小型水庫(kù)大壩穩(wěn)定計(jì)算及除險(xiǎn)加固方案比選

郭 招

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局，陜西 咸陽(yáng) 712000）

小型水庫(kù)大壩穩(wěn)定計(jì)算及除險(xiǎn)加固方案比選

郭 招

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局，陜西 咸陽(yáng) 712000）

扶風(fēng)縣五郡溝水庫(kù)由于施工質(zhì)量差、年久失修等原因，長(zhǎng)期處于帶病運(yùn)行狀態(tài)，危及水庫(kù)運(yùn)行、度汛以及寶雞峽總干渠輸水咽喉韋水倒虹工程等安全。原壩上游坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在正常工況下為1.33，地震工況下1.14，均滿足規(guī)定要求：下游壩坡安全系數(shù)在正常工況為1.14，地震工況下1.02，均不滿足規(guī)范要求值，需加固；經(jīng)比較，選擇壩體上游坡鋪復(fù)合土工膜防滲方案為壩體加固方案。將溢洪道堰頂高程由現(xiàn)狀抬高1.0 m，并進(jìn)行砌護(hù)及消能，作為溢洪道加固實(shí)施方案。工程2010年完成至今運(yùn)行良好。說(shuō)明計(jì)算準(zhǔn)確、方案設(shè)計(jì)科學(xué)合理，可供同類工程借鑒。

水庫(kù)；除險(xiǎn)加固；大壩穩(wěn)定性；方案優(yōu)化

1 工程概況

五郡溝水庫(kù)位于新店鎮(zhèn)五郡溝上，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖的小（一）型水庫(kù)。水庫(kù)工程由均質(zhì)土壩、溢洪道以及庫(kù)內(nèi)12座抽水站等組成。水庫(kù)工程于1969年10月動(dòng)工興建，1971年6月基本建成，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。五郡溝水庫(kù)開始設(shè)計(jì)擬采用抽韋水補(bǔ)給水庫(kù)，但因韋水常流量小，抽水得不到保證。在馮家山水庫(kù)建成后，由馮家山水庫(kù)北干八支渠退水興利，1976年蓄水50萬(wàn)m3，因溢洪道沒(méi)有襯砌，水庫(kù)安全受到威脅，1977年5～7月對(duì)溢洪道進(jìn)口及部分陡坡段進(jìn)行了砌護(hù)，由于左壩肩的繞壩滲流，同時(shí)在下游壩面增加貼坡排水。1984年4月由于灌區(qū)地下水補(bǔ)給及八支渠退水，庫(kù)水位達(dá)549.2 m（溢洪道堰頂高程為550.0 m），浸潤(rùn)線在542 m高程溢出，壩肩繞壩滲漏嚴(yán)重，1985年再次加固將溢洪道降低2 m（進(jìn)口降至548.0 m高程），在下游壩面增加框架式表面排水和下游排水棱體，并對(duì)壩體進(jìn)行了水泥粘土灌漿。

2 存在問(wèn)題

五郡溝水庫(kù)由于施工質(zhì)量差等原因，長(zhǎng)期處于帶病運(yùn)行狀態(tài)，存在主要問(wèn)題是：

（1）原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)行《防洪標(biāo)準(zhǔn)》要求。五郡溝水庫(kù)為?。ㄒ唬┬退畮?kù)，原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)20年一遇洪水設(shè)計(jì)，50年一遇洪水校核；按照現(xiàn)行《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）有關(guān)規(guī)定，其防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為30年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核。

（2）工程設(shè)施年久失修存在多處滲漏。五郡溝水庫(kù)運(yùn)行三十余年，左壩肩中下部有清水滲漏，滲漏量為5.0 L/s。右壩肩與岸坡結(jié)合處也有明顯滲水。壩體下游坡左半部明顯下沉呈凹陷狀態(tài)，溢洪道未襯砌，無(wú)放水設(shè)施，壩體內(nèi)浸潤(rùn)線較高，下游壩坡不穩(wěn)定。

（3）安全防汛基礎(chǔ)條件差危險(xiǎn)大。由于五郡溝水庫(kù)沒(méi)有放水設(shè)施，水庫(kù)常年蓄滿，最高庫(kù)水位548.0 m，一旦失事，將直接威脅扶風(fēng)縣城、西寶公路北線和寶雞峽總干韋水倒虹工程安全。

3 壩體滲流計(jì)算

（1）計(jì)算工況

依據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（SL189-96）要求，計(jì)算正常蓄水位549.0 m和下游相應(yīng)最低水位535.0 m情況下的壩體穩(wěn)定滲流，由于在設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位情況下，水位歷時(shí)較短，難以形成穩(wěn)定滲流，故不進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位情況下的滲流計(jì)算。

（2）計(jì)算斷面及參數(shù)指標(biāo)

計(jì)算斷面選取實(shí)測(cè)河床最大斷面，壩體填筑料滲透系數(shù)采用《扶風(fēng)縣五郡溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程地質(zhì)勘察報(bào)告》的推薦值，壩基土分別采用大于、等于、小于壩體填筑料滲透系數(shù)計(jì)算，當(dāng)壩基為相對(duì)不透水時(shí)，計(jì)算浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線一致，滲透指標(biāo)采用值見(jiàn)表1。

表1 滲透指標(biāo)采用值

（3）計(jì)算結(jié)果及分析

本次滲流計(jì)算采用DQB程序計(jì)算。計(jì)算工況為：上游庫(kù)水位為正常水位548.0 m，下游水位535.0 m時(shí)的浸潤(rùn)線和等勢(shì)線，壩體滲透坡降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 大壩填土滲透坡降成果

從上表可看出壩填土的滲透坡降滿足規(guī)范要求。計(jì)算出河床剖面壩體和壩基的單寬滲流量：q=0.038 m3/d.m，計(jì)算出壩體及壩基的總滲流量：Q=2.926 m3/d。

4 壩體穩(wěn)定計(jì)算及加固設(shè)計(jì)

4.1 壩體穩(wěn)定計(jì)算

穩(wěn)定計(jì)算一般分穩(wěn)定滲流期和庫(kù)水位降落期分別計(jì)算。

穩(wěn)定計(jì)算采用土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序《STAB》計(jì)算。計(jì)算斷面取河床最大斷面。為了解決下游壩坡不穩(wěn)定問(wèn)題和左右壩肩的滲漏問(wèn)題，設(shè)計(jì)考慮了3種方案，方案（1）：壩體上游坡鋪復(fù)合土工膜方案；方案（2）：下游壩坡540 m高程以下壓腳培厚方案；方案（3）：澆筑塑性砼心墻防滲方案。

從表3結(jié)論看：①原壩上游坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在正常工況下為1.33，地震工況下1.14，均滿足規(guī)定要求：下游壩坡安全系數(shù)在正常工況為1.14，地震工況下1.02，均不滿足規(guī)范要求值，需加固；②三種加固設(shè)計(jì)方案穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表3 壩體穩(wěn)定計(jì)算成果表（計(jì)及條塊間作用力）

4.2 壩體加固設(shè)計(jì)

三種加固方案比較見(jiàn)表4。

表4 三種方案比較表

從防滲效果、施工難易程度、投資經(jīng)濟(jì)性3方面比較、綜合考慮后，選擇方案（1）為推薦方案。

4.3 壩體加固方案

（1）上游壩坡

上游壩坡抗滑穩(wěn)定滿足要求，壩坡死水位以上分二級(jí)坡比，542 m高程以上為1∶3.0，以下為1∶3.5。原上游壩坡無(wú)砌護(hù)，本次設(shè)計(jì)對(duì)542 m高程以上采用0.3 m干砌石護(hù)坡、干砌石下分別鋪0.2 m厚碎石墊層、0.1 m厚粗砂墊層。防滲復(fù)合土工膜鋪在粗砂墊層下，復(fù)合土工膜鋪設(shè)范圍為：上至壩頂，下到淤積高程535.0 m以下壩體左右側(cè)與岸坡結(jié)合處，要求沿迎水坡面、進(jìn)入左右壩肩岸坡長(zhǎng)度不小于10m，鋪膜前先對(duì)壩肩按1∶1.5坡度削坡處理，再鋪土工膜，土工膜壓頂采用人工開槽壓頂處理。

（2）下游壩坡

現(xiàn)狀下游壩坡坡比共分3級(jí)，從上至下分別為1∶2.0、1∶2.5、1∶1.5。由于上游坡鋪膜防滲后壩體已經(jīng)滿足穩(wěn)定滲流安全。因此壩下游坡不需配厚加固，設(shè)計(jì)僅新修壩面排水設(shè)施，在下游坡壩體與左右肩結(jié)合處布設(shè)排水溝，凈尺寸：寬0.4 m，深0.3 m，排水溝采用M7.5漿砌石砌筑，從545 m高程排水溝下設(shè)混合反濾料，保證壩肩繞滲排水通暢。壩面排水溝，布設(shè)在542 m高程、與左右壩肩的排水溝相通，溝道斷面尺寸采用砌筑材料與上同，壩面在清除雜質(zhì)整平后采用草皮護(hù)坡處理。對(duì)原排水棱體進(jìn)行翻修加固，將干砌石棱體恢復(fù)到斷面尺寸，并布設(shè)混合反濾料，厚度為40 mm。對(duì)壩后現(xiàn)狀排水溝道采用M7.5漿砌石進(jìn)行砌護(hù)，確保壩面排水順暢。

5 溢洪道加固設(shè)計(jì)

5.1 方案比選

本次溢洪道設(shè)計(jì)采用兩種方案，方案（1）維持原現(xiàn)狀溢洪道堰頂高程、堰長(zhǎng)及溢洪道軸線基本不變，主要對(duì)進(jìn)口段、平流段、陡坡段進(jìn)行砌護(hù)及消能工設(shè)計(jì)；方案（2）根據(jù)調(diào)洪及壩高復(fù)核計(jì)算，將溢洪道堰頂高程由現(xiàn)狀抬高1.0 m，堰長(zhǎng)不變，并對(duì)溢洪道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度縮短了96.73 m，并進(jìn)行砌護(hù)及消能設(shè)計(jì)。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇方案（2）為實(shí)施方案。

5.2 溢洪道水力計(jì)算

5.2.1 溢流堰水位-流量關(guān)系

根據(jù)溢洪道實(shí)測(cè)橫斷面尺寸，擬定堰頂549.0 m，斷面采用曲線實(shí)用堰，流量系數(shù)0.40。堰頂水位-流量關(guān)系見(jiàn)表5。

表5 堰頂水位-流量關(guān)系表

5.2.2 水面線計(jì)算

根據(jù)調(diào)洪演算結(jié)果，溢洪道設(shè)計(jì)下泄量為60.6 m3/s，相應(yīng)洪水位為551.41 m，校核下泄量為101.2 m3/s，相應(yīng)洪水位為552.40 m。

5.3 溢洪道加固方案

根據(jù)溢洪道地質(zhì)條件及水力計(jì)算結(jié)果，溢洪道加固設(shè)計(jì)方案為：

進(jìn)口段采用30 cm厚漿砌石襯砌，溢流堰段邊墻較高，采用M7.5漿砌石檔土墻砌筑，經(jīng)計(jì)算，滿足穩(wěn)定要求;

平流段采用30 cm厚C20砼襯砌，砼表面布置φ10@200雙向溫度鋼筋，陡坡段采用50 cm厚C20砼襯砌，砼表面布置φ10@200雙向溫度鋼筋，消力池段采用80 cm厚C20砼襯砌，砼表面布置φ10@200雙向溫度鋼筋。

平流段、陡坡段及消力池段下部均設(shè)30 cm厚2∶8灰土墊層，墊層下設(shè)一道φ150 mm縱向網(wǎng)格排水管，橫向每隔10 m設(shè)一網(wǎng)格排水管。

6 結(jié)語(yǔ)

扶風(fēng)縣五郡溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固，結(jié)合實(shí)際對(duì)水庫(kù)大壩滲流量等進(jìn)行了科學(xué)計(jì)算，針對(duì)存在問(wèn)題有的放矢，精心比選優(yōu)化工程設(shè)計(jì)方案，努力打造水庫(kù)除險(xiǎn)加固的優(yōu)質(zhì)樣板。工程2010年完工后至今運(yùn)行狀況良好，說(shuō)明計(jì)算方法準(zhǔn)確，方案設(shè)計(jì)科學(xué)合理。

TV697.3

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1673-9000（2017）05-0123-02

2017-04-19

郭招（1979-），男，陜西乾縣人，工程師，主要從事水利工程管理工作。