小型病險(xiǎn)水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固方案比選

王 軍

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司）

1 工程概況

某水庫(kù)位于甘肅境內(nèi)渭河支流的X河段，是一座以防洪減災(zāi)、農(nóng)業(yè)灌溉、縣城供水及南部農(nóng)村供水為主的中小型水庫(kù)。該水庫(kù)總庫(kù)容為1 200萬(wàn)m3，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，為中型Ⅲ等水利工程。水庫(kù)興利庫(kù)容150 萬(wàn)m3，防洪庫(kù)容490 萬(wàn)m3，死庫(kù)容100 萬(wàn)m3。該水庫(kù)建于20 世紀(jì)70 年代初期，80 年代初水庫(kù)大壩上游壩坡發(fā)生滑坡后，及時(shí)完成修復(fù)；90年代末期對(duì)水庫(kù)進(jìn)行了續(xù)建及除險(xiǎn)加固，至現(xiàn)狀規(guī)模。該水庫(kù)主要由大壩、輸水泄洪洞、非常泄洪道、管理房及水庫(kù)自動(dòng)化調(diào)度中心站等部分組成，自建成投運(yùn)以來(lái)，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到了巨大的作用。但由于水庫(kù)當(dāng)時(shí)的防洪標(biāo)準(zhǔn)、填筑質(zhì)量、滲漏情況等問(wèn)題，經(jīng)有關(guān)部門進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)后，正式將其確定為病險(xiǎn)水庫(kù)，決定對(duì)其進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

2 大壩結(jié)構(gòu)及防滲評(píng)價(jià)

該水庫(kù)壩體主要有粘土心墻、壤土壩殼、反濾層、排水棱體、壩坡干砌石護(hù)坡等組成。

其中：①粘土心墻：主要有第三系粘土巖碾壓填筑而成，位于前壩坡，其墻頂中心線距現(xiàn)壩軸線5 m，墻頂高程為2 022 m，頂寬3 m，底寬12 m，粘土心墻底部中間設(shè)置有砼齒墻，齒墻底高程為1 990.25 m，齒墻頂高程為1 994.25 m，心墻基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化花崗片麻巖上。在粘土心墻頂2 020 m高程至壩頂高程間，在前壩坡鋪設(shè)有土工膜進(jìn)行防滲處理。②壩殼：均為壤土（重、中粉質(zhì)黏土）填筑，上游壩坡自上而下為1∶2.80、1∶3.50、1∶3.50。2000 m高程以上采用干砌石護(hù)坡，其中在2 020～2 030 m高程間壩坡鋪設(shè)土工布防滲層。在2 015 m至2 000 m高程加設(shè)石渣混合料壓重體，邊坡為1∶7。下游壩坡自上而下為1∶2、1∶3、1∶2.50。在2 018 m至1 998 m高程，加設(shè)石渣混合料壓重體。2 010 m 高程以下采用干砌塊石護(hù)坡，護(hù)坡厚度30 cm，其下設(shè)厚50 cm反濾層，2 013 m高程以上采用草皮護(hù)面。③排水棱體：位于下游壩趾主河槽部位，排水體頂高程1 998 m，頂寬2 m，內(nèi)坡1∶1.00，外坡1∶1.50，壩體與排水棱體接觸部位分別設(shè)置0.25、0.25、0.30 m 三層反濾層。壩后排水棱體有隧洞開挖棄料堆積，塊體直徑多為15 ～60 cm的不規(guī)則片麻狀花崗巖塊石堆積而成。

綜上所述，該水庫(kù)壩體粘土心墻頂高程為2 022 m 較原設(shè)計(jì)高程2 030 m低8 m，存在心墻防滲不完整、總體防滲體系較復(fù)雜等問(wèn)題。

3 防滲加固方案比選

3.1 工程加固方案簡(jiǎn)介

3.1.1 方案Ⅰ：“壩體防滲墻+壩體壓力充填灌漿+壩基、壩肩帷幕灌漿”加固

①壩體防滲墻：將壩頂臨時(shí)下挖3.10 m，形成12.0 寬的工作面（施工平臺(tái)，高程2 026.90 m），壩體設(shè)C15塑性混凝土防滲墻，墻底伸入基巖強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)1 m控制，防滲墻厚800 mm，最大深度40.85 m，加權(quán)平均深度26.73 m，墻長(zhǎng)120 m，總面積3 207 m2。②壩體壓力充填灌漿：考慮沿壩頂布置四排灌漿孔，前兩排分別在壩軸線上游2.00 m和壩軸線下游2.00 m，第三排在壩軸線上游4.00 m，第四排在壩軸線下游4.00 m，按三序鉆灌，孔距2.00 m，河孔深至基巖。為使灌注的漿液析水固結(jié)后與原壩體充分結(jié)合，漿液材料選用原筑壩土料。③壩基、壩肩帷幕灌漿：帷幕設(shè)設(shè)一排，孔距2.00 m。因正常蓄水位為2 020.80，遠(yuǎn)低于壩頂高程，設(shè)計(jì)采取壩頂高程2 030.00 m 與透水率（5≤q＜10Lu）防滲線相交的位置，深入相對(duì)不透水層以下5 m。最大灌漿孔深54.70 m，最小孔深4.10 m，加權(quán)平均孔深35.10 m。由于防滲墻高度較大，帷幕灌漿鉆孔垂直度不易控制，設(shè)計(jì)采用在防滲墻內(nèi)預(yù)埋帷幕灌漿PVC管（Ф=110 mm）。

3.1.2 方案Ⅱ：“壩體上游壩坡復(fù)合土工膜防滲+壩體壓力充填灌漿+壩肩帷幕灌漿”

①壩體上游壩坡復(fù)合土工膜防滲：清除上游壩坡防護(hù)體及反濾層，壩體開挖1.00 m后鋪設(shè)土工布防滲層下延至淤積層2 015.00 m 高程以下3.00 m，黏土夯填至原淤積面高程，土工膜其黃土夯填1.00 m，再上部恢復(fù)防護(hù)體及反濾層。沿迎水坡壩面與岸坡接觸邊線開挖梯形固埋溝槽，然后將土工膜嵌入弱風(fēng)化完整基巖。右壩肩開挖邊坡為1:0.75，底部設(shè)置混泥土基座（壓漿板），底寬2.00 m，厚0.80 m。帷幕設(shè)設(shè)一排，孔距2.00 m。因正常蓄水位為2 020.80，遠(yuǎn)低于壩頂高程，設(shè)計(jì)采取壩頂高程2 030.00 m與透水率（5≤q＜10 Lu）防滲線相交的位置，深入相對(duì)不透水層以下5 m。岸坡開挖澆筑砼基座后用黏土回填。②壩體壓力充填灌漿：將壩頂臨時(shí)下挖3.10 m，形成12.00寬的工作面，壩頂向下壩體壓力充填灌漿，填堵裂縫和隱患為主，同時(shí)促進(jìn)壩體沉陷變形穩(wěn)定的壓力灌漿。沿壩頂布置四排灌漿孔。第一排在壩軸線上游2.00 m，第二排在壩軸線下游2.00 m，第三排在壩軸線上游4.00 m，第四排在壩軸線下游4.00 m，按三序鉆灌，孔距2.00 m，河孔深至基巖。③壩肩帷幕灌漿：對(duì)左右壩肩進(jìn)行帷幕灌漿。左右壩肩自壩頂布置灌漿平硐，平硐斷面為城門洞型，尺寸為2.50 m×3.00 m（寬×高）。帷幕設(shè)設(shè)一排，孔距2.00 m。灌漿帷幕伸入兩岸的長(zhǎng)度為正常蓄水位為2 020.80與透水率防滲線相交的位置；帷幕灌漿底部深入相對(duì)不透水層以下5 m。

3.1.3 方案Ⅲ：“壩體壓力充填灌漿+壩基、壩肩帷幕灌漿”加固

①壩體壓力充填灌漿：沿壩頂布置五排灌漿孔，第一排在壩軸線位置，第二排在壩軸線上游2.00 m；第三排在壩軸線下游2.00 m，第四排在壩軸線上游4.00 m；第五排在壩軸線下游4.00 m，按三序鉆灌，灌漿排距2.00 m，孔距4.00 m，孔深至基巖。為使灌注的漿液析水固結(jié)后與原壩體結(jié)合較好，具有相同的性質(zhì)，適應(yīng)壩體的沉陷變形，漿液材料選用原筑壩土料。②壩基、壩肩帷幕灌漿：壩體底部壩基單排帷幕灌漿，孔距2.00 m，孔深根據(jù)壩高按《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274—2001 的要求，以滲透率呂容值≤5 Lu 以下5 m 控制。對(duì)左右壩肩進(jìn)行帷幕灌漿。

3.1.4 方案Ⅳ：壩體填筑+振沖碎石樁加固+壩體防滲墻+壩基、壩肩帷幕灌漿

①水庫(kù)淤積面以上重新填筑壩體：挖除壩體2 015.00 m高程以上壩體，按壓實(shí)度98%重新填筑壩體。②水庫(kù)淤積面以下壩體振沖碎石樁加固：大壩淤積面高程2 015.50 m以下壩體存在填筑質(zhì)量差、壩體裂縫問(wèn)題，對(duì)2 015.00 m 高程以下原松散壩體全壩面采用振沖碎石樁擠密加固，使樁體與壩體組成一個(gè)整體。樁身材料采用碎石、卵石，粒徑50 ～80 mm，樁徑1.00 m，樁中心距2.50 m，正方形布置。③壩體防滲墻：壩體設(shè)C15塑性混凝土防滲墻，墻底伸入基巖強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)1 m 控制，防滲墻厚800 mm，最大深度40.85 m，加權(quán)平均深度26.73 m，墻長(zhǎng)120 m，總面積3 207 m2。④壩基、壩肩帷幕灌漿：防滲墻底部壩基單排帷幕灌漿，孔距2.00 m，孔深根據(jù)壩高按《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，以滲透率呂容值≤5 Lu以下5 m控制。對(duì)壩基左右壩肩進(jìn)行帷幕灌漿。

2.2 加固方案擇優(yōu)分析

①方案Ⅰ：通過(guò)塑性混凝土防滲墻、帷幕灌漿重建壩體防滲體系，能解決壩體滲流問(wèn)題，通過(guò)壩體壓力充填灌漿能解決壩體裂縫問(wèn)題，是國(guó)內(nèi)同類壩體除險(xiǎn)加固常用方案；加固方案可比性投資為1 068.83萬(wàn)元。②方案Ⅱ：通過(guò)上壩坡鋪設(shè)土工膜、帷幕灌漿重建壩體防滲體系，能解決壩體滲流問(wèn)題，通過(guò)壩體壓力充填灌漿能解決壩體裂縫問(wèn)題，土工膜防滲多用于低壩除險(xiǎn)加固；加固方案可比性投資為745.40萬(wàn)元。③方案Ⅲ：通過(guò)壩體填充劈裂灌漿、帷幕灌漿重建壩體防滲體系，劈裂灌漿處理后，在堤壩內(nèi)形成了豎直密實(shí)連續(xù)的防滲體，增強(qiáng)壩體抗?jié)B能力，改善堤壩滲透穩(wěn)定和變形，從而達(dá)到除險(xiǎn)加固的目的，但從全國(guó)來(lái)看，僅山東、湖南、四川三省發(fā)展較快，但壓力控制難度大，在灌漿過(guò)程中容易出現(xiàn)堤壩劈壞、堤壩本身失穩(wěn)、滑坡等問(wèn)題；加固方案可比性投資為661.12萬(wàn)元。④方案Ⅳ：通過(guò)振沖碎石樁、淤積面高程以上壩體重新填筑，解決壩體填筑質(zhì)量不滿足規(guī)范要求的問(wèn)題及壩體裂縫問(wèn)題，壩基、壩肩帷幕灌漿能防滲墻能解決防滲體系不完善問(wèn)題。加固方案可比性投資為2 692.22萬(wàn)元，投資巨大，國(guó)內(nèi)采取此方案的同類工程很少。

4 研究結(jié)論

綜合上述四個(gè)方案的詳細(xì)闡述和對(duì)比分析，并根據(jù)病險(xiǎn)水庫(kù)主壩除險(xiǎn)加固具體情況，從工程量、施工難易度、防滲處理效果，可靠性和耐久性、經(jīng)濟(jì)效益以及對(duì)水庫(kù)的影響，尤其是生態(tài)保護(hù)等多方面進(jìn)行系統(tǒng)分析和比較，推薦采取“壩體防滲墻+壩體壓力充填灌漿+壩基、壩肩帷幕灌漿”加固方案進(jìn)行除險(xiǎn)加固。