建陽區(qū)南坑水庫漿砌石拱壩除險加固設計

林 昱

(福建省南平市水利局，福建 南平 353100)

1 大壩除險加固設計概述

1.1 工程概況

南坑水庫位于建陽區(qū)崇雒鄉(xiāng)官田自然村，所在河流為后崇溪支流橫源溪。工程于1981年3月動工，1982年4月建成。壩址以上集雨面積1.13km2，主河道長0.99km，坡降121.9‰。水庫設計洪水標準為20年一遇，設計洪峰流量23.59m3/s，設計洪水位343.08m；水庫校核洪水標準為200年一遇，校核洪峰流量33.20m3/s，校核洪水位343.26m。水庫樞紐由大壩(含非溢流段和溢流段)及放水涵管組成。大壩為漿砌石圓拱壩，壩體為水泥砂漿砌毛塊石，壩頂高程344.23m，未設防浪墻，最大壩高15.27m，壩頂中心線弧長65.00m，壩頂寬度0.80m；溢流壩設置在壩體中部，采用漿砌石結構，為矩形堰。堰頂分為三段，中段堰頂高程為342.15m，長9.40m；兩邊堰頂高程為342.75m，合計長11.20m，溢流壩總凈長20.60m，溢流型式為開敞式壩頂自由溢流，壩腳為漿砌塊石護底，未設消能工；放水涵管埋設于大壩右側壩體內，為有壓鋼筋混凝土管，內徑0.40m，進口底高程為331.45m，涵管末端采用DN400閘閥控制放水，最大放水量1.49m3/s。水庫興利庫容20.64萬m3，死庫容0.50萬m3，總庫容25.08萬m3。南坑水庫是一座以灌溉為主，結合發(fā)電、防洪的小(2)型水庫。

1.2 水文氣象

南坑水庫所在流域屬中亞熱帶季風氣候區(qū)，光熱資源豐富，冬短夏長，氣候宜人，靜風多，溫差大，雨季集中，年平均氣溫18.1℃，無霜期322天，年平均降雨量1742mm，年日照平均1802h，適宜動植物生殖繁衍，有“嘉禾之鄉(xiāng)”美稱。

1.3 工程地質

根據(jù)鉆孔揭示，壩基巖土體分布及性能特征自上而下分述如下(見圖1)：

a.坡積黏性土(Qdl)。褐黃色、灰褐色，可塑狀，以黏粒、粉粒及砂粒為主，無搖震反應，干強度、韌性中等，坡積形成。

b.全風化凝灰熔巖(Kz2)。紅褐色，原巖結構基本破壞，礦物成分以石英、長石為主，巖石為極軟巖，巖體極破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級，該層未見軟弱夾層、洞穴、臨空面等。

c.砂土狀強風化凝灰熔巖(Kz2)。黃褐、紅褐色，原巖組織結構大部分破壞，礦物成分以石英、長石為主，長石已大部分風化成土狀，巖芯呈砂土狀，手捏即散，遇水易軟化崩解，巖體極破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級，該層未見軟弱夾層、洞穴、臨空面等。

d.碎塊狀強風化凝灰熔巖(Kz2)?；液稚瓗r組織結構大部分破壞，礦物成分以石英、長石為主，長石未完全風化，巖芯呈碎塊狀，錘擊易碎，巖石風化強烈，塊體已通體風化，礦物成分明顯已風化，節(jié)理裂隙發(fā)育，該層未見軟弱夾層、洞穴、臨空面等。

e.中風化凝灰熔巖(Kz2)?；尹S色，凝灰結構，塊狀構造，巖石風化裂隙很發(fā)育，主要礦物為長石、石英，巖芯呈塊狀—短柱狀，巖石質量指標RQD=30%～80%。完整程度為較破碎—較完整，巖體基本質量等級為Ⅲ類，該層未見軟弱夾層、洞穴、臨空面等。

圖1 水庫工程地質斷面

1.4 大壩加固的必要性

目前，南坑水庫有效灌溉面積300畝，水庫下游涉及一個村莊140人，電站裝機2×50kW。為當?shù)剞r業(yè)生產(chǎn)和保證人民生命財產(chǎn)安全發(fā)揮了重要的作用。水庫自蓄水以來，雖然進行過簡單的加固處理，但沒有實質性效果，仍存在較多隱患，處于病險狀況，無法正常運行。因此，南坑水庫必須盡快進行加固處理，消除隱患，確保水庫安全運行。

1.5 大壩存在的主要問題

《建陽區(qū)南坑水庫大壩安全鑒定報告書》確定南坑水庫工程存在的主要問題有：大壩為漿砌毛塊石，現(xiàn)狀壩體砂漿勾縫脫落嚴重，下游面部分段長滿雜草；溢流壩段下游面多處有白色游離鈣沉積物析出，總面積約100m2，堰頂未設工作橋，下游未設消能設施；壩頂寬度偏小，且壩頂上、下游側均未設防護設施；放水涵管閘閥位于地面以下，銹蝕嚴重，已損壞，不能關閘蓄水，出口無閥門室；大壩未安裝水工、水文監(jiān)測設施，未設管理房；上壩道路坡度陡、路況極差、破損嚴重，車輛無法到達壩頭。

2 大壩除險加固設計

2.1 壩基防滲加固設計

大壩河床壩基主要落于中風化凝灰熔巖上，根據(jù)現(xiàn)場壓水試驗成果，中風化凝灰熔巖透水率為2.76～3.94Lu，屬弱透水性，因此，壩基滲漏問題較小。兩岸壩肩坡積黏性土、全風化凝灰熔巖、砂土狀強風化凝灰熔巖為中等透水層，導致兩岸存在壩基滲漏隱患。

根據(jù)壩基滲漏問題，結合壩基地質情況，采用兩岸壩肩下游面基巖帷幕灌漿結合殘積土層高壓旋噴樁防滲方案(見圖2)。

a.大壩下游面沿著壩腳基礎開挖至設計高程，并清理開挖斷面。

b.采用C15埋石混凝土澆筑混凝土壓漿蓋板，蓋板沿壩基底線成傾斜布置。結合下游壩面埋石混凝土加固培厚，預先澆筑一層C15埋石混凝土蓋板，厚2.0m，作為帷幕灌漿壓漿蓋板用。

c.灌漿孔布置在壓漿蓋板上，沿著壩軸線方向布置一排灌漿孔，按二序加密施工，一序孔距6m，最終孔距3m，鉆孔深入中風化層3m。

d.對兩岸壩肩殘積土層采用高壓噴射混凝土防滲墻，孔距0.5m，成樁直徑0.6m，搭接厚度0.35m。高壓旋噴樁深入全風化0.5m，與灌漿帷幕結合形成一道封閉的防滲墻。

e.灌漿材料采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5。使用前必須對進場的水泥進行隨機抽樣檢驗，符合質量標準的才允許使用。

f.鉆孔。帷幕灌漿孔位與設計孔位偏差值不得大于10cm，孔徑不得小于46mm，孔底偏差不得大于25cm。鉆孔結束后需進行沖洗，直至孔口返清水。

g.帷幕灌漿壓力應根據(jù)工程和地質情況進行分析計算并結合工程類比擬定，必要時進行灌漿試驗，并在施工過程中調整確定，本工程灌漿壓力初步可采用0.3～0.5MPa，但是灌漿時不得抬動混凝土壓漿蓋板和壩基巖體。

h.帷幕灌漿檢查孔的數(shù)量為灌漿孔總數(shù)的10%左右，檢查孔壓水試驗應在灌漿結束14天后進行，檢查孔各段透水率應小于5Lu。

圖2 大壩防滲加固斷面

2.2 大壩壩體加固設計

經(jīng)計算，壩體最大拉應力大于允許值，最大壓應力小于允許值；拱端對壩基的推力值大于壩基承載力特征值，拱壩應力不滿足要求。高水位運行時左右擋水壩段下游面存在明顯滲濕現(xiàn)象，溢流壩段下游面局部有白色游離鈣沉積物析出，說明壩體砌筑質量較差，局部存在滲漏。

本次加固采用壩體背水面C15埋石混凝土培厚處理，同時解決壩體應力不滿足要求及滲漏的問題(見圖3和圖4)。具體設計如下：

a.對下游原壩面進行鑿毛，并用高壓水槍沖洗干凈。

b.背水面采用C15埋石混凝土培厚，與蓋板接觸時須對蓋板鑿毛并先澆筑一層混凝土，然后分層鋪筑石塊，培厚體下游坡比為1∶0.7，將原拱壩改造為重力式拱壩。

c.按3m分層澆筑，施工時按0.3～0.6m的澆搗層連續(xù)澆筑，上下澆筑塊之間間歇3～7天。

圖3 非溢流段加固斷面

圖4 溢流段加固斷面

d.對施工的要求。完成壩基壓漿蓋板澆筑后進行混凝土防滲面板的澆筑。混凝土攪拌時間要達到要求，澆注振搗要全面充分，振搗至表面充分泛漿、混凝土不再下沉、不再冒大的氣泡，就可以停止振搗。模板架立要穩(wěn)固、嚴密，不允許出現(xiàn)脹模和爆模以及漏漿現(xiàn)象，拆模后不得有超出規(guī)范規(guī)定的蜂窩麻面和空洞以及露筋等現(xiàn)象。另外施工冷縫處理要按規(guī)范進行，即必須將連接面混凝土進行鑿毛清洗后才能澆注新混凝土。

2.3 重力墩加固設計

為了明確拱壩的結構并且使壩體受力合理，對右岸重力墩進行加大加固處理，具體加固方案如下：

a.對重力墩上、下游面基礎開挖，澆筑前需徹底清理和沖洗，打掉突出的尖角。

b.對重力墩上、下游面清除雜草、苔蘚，用高壓水槍沖洗干凈。

d.對長2.4m的重力墩上、下游面采用C15混凝土加厚0.5m處理。澆筑前布置一層抗裂鋼筋網(wǎng)，其規(guī)格為φ10@200，焊接在錨桿上，鋼筋保護層厚度為35mm。

3 大壩除險加固后大壩應力和穩(wěn)定性復核

3.1 加固后大壩應力復核

拱壩應力計算采用浙江大學的ADAO拱壩分析與優(yōu)化軟件程序進行。南坑水庫大壩壩址地震烈度小于6度，大壩為圓筒形漿砌石拱壩，厚高比B/H=0.124，屬薄拱壩。壩體采用漿砌毛塊石，上下游壩面采用水泥砂漿勾縫。

3.1.1 特征水位

校核洪水位343.26m，設計洪水位343.08m，正常蓄水位342.15m。

3.1.2 物理力學指標

a.變形模量(根據(jù)巖性，自上而下)。全風化巖層0.5GPa，砂土狀強風化巖層3.9GPa，碎塊狀強風化巖層5.0GPa，中風化巖層11GPa。泊松比0.25。

b.砌體參數(shù)。砌體容重2.25t/m3，彈性模量7GPa，線脹系數(shù)0.8×10-5/℃。

c.淤沙參數(shù)。淤沙高程331.45m，淤沙浮容重0.9t/m3，淤沙內摩擦角20°。

3.1.3 溫度荷載

采用美國墾務局經(jīng)驗公式：Tm=±57.57/(T+2.44)。

3.1.4 多拱梁法應力控制指標

應力控制指標采用《砌石壩設計規(guī)范》(SL 25—2006)規(guī)定指標，80號毛石砌體允許的拉應力：拱壩周邊為0.70MPa，其他部位為0.55MPa；壓應力：基本組合為2.60MPa，特殊組合為3.00MPa。

拱壩壩體最大主拉應力為0.7MPa，發(fā)生在死水位溫降工況，位于上游壩面高程342.15m左側拱端處；最大主壓應力為1.46MPa，發(fā)生在校核洪水位位溫升工況，位于下游壩面高程342.15m右側拱端處。從復核計算來看，壩體最大主拉應力和最大主壓應力均沒有超過允許值，拱端對壩基的推力值小于壩基承載力特征值。因此，加固后的南坑水庫拱壩應力能滿足規(guī)范要求(見表1)。

表1 各工況應力計算成果匯總 單位：MPa

3.2 加固后壩肩穩(wěn)定性復核

采用單位高度的水平拱計算各個高程的壩肩基巖穩(wěn)定性，確定各個高程必須的壩肩堅巖線范圍。按照《水工設計手冊·第五冊 混凝土壩》式(22-5-3)計算，計算公式如下：

N=HAcosθ-VAsinθ,Q=HAsinθ+VAcosθ

計算結果見表2和表3。

在地形圖上量取各層拱端下游巖體各滑裂面的實際堅巖線長度，與計算所需的堅巖線長度進行比較。大壩加固后，左、右岸各高程拱肩巖體計算所需堅巖線范圍均在實際堅巖線范圍內，理論上拱壩兩岸拱肩整體是滿足拱壩壩肩穩(wěn)定性要求的。這是由于壩體培厚使得建基面各項力系能均勻分布到基巖上，改善了壩體受力分布和巖體的傳力分布。

表2 左岸拱肩巖體抗滑穩(wěn)定復核成果

表3 右岸拱肩巖體抗滑穩(wěn)定復核成果

續(xù)表

3.3 加固后重力墩穩(wěn)定復核

根據(jù)《砌石壩設計規(guī)范》，重力墩抗滑穩(wěn)定分析采用純摩公式計算，公式如下：

∑W=(Gy+Hy-U)

經(jīng)計算，重力墩底部最大壓應力為93.29kPa，最小壓應力為0.09kPa，未出現(xiàn)拉應力，滿足《砌石壩設計規(guī)范》關于重力墩墩底應力的要求；各工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。

4 結 語

南坑水庫大壩采用壩基帷幕灌漿結合壩體培厚的方案進行加固處理，經(jīng)過大壩抗滑、穩(wěn)定復核計算，大壩穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，加固方案合理，2016年通過了水庫除險加固工程的竣工驗收。工程經(jīng)過近幾年運行，大壩未見明顯滲漏現(xiàn)象，說明防滲效果較好，能夠解決壩體和壩基滲漏問題。