安全監(jiān)測設(shè)施，無通訊、管理設(shè)施，進(jìn)庫、上壩公路標(biāo)準(zhǔn)低，不滿足水庫日常運行管理和防洪搶險要求[1]。

2 防滲加固設(shè)計

2.1 大壩壩體防滲加固設(shè)計

滸溪水庫大壩為均質(zhì)土壩，據(jù)吉安市水利規(guī)劃設(shè)計院編制提交的《滸溪水庫除險加固工程初步報告》中大壩滲流計算結(jié)果（見表1）以及大壩運行中存在的問題表明：大壩壩體存在滲漏和滲透穩(wěn)定問題，需對大壩進(jìn)行防滲處理。大壩防滲處理的原則主要是“上截、下排”。“上截”就是在上游封堵滲漏入口，截斷滲漏途徑，防止?jié)B入。大壩防滲措施可采用斜墻防滲、垂直防滲等幾種處理措施?？紤]到庫區(qū)已蓄水多年，根據(jù)目前國內(nèi)病險水庫加固處理技術(shù)經(jīng)驗及本工程實際情況，選擇粘土斜墻結(jié)合截水槽、沖抓套井回填粘土心墻兩個防滲方案進(jìn)行比較。

表1 滲透水力比降與滲透流量計算結(jié)果

2.1.1 方案比較

1）方案Ⅰ：上游壩坡設(shè)置粘土斜墻結(jié)合截水槽方案

在上游壩坡鋪設(shè)粘土斜墻，底部設(shè)截水槽截斷覆蓋層，深入強(qiáng)風(fēng)化基巖不小于0.5 m，粘土斜墻與左右壩肩岸坡接觸面開挖截水槽進(jìn)行防滲加固，達(dá)到減少壩體滲漏目的。本次加固設(shè)計先對上游壩坡表面平整及清淤后邊坡削至1∶2.5，再在上游壩坡填筑一道粘土斜墻，斜墻頂寬大于3.0 m，底部厚大于3.0 m，斜墻外坡坡比放緩至1∶3.25。

2）方案Ⅱ：在壩頂布設(shè)沖抓套井回填粘土防滲心墻方案

自大壩壩頂順壩軸線方向布設(shè)沖抓套井回填粘土防滲心墻，達(dá)到降低壩體浸潤線，減少壩體滲漏目的，使大壩防滲滿足規(guī)范要求。參照《土石壩加固》設(shè)計，鉆孔排數(shù)取1排，孔距、排距和有效厚度按下式計算：

式中：R為鉆孔半徑，α=65°23′；L為孔距；S為排距；T為有效厚度。

沖抓粘土心墻布置1排孔，造孔直徑1.1 m，孔距為0.46 m，經(jīng)計算心墻有效厚度為1.0m，大于所需的心墻厚度要求[2]。

3）方案比較與選擇

上述兩個壩體防滲加固方案在技術(shù)上均可行，能滿足壩體防滲要求，施工工藝成熟，兩方案主要工程量及其投資比較見表2。由表2可知，方案Ⅰ投資277.0萬元，方案Ⅱ投資248.5萬元。同時方案Ⅰ的施工工藝成熟、施工組織簡單，可控性強(qiáng)，故工程推薦采用方案Ⅰ。

表2 大壩壩體防滲加固方案工程量及造價比較表

2.1.2 大壩防滲加固方案設(shè)計

經(jīng)綜合分析比較采用上游壩坡填筑粘土斜墻與截水槽方案，先對壩坡面平整，邊坡削至1∶2.5左右，再在上游壩坡填筑一道粘土斜墻，底部設(shè)截水槽深入強(qiáng)風(fēng)化基巖不小于0.5 m。粘土斜墻外坡坡比1∶3.25，底厚3 m，截水槽底寬3.0 m，粘土斜墻頂高程108.25 m，結(jié)合壩體防滲加固，對大壩左右壩肩岸坡接觸面開挖截水槽進(jìn)行防滲加固，截水槽截斷殘坡積層。

（1）粘土斜墻設(shè)計指標(biāo):滲透系數(shù)k≤1×10-5cm/s，允許滲透坡降大于5～7，壓實度不小于0.96。

（2）防滲土料：土料水溶鹽含量不大于3%，有機(jī)質(zhì)含量不大于2%，有較好的塑性，填土的含水量按最優(yōu)含水量控制，允許偏差為±3%。

2.2 大壩壩坡加固設(shè)計

據(jù)《大壩安全鑒定報告書》(鑒定組織單位:青原區(qū)水利局；鑒定審定部門：吉安市水利局）安全鑒定結(jié)論可知：大壩在高水位工況下壩體滲流性態(tài)不安全，上下游壩坡在各種水位穩(wěn)定滲流工況下，抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。此結(jié)論與本次大壩穩(wěn)定復(fù)核計算結(jié)果（見表3）結(jié)論相同。

表3 大壩加固前壩坡穩(wěn)定復(fù)核計算成果表

2.2.1 上游壩坡加固設(shè)計

對大壩上游壩坡拆除現(xiàn)澆砼板護(hù)坡并對不平整部分進(jìn)行削坡整平后坡比為1∶2.5左右，填筑粘土斜墻外坡坡比1∶3.25，高程108.25 m以下至壩基進(jìn)行護(hù)坡。根據(jù)工程實際情況及近些年大壩除險加固處理經(jīng)驗，選擇砼預(yù)制塊護(hù)坡和干砌塊石護(hù)坡兩種方案進(jìn)行比較。

（1）砼預(yù)制塊護(hù)坡

砼預(yù)制板采用六角形板，邊長0.3 cm，采用C15砼，其護(hù)坡厚度按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274—2001）附錄A推薦的公式計算：

式中：η為系數(shù)，對整體式大塊護(hù)面板取1.0，對裝配式護(hù)面板取 1.1；hp為累積頻率為 1%的波高，m；Lm為平均波長，m；b為沿坡向板長，取 0.6 m；ρc為板的密度，取 2.4 t/m3；ρw為水的密度，取1.0 t/m3；m為坡度系數(shù)，取3.5。

經(jīng)計算t=0.094 m。參考類似工程10 cm～20 cm，上游壩坡砼預(yù)制塊護(hù)坡厚度取10 cm。

（2）干砌塊石護(hù)坡

據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274—2001），干砌塊石護(hù)坡在最大局部波浪壓力作用下所需的換算球形直徑和質(zhì)量、平均粒徑、平均質(zhì)量和厚度按下式確定：

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)；hp為累積頻率為5%的波高，m；ρk為塊石密度，取2.4 t/m3。

經(jīng)計算t=0.25 m?？紤]施工要求，干砌塊石護(hù)坡厚度需取0.30 m。

（3）護(hù)坡方案選擇與設(shè)計

由單價分析，砼預(yù)制塊護(hù)坡單價為536.67元/m3；干砌塊石護(hù)坡單價為149.17元/m3。從經(jīng)濟(jì)上干砌塊石護(hù)坡投資較省，但考慮到干砌塊石護(hù)坡施工質(zhì)量較難控制，砼預(yù)制塊護(hù)坡施工質(zhì)量易于控制，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，下設(shè)一層砂石墊層。經(jīng)綜合比較本工程推薦砼預(yù)制塊護(hù)坡方案，厚0.1 m，下設(shè)砂卵石墊層厚0.1 m。

2.2.2 下游壩坡加固設(shè)計

大壩下游坡坡面雜草、灌木叢生，坡面不平整。本次設(shè)計進(jìn)行平整壩坡處理，高程102.15 m以上坡比為1∶2.5，采用草皮護(hù)坡，高程102.15 m以下新建貼坡排水，坡比為1∶2.5。

由于大壩滲漏嚴(yán)重，現(xiàn)狀下游左壩腳出現(xiàn)大面積的沼澤地，對大壩穩(wěn)定不利。本次加固對下游壩腳處的沼澤地采用塊石回填，塊石回填至下游壩基高程。

3 大壩加固設(shè)計計算

3.1 滲流計算

大壩加固后的滲流穩(wěn)定計算方法同大壩安全復(fù)核計算，粘土防滲斜墻滲透系數(shù)取1×10-5cm/s，其余土層滲透系數(shù)見表4。下游水位取大壩下游地面高程98.83 m，大壩加固處理方案典型斷面見圖1，大壩加固斷面各工況下的浸潤線及等勢線見圖2，滲流計算成果見表5。

表4 土層滲透系數(shù)取值表

圖1 大壩加固典型斷面

圖2 加固后各工況產(chǎn)生的穩(wěn)定滲流

表5 大壩防滲加固、前后滲流計算成果表

由計算結(jié)果可知（校核水位），大壩現(xiàn)狀斷面壩體浸潤線出逸坡降值為0.2，小于允許坡降值；壩腳最大坡降0.42，大于允許坡降值，壩體、壩基易產(chǎn)生滲透破壞，在未來高水位下壩體的滲流性態(tài)存在不安全隱患?，F(xiàn)狀斷面計算滲流量Q=1.18 m3/（d·m）。加固后的大壩設(shè)計斷面壩體浸潤線浸潤線出逸坡降值為0.16，小于允許坡降值；壩腳最大坡降0.4，等于允許坡降值。應(yīng)設(shè)置反濾排水體。經(jīng)防滲處理后的計算滲流量為Q=0.78 m3/（d·m）。設(shè)計斷面的浸潤線出逸點比現(xiàn)狀斷面的浸潤線出逸點低[3]。

3.2 穩(wěn)定計算

大壩壩坡穩(wěn)定計算采用粘土防滲斜墻加固及壩坡加固方案滲流計算成果，計算斷面、參數(shù)、計算程序、孔隙水壓力、計算工況的確定見表6。大壩加固后的壩坡穩(wěn)定計算成果見表6、圖3。

表6 大壩加固的壩坡穩(wěn)定復(fù)核計算成果表

由上表計算結(jié)果可知，大壩經(jīng)過防滲及壩坡加固后，大壩在各種工況下上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全滿足《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2001）要求。

圖3 有效應(yīng)力法的應(yīng)用

4 結(jié)論

綜上所述，受施工技術(shù)水平、使用年限等方面的影響，水庫經(jīng)過長期運行后，不可避免的會出現(xiàn)質(zhì)量問題，導(dǎo)致其使用功能下降。滸溪水庫經(jīng)及時除險加固，消除了安全隱患，壩體滲漏及大壩穩(wěn)定均滿足要求。