西海子水庫大壩除險加固設計方案的研究分析

孜木耐提·爾肯

（烏蘇市興源水務有限公司，新疆 烏蘇 833000）

1 水庫基本情況概述

西海子水庫樞紐工程位于烏蘇市皇宮鎮(zhèn)境內，水庫距烏蘇市20 km，距皇宮鎮(zhèn)2 km。西海子水庫總庫容170×104m3，根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2000）的規(guī)定，本工程等別為四等，主要建筑物為四級，次要建筑物為五級。大壩為均質土壩，全長450 m，最大壩高4.50 m，壩頂寬度5.00 m，壩頂高程359.70 m。上游壩坡1∶3，無襯砌護坡，下游壩坡1∶2.5。大壩迎水坡無襯砌護坡，風浪淘刷嚴重，0+000～0+100 段在浪蝕作用下，造成土體滑塌，使該段壩頂寬度減少到2.00 m。大壩背水坡植被稀少，坡面土體被雨水沖刷，使壩后坡在0+340～0+450 段產生一系列龜紋裂縫，最寬約10 cm～20 cm，深約20 cm～50 cm。壩體壓實系數(shù)為0.84，壓實度較差，且不均勻，大壩土體具中等- 高壓縮性，壩體土滲透系數(shù)4.29×10-4cm/s～7.82×10-4cm/s，不符合均質壩土料壓實后滲透系數(shù)指標＜1×10-4cm/s，大壩迎水坡無襯護，無非常溢洪道，且放水涵洞淤積嚴重，不利于大壩安全運行。

西海子水庫竣工于1965 年4 月，壩型為均質土壩，由于當時技術、施工水平等因素限制，經過數(shù)十年的運行，大壩及放水涵洞已出現(xiàn)不同程度的損壞及老化，亟待除險加固。

2 大壩除險加固設計分析

2.1 壩頂高程設計研究

2.1.1 壩頂高程增加方案的比選

經超高計算，除險加固后壩頂高程應為360.90 m，比現(xiàn)壩頂高程359.7 m 高1.08 m，針對大壩壩頂高程不滿足超高問題，對大壩進行方案比較。

（1）方案一：壩頂寬度不變，上游增設防浪墻

除險加固后壩體仍為碾壓式均質土壩，總長450 m，壩頂寬度5 m，壩頂高程359.7 m，最大壩高4.5 m，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2.0。上游護坡厚0.15 m，材料為C20F200W4 砼，護坡砼板為3.0 m×3.0 m，底部一排每塊砼板設4 個排水孔，其余每排每塊砼板設4 個排水孔，排水孔為φ100 鋼管，排水孔設置范圍為正常蓄水位至死水位，護坡底設0.3 m 砂礫石混合料墊層，墊層底部設復合土工膜（一布一膜300 g/0.5 mm）防滲，坡腳設置梯形C20F200W4 砼阻滑墻。壩頂為0.2 m 砂礫石路面，上游護坡與C20F200 鋼筋砼防浪墻相連，壩頂下游埋設C20F200 砼的路沿石，路沿石高0.5 m，厚0.20 m，壩頂以上出露30 cm，埋設20 cm，下游坡腳設反濾、排水設施。本方案將原大壩上游進行清基處理，按設計要求進行墊層鋪筑及護坡砼澆筑，并增設鋼筋砼C20F200 防浪墻。

該方案總投資217.34 萬元左右。該方案具有施工簡單，不影響壩頂寬度，管理方便，投資較少等優(yōu)勢。

（2）方案二：壩頂寬度不變，增加壩頂高程

除險加固后壩體仍為碾壓式均質土壩，總長450 m，壩頂寬度5 m，壩頂高程360.90 m，最大壩高5.58 m。其他同方案一。本方案將原壩頂路沿石拆除，按原大壩上游進行清基處理，壩軸線向下游平移2.7 m，上游進行護坡墊層鋪筑及護坡砼澆筑，下游進行岸坡填筑，壩頂高程360.90 m，最大壩高5.58 m，保持壩頂寬仍為5.0 m。壩體土料主要以砂壤土為主，填筑土體干容重≥1.78 g/cm3。

該方案總投資237.38 萬元左右。該方案施工后壩頂美觀；不影響壩頂寬度；施工復雜，上下游都進行處理，與原壩的結合質量難以保證，投資較大。

2.1.2 方案最終選擇的結果探討

對以上兩種方案從施工條件、運行管理、投資大小等角度比較分析，方案一施工簡單，管理方便，投資較少，除險加固采用該方案即在上游增設鋼筋砼防浪墻方案。該方案除險加固后壩頂高程為359.7 m，防浪墻頂高程360.90 m，在壩頂上游增設結構為“L”型C20F200 鋼筋砼防浪墻，鋼筋砼防浪墻高2.5 m（墻頂至基礎），壩頂以上1.08 m，基礎換填20 cm 砂粒料，防止凍脹和不均勻沉降。每隔8 m 設置一道伸縮縫。

2.2 水庫大壩滲透穩(wěn)定性分析計算

大壩為均質土壩，全長450 m，最大壩高4.50 m，壩頂寬度5.00 m，壩頂高程359.70 m。上游壩坡1∶3，無襯砌護坡，下游壩坡1∶2.5。大壩迎水坡無襯砌護坡，風浪淘刷嚴重，大壩背水坡植被稀少。水庫大壩計算參數(shù)見表1 和表2。

采用北京理正軟件設計研究所的《滲流分析軟件》進行滲流計算[1]，經對各壩段的計算，西海子水庫滲流結果見表3。

表1 0+100 斷面土層參數(shù)

表2 0+400 斷面土層參數(shù)

表3 流量計算表

2.3 水庫結構穩(wěn)定分析

水庫大壩樁號0+100 斷面在水位位于1/3 壩高遇地震上游壩坡工況時上游壩坡計算滑動安全系數(shù)為0.938，小于規(guī)范允許安全系數(shù)1.15，故壩體存在滑動失穩(wěn)的危險，結構安全不滿足規(guī)范要求。大壩樁號0+000～0+100 段在浪蝕作用下，土體塌滑使該段壩頂寬度減少到2.00 m；大壩背水坡坡面平整，植被稀少，坡面土體被雨水沖刷，樁號0+340～0+450 段產生一系列龜紋裂縫，最寬約10 cm～20 cm，深約20 cm～50 cm；水庫庫區(qū)存在塌岸問題，對庫區(qū)兩岸邊坡陡直及右岸單薄岸坡在庫水位陡漲、驟降時將會加速塌岸過程，使水庫在高水位運行時易塌岸造成漫頂潰壩。近壩庫岸不穩(wěn)定，對大壩有不利影響，嚴重影響壩體安全運行。水庫大壩樁號0+400 斷面在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期遇地震下游壩坡工況時上游壩坡計算滑動安全系數(shù)為0.886，小于規(guī)范允許安全系數(shù)1.1，故壩體存在滑動失穩(wěn)的危險，壩體抗滑不穩(wěn)定。

3 結論

本文對西海子水庫的增加壩頂高程設計方案的進行比選，并提出最優(yōu)方案。除險加固后，水庫的安全運行解決了水資源時空分布不均的矛盾，水資源利用率提高，保證了灌區(qū)耕地的用水要求，使現(xiàn)有水資源得到充分利用。