液壓抓斗法塑性混凝土防滲墻對(duì)大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響研究

宋兵偉

（大連河海水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 大連 116021）

1 前言

截止到2005年底，遼寧省包括小型水庫(kù)在內(nèi)，全省共有三類(lèi)病險(xiǎn)水庫(kù)265 座，占全省水庫(kù)的28.5%，其中大型病險(xiǎn)水庫(kù)13 座，中型水庫(kù)36 座，小型水庫(kù)216 座，分別占大、中、小型水庫(kù)的48%、51%和26%［1]。大規(guī)模病險(xiǎn)水庫(kù)的存在，已經(jīng)嚴(yán)重威脅著下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施和人民生活財(cái)產(chǎn)的安全，加劇了水資源的供需矛盾，嚴(yán)重影響了區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鄉(xiāng)供水、環(huán)境效益的發(fā)揮，因此加快大、中、小型病險(xiǎn)水庫(kù)的除險(xiǎn)加固［2-4]工作刻不容緩。

近年來(lái)，國(guó)家發(fā)展改革委、財(cái)政部共安排資金1553 億元，對(duì)2800 多座大中型和6.9 萬(wàn)多座小型病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，切實(shí)保障了水庫(kù)安全，有效發(fā)揮了水庫(kù)防洪、供水、灌溉等綜合效益，但是隨著時(shí)間的推移，許多水庫(kù)接近或達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，或因超標(biāo)洪水、地震等原因，工程老化、損毀，仍有部分水庫(kù)陸續(xù)進(jìn)入病險(xiǎn)行列。按照中央要求，對(duì)現(xiàn)有病險(xiǎn)水庫(kù)，2025年底要全面完成除險(xiǎn)加固，對(duì)新出來(lái)的病險(xiǎn)水庫(kù)，及時(shí)除險(xiǎn)加固。而且2020年，我國(guó)遭遇了歷史上較為嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，許多水庫(kù)尤其是小型水庫(kù)受到影響，因此加強(qiáng)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固已成當(dāng)務(wù)之急。

2 新房水庫(kù)工程概況

新房水庫(kù)座落在莊河市大營(yíng)鎮(zhèn)新房村境內(nèi)，系新房河流域。新房水庫(kù)始建于1958年7月，壩址以上集雨面積6.4 km2，壩址以上河長(zhǎng)5.56 km，河道平均比降21.56‰。水庫(kù)總庫(kù)容為190.03 萬(wàn)m3，是一座以防洪、灌溉為主的小（1）型水庫(kù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安全檢查并結(jié)合大壩建設(shè)時(shí)的原始資料，及建成后的運(yùn)行情況，水庫(kù)大壩為粉質(zhì)粘土心墻壩，心墻頂高程為51.4 m，心墻頂至壩頂為均質(zhì)壩。

新房水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水洞等工程組成。

大壩為粘土心墻壩，壩長(zhǎng)186 m，最大壩高17.42 m，現(xiàn)狀壩頂高程55.61 m，壩頂寬4 m，為混凝土路面，防浪墻高0.9 m。大壩上游為干砌石護(hù)坡，邊坡比1∶2.4、1∶4.4；下游坡為草皮護(hù)坡，坡比1∶2.1、1∶2.3、1∶2.0，下游坡腳處有棱體排水體。

水庫(kù)正常蓄水位為52.01 m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位為54.02 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇，相應(yīng)校核洪水位54.83 m。

2019年5 月，新房水庫(kù)被鑒定為三類(lèi)壩，其主要問(wèn)題為大壩的防滲體系不完善，原始資料記載的心墻頂高程低于正常蓄水位，且曾在正常運(yùn)行工況時(shí)下游出現(xiàn)過(guò)大面積的滲水現(xiàn)象，因此認(rèn)為新房水庫(kù)存在嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷和問(wèn)題，嚴(yán)重影響了工程安全，工程質(zhì)量評(píng)為不合格。

安全鑒定后，新房水庫(kù)被列為大連市、莊河市重點(diǎn)病險(xiǎn)水庫(kù)，引起了相關(guān)部門(mén)的關(guān)切和關(guān)注。2020年1月，大連市水務(wù)局成立專(zhuān)家組對(duì)新房水庫(kù)進(jìn)行安全鑒定核查，確認(rèn)了安全鑒定的成果，進(jìn)一步確認(rèn)了大壩防滲體頂高程不足，大壩抗洪能力不滿足規(guī)范要求，水庫(kù)大壩工程防洪安全性評(píng)為C 級(jí)；由于防滲體頂高程低于正常蓄水位，且未與防浪墻緊密結(jié)合，工程的防滲設(shè)施不完善，存在嚴(yán)重質(zhì)量缺陷，影響大壩安全，因此大壩滲流性態(tài)不安全，評(píng)為C 級(jí)。因此核查建議復(fù)核防滲體位置和尺寸后，對(duì)其進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

3 水文和地質(zhì)情況

3.1 水文情況

新房水庫(kù)所在流域內(nèi)無(wú)洪峰流量水文觀測(cè)站和雨量觀測(cè)資料，屬于無(wú)資料地區(qū)。依據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL 44-2006）中規(guī)定：可以從經(jīng)過(guò)審批的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖上查算工程所需歷時(shí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量。

本次設(shè)計(jì)采用1998年遼寧省水文水資源勘測(cè)局編制的《遼寧省中小河流（無(wú)資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《計(jì)算方法》）中集水面積小于300 km2的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法。

流域面積：F=6.4 km2；河長(zhǎng)：L=5.56 km；河道比降：J=21.56‰；水文分區(qū)：屬于Ⅲ2 區(qū)。

調(diào)洪計(jì)算后，所得到的不同頻率時(shí)的洪水成果見(jiàn)表1。

表1 水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

3.2 地質(zhì)情況

根據(jù)水庫(kù)安全鑒定和核查結(jié)論，新房水庫(kù)的粘土心墻防滲體在大壩內(nèi)部的位置和尺寸成為除險(xiǎn)加固防滲方案的關(guān)鍵。為此莊河宏偉地質(zhì)勘察工程有限公司在2020年3月30對(duì)新房水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行詳細(xì)勘察，重點(diǎn)勘查防滲體的位置及連續(xù)狀態(tài)，最終形成地質(zhì)勘察報(bào)告，主要地質(zhì)情況如下：

（1）新房水庫(kù)為低山丘陵區(qū)，抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃為0.40 s；

（2）壩體部分：砂土（壩殼土）整體碾壓較好，質(zhì)量好，滲透系數(shù)平均值k=8.10×10-4cm/s，為中等透水；局部粉質(zhì)粘土（心墻土）物理力學(xué)性質(zhì)較好，滲透系數(shù)平均值k=4.65×10-5cm/s，為弱透水，但其分布極不連續(xù)，大壩縱向和橫向均未形成連續(xù)的防滲體。

（3）壩基部分：礫砂層，透水性好，是壩基的主要滲漏通道；全風(fēng)化細(xì)粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖透水率7.0 Lu～8.2 Lu，透水性等級(jí)為弱透水；壩基巖石強(qiáng)度較大，工程性質(zhì)良好，穩(wěn)定性較好，中風(fēng)化細(xì)粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖透水率為4.3 Lu～7.6 Lu，透水性等級(jí)為弱透水。

（4）大壩防滲心墻不連續(xù)，在空間上沒(méi)有規(guī)律可循。

4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

4.1 計(jì)算參數(shù)及方法

根據(jù)地勘報(bào)告的成果，結(jié)合既有的大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面資料，分析認(rèn)為目前大壩無(wú)成型粘土心墻防滲體，基本為均質(zhì)土壩，進(jìn)而分析現(xiàn)狀大壩的滲流和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。除險(xiǎn)加固方案擬定時(shí)，綜合比較高噴灌漿、深層攪拌樁［5]、帷幕灌漿法［6]及液壓抓斗法塑性混凝土防滲墻方案［7-9]，結(jié)合地區(qū)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為后者具有較高的防滲保證率，防滲效果較好。

塑性混凝土防滲墻方案的壩型及結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。由于新房水庫(kù)位于山區(qū)、丘陵區(qū)，洪水歷時(shí)較短，校核水位時(shí)不形成穩(wěn)定滲流，因此計(jì)算時(shí)僅考慮設(shè)計(jì)工況（P=3.33%）和正常蓄水位工況，下游水位統(tǒng)一采用最低水位41.70 m。計(jì)算方法采用北京理正巖土的滲流及邊坡穩(wěn)定分析軟件中的有限單元法。

新房水庫(kù)校核洪水位為54.83 m，下游水位為41.70 m，最大水頭差H=13.13 m，混凝土防滲墻采用C15 塑性混凝土，允許滲透比降J為50，故防滲墻厚應(yīng)不小于0.26 m，考慮到施工效果和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，新房水庫(kù)的塑性混凝土防滲墻厚度取0.4 m，頂部與C30 素砼壩頂路面進(jìn)行牢固連接，底部深度至中風(fēng)化花崗巖以下0.5 m。

圖1 新房水庫(kù)大壩壩型結(jié)構(gòu)示意圖（尺寸單位：mm）

結(jié)構(gòu)計(jì)算前，已經(jīng)對(duì)大壩防滲加固處理前后大壩的滲流穩(wěn)定情況進(jìn)行了分析和計(jì)算，其主要結(jié)論可表述如下：

1）液壓抓斗法混凝土防滲墻能夠有效降低大壩的浸潤(rùn)線（見(jiàn)圖2）和背水坡出逸點(diǎn)高度，能夠減小大壩的滲漏量和出逸點(diǎn)比降。

2）液壓抓斗法塑性混凝土防滲墻方案是抑制水庫(kù)大壩滲漏、提高抗?jié)B穩(wěn)定性的直接有效方法。

本文的結(jié)構(gòu)計(jì)算是基于滲流穩(wěn)定的計(jì)算成果，結(jié)合壩體和壩基各巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)（見(jiàn)表2）利用有限單元法進(jìn)行的分析和計(jì)算。限于篇幅，本研究?jī)H對(duì)背水坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

表2 計(jì)算采用物理力學(xué)指標(biāo)表

4.2 結(jié)果和討論

根據(jù)大壩實(shí)際土層組成，建立簡(jiǎn)化的大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算有限元分析模型，將壩體和壩基進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分后，施加上游和下游邊界條件，輸入各土層參數(shù)后計(jì)算、分析，得到加固前后正常蓄水位和設(shè)計(jì)水位兩種基本工況下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3 和圖2。

表3 防滲加固前、后結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表

從表2 可看出，新房水庫(kù)防滲處理［10]前，背水坡在正常和設(shè)計(jì)工況下抗滑穩(wěn)定是不滿足規(guī)范要求的；由于設(shè)計(jì)水位比正常水位高，設(shè)計(jì)水位時(shí)的浸潤(rùn)線比正常水位時(shí)高（見(jiàn)圖2），致使設(shè)計(jì)工況時(shí)背水坡的抗滑安全系數(shù)較小，穩(wěn)定性更差；防滲處理后，兩種工況下抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，同樣可以得出設(shè)計(jì)工況時(shí)，背水坡的抗滑安全系數(shù)比正常蓄水位工況偏小。

從圖2 可看出，防滲加固前，由于設(shè)計(jì)洪水位時(shí)出逸點(diǎn)位于下游壩坡，正常工況時(shí)浸潤(rùn)線未出逸但距離背水坡表面較近，因此其圓弧滑動(dòng)集中在出逸點(diǎn)以下的飽和土體附近。防滲加固后，由于浸潤(rùn)線的降低，背水坡壩殼料飽和土體減少，圓弧滑動(dòng)半徑增大，安全系數(shù)增大，大壩的安全性得到了提高。

圖2 新房水庫(kù)滲流、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定圓弧滑動(dòng)示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)新房水庫(kù)的水文、工程地質(zhì)條件，在對(duì)大壩防滲處理前后滲流計(jì)算和分析的基礎(chǔ)上，對(duì)大壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性利用有限元法進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析，通過(guò)對(duì)不同工況下的計(jì)算成果的比較，得出：

1）液壓抓斗法混凝土防滲墻能夠有效降低大壩的浸潤(rùn)線，進(jìn)而增大背水坡結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，提高大壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2）對(duì)于滲流和結(jié)構(gòu)均不穩(wěn)定的病險(xiǎn)水庫(kù)大壩，液壓抓斗法塑性混凝土防滲墻方案是水庫(kù)除險(xiǎn)加固的直接有效方法。