新疆某水庫除險(xiǎn)加固方案探討

鄭兆江

(和田地區(qū)水利局，新疆 和田 848000)

土石壩工程是現(xiàn)有國內(nèi)水庫樞紐的重要組成部分，由于其具有施工方便、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)水庫建設(shè)中[1-2]。我國修建壩體工程技術(shù)現(xiàn)如今已處于國際領(lǐng)先水平。但由于過去生產(chǎn)力的低下，導(dǎo)致過去的水庫壩體經(jīng)多年運(yùn)行后均出現(xiàn)了一定的質(zhì)量問題，水庫在長期蓄水、排水使用過程中，壩體穩(wěn)定性會發(fā)生較為明顯的變化，安全系數(shù)降低將對庫區(qū)范圍內(nèi)居民生產(chǎn)、生活以及社會穩(wěn)定造成嚴(yán)重的影響。因此對水庫出現(xiàn)加固的研究已成為了國內(nèi)研究的熱點(diǎn)[3-4]。。文章以新疆某水庫為例，對該工程除險(xiǎn)加固方案進(jìn)行分析。

1 工程概況

水庫位于我國新疆境內(nèi)，水庫建于1974年，運(yùn)行期長達(dá)40a，是一座以防洪、抗旱、灌溉為主，兼有養(yǎng)殖等綜合利用小(2)型水庫樞紐工程。水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩長116.0m，壩頂高程102.02m，壩頂寬4.0m。

2 水庫病害分析

壩基承載力特征值為100kPa，天然容重為19.0kN/m3，干容重為14.4kN/m3，天然容重、干容重及承載能力均較低，穩(wěn)定性差，地基沉降量平均每年為3.18mm，滲透系數(shù)為為3.22×10-1cm/s，滲透系數(shù)較高，壩體存在較嚴(yán)重的滲漏問題。

3 水庫加固方案設(shè)計(jì)與復(fù)核

水庫正常蓄水位100.0m，相應(yīng)庫容10.26萬m3；設(shè)計(jì)洪水位101.17m，相應(yīng)庫容為20.06萬m3；校核洪水位101.55m，相應(yīng)庫容為24.26萬m3。

對現(xiàn)壩體迎水坡進(jìn)行培厚整形，死水位以上至壩頂進(jìn)行干砌石護(hù)坡，其結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)為0.30m塊石護(hù)坡，下設(shè)0.20m碎石墊層，底部鋪0.10m砂墊層。死水位以下拋石。背水坡按坡比1∶2.5進(jìn)行培厚整形，壩腳自最大浸潤高度加安全超高設(shè)置3.0m貼坡排水，排水體頂高程100.0m，排水體底部高程隨坡就勢。壩頂高程102.30m，頂寬仍維持現(xiàn)狀4.0m不變，鋪設(shè)20cm厚砂石路面。兩側(cè)壩肩采用花崗巖路緣石布置[5-7]。

3.1 壩頂高程復(fù)核

壩頂超高按下式計(jì)算：

Y=R+A

(1)

式中：Y為壩頂超高，m；R為最大波浪在壩坡上的爬高，m；A為安全超高，m。

平均波浪爬高Rm按下式計(jì)算：

(2)

式中：Rm為波浪平均爬高，m；m為單坡的坡度系數(shù)，2.5；K△為斜坡糙率滲透性系數(shù)，0.9；KW為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；hm，Lm為波浪要素，平均波高和波長，m。

平均波高和平均波周期按下式計(jì)算：

(3)

Tm=4.438hm0.5

(4)

(5)

式中：hm為平均波高，m；Tm為平均波周期，s；W為計(jì)算風(fēng)速，m/s，非常運(yùn)用工況取多年平均最大風(fēng)速13.5m/s，正常運(yùn)用工況取多年平均最大風(fēng)速1.5倍20.25 m/s；D為風(fēng)區(qū)長度，設(shè)計(jì)水位對應(yīng)風(fēng)區(qū)長度為500.0m，校核水位對應(yīng)風(fēng)區(qū)長度為800.0m；Hm為水域平均水深，m；g為重力加速度，9.81m/s。Lm為平均波長，m；Tm為平均波周期，s；H為壩迎水面前水深。

壩體高程復(fù)核情況見表1。

表1 壩頂高程復(fù)核 m

根據(jù)復(fù)核后壩頂及防滲體頂高程計(jì)算成果表及《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL189-2013)壩體結(jié)構(gòu)要求：

現(xiàn)狀壩頂高程102.10m，小于本次復(fù)核壩頂高程102.25m(設(shè)計(jì)水位)及102.19m(校核水位)，不滿足規(guī)范要求。因此大壩需整加厚形后便可以鋪設(shè)砂石路面20cm，同時(shí)在壩肩設(shè)置花崗巖路緣石。

3.2 壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

根據(jù)歷年最大風(fēng)速和風(fēng)向，選擇風(fēng)向與壩軸線成一定角度的多年風(fēng)速資料進(jìn)行分析，得出平均最大風(fēng)速為13.5m/s。

水庫大壩為均質(zhì)土壩，大壩全長116.0m，最大壩高5.75m，大壩頂高程102.50m，壩頂寬4.0m。

采用瑞典圓弧法，計(jì)算安全系數(shù)：

(6)

式中：W為土條重量；μ為作用于土條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c′φ′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

邊坡穩(wěn)定計(jì)算典型斷面取最大壩高處。成果見圖1和表2。從表中可以看出，大壩在實(shí)際抵御洪水標(biāo)準(zhǔn)下各工況均滿足大壩最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求。

圖1 計(jì)算簡圖

表2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

續(xù)表2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

3.3 壩體滲流分析

1)滲流穩(wěn)定分析計(jì)算：

壩體滲流分析使用北京理正軟件提供的滲流分析計(jì)算功能進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算采用公式法。其計(jì)算結(jié)果見表3。

圖2 有限深透水地基上的坡面

計(jì)算工況水位/m上游下游單寬滲流量/m3·(day·m)-1逸出點(diǎn)高程/m正常蓄水位100.097.50.016復(fù)核后設(shè)計(jì)水位101.1497.50.034復(fù)核后校核水位101.5597.50.038壩基占92%左右97.7598.1898.31

2)后貼坡排水控制高程與結(jié)構(gòu)分析確定：

按壩后浸潤線最高溢出點(diǎn)高程(校核洪水情況)計(jì)算：

H貼坡頂=H浸潤線+h超高=98.31+1.50=99.81(m)。

考慮上面計(jì)算結(jié)果，結(jié)合工程實(shí)際，西大橋水庫壩后貼坡排水控制頂高程設(shè)計(jì)選為100.0m。

3.4 大壩工程加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)大壩局部整形：

對現(xiàn)壩體迎水坡進(jìn)行培厚整形，死水位以上至壩頂進(jìn)行干砌石護(hù)坡，其結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)為0.30m塊石護(hù)坡，下設(shè)0.20m碎石墊層，底部鋪0.10m砂墊層。死水位以下拋石[8-10]。

2)背水面貼坡排水：

在背水坡壩腳處設(shè)置貼坡排水，貼坡排水控制高程為100.0m，其結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)依次是30cm厚塊石層，20cm厚碎石層及10cm厚砂墊層。

3)壩壩頂設(shè)計(jì)：

大壩壩頂鋪設(shè)20cm厚砂石路面，并在兩壩肩設(shè)置花崗巖路緣石?；◢弾r規(guī)格為40cm×15cm×99cm。

4 結(jié) 語

水庫由于運(yùn)行時(shí)間過長，導(dǎo)致壩體穩(wěn)定性較差，同時(shí)滲透系數(shù)較高，通過文章方案的除險(xiǎn)加固之后，可進(jìn)一步提高壩體穩(wěn)定性，降低滲透系數(shù)和滲流量，水庫經(jīng)除險(xiǎn)加固后可放心投入使用。