白石里水庫大壩除險加固工程設(shè)計研究

荀 俊，王 強

(常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213000)

0 引 言

早期修建的水庫大壩在使用過程中通常出現(xiàn)滲漏等不良現(xiàn)象，對壩體功能的發(fā)揮產(chǎn)生不利影響[1-2]。同時也對下游城鎮(zhèn)的安全產(chǎn)生威脅。針對這一類型病險水庫采取除險加固工程治理是十分必要的。結(jié)合白石里水庫，對水庫除險加固工程設(shè)計進行分析。

白石里水庫工程等別為IV等，主要建筑物級別為4級。水庫汛限水位與正常蓄水位均為57.00m(56黃海高程，下同)，相應(yīng)庫容74萬m3；按30a一遇洪水設(shè)計，設(shè)計洪水位59.13m，相應(yīng)庫容93.7萬m3；按500a一遇洪水校核，校核洪水位60.15m，死水位47.00m。白石里水庫地理位置重要，關(guān)系著下游5800人口、453.33hm2耕地以及揚溧高速的防洪安全。

1 大壩除險加固工程設(shè)計

1.1 大壩存在的主要問題

①上游壩坡部分漿砌石護坡?lián)p毀較嚴重。②下游壩坡局部因草皮缺失，遭雨水沖刷較嚴重。③樁號0+071-0+185、0+420-0+425段下游馬道以上壩坡散浸，出逸高程57.15m，與當(dāng)日庫水位57.20m接近；樁號0+109-0+171段下游壩坡出逸高程55.49m，高出該壩段貼坡排水體頂高程49.50m較多；此外，樁號0+194-0+196、0+402-0+407段下游坡有散浸現(xiàn)象。④右壩肩與山體結(jié)合部位下游壩腳處滲漏嚴重，滲漏水流聲清晰且滲漏量較大，滲水區(qū)域為樁號0+440-0+465段高程46.40-50.60m。壩腳干砌石導(dǎo)滲溝內(nèi)局部有泥沙等細顆粒析出。⑤溢洪道交通橋下游側(cè)護欄局部損壞。⑥缺少必要的大壩滲流監(jiān)測設(shè)施。⑦2016年5月17日，除險加固補充地質(zhì)勘察階段，庫水位56.3m時，壩后坡有散浸現(xiàn)象，高程約57.0m的平臺普遍濕潤；右壩肩及大壩0+180附近，滲漏尤為嚴重，見水流汩汩流出。⑧下游坡面排水溝和坡腳導(dǎo)滲溝部分破損。⑨輸水涵啟閉機房及水庫管理房年久失修。⑩8t手動式螺桿啟閉機操作不便。注水試驗結(jié)果表明，壩體素填土滲透系數(shù)0.552-1.52×10-2cm/s，不滿足《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)和《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL189-2013)規(guī)定的“均質(zhì)壩滲透系數(shù)≤1.0×10-4cm/s”要求。

1.2 壩坡加固

1.2.1 現(xiàn)狀壩體護坡

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，白石里水庫上游壩坡在平臺(高程約57.2m)以下采用漿砌石護坡，樁號0+000-0+350段、平臺以上采用100mm厚的混凝土板護坡，但0+000-0+100、0+350-0+450段未設(shè)護坡，本次除險加固增設(shè)護坡。

1.2.2 壩體護坡加固設(shè)計

考慮大壩上游護坡的一致性，在大壩樁號0+000-0+100、0+350-0+450段、高程57.20-62.30m處增設(shè)100mm厚現(xiàn)澆C25混凝土護坡，下設(shè)100mm厚碎石反濾墊層。高程57.20處設(shè)C25混凝土齒墻一道，斷面尺寸0.3m×0.6m(寬×高)。下游壩坡全壩段增設(shè)草皮護坡，共計17289m2。

1.3 溢洪洞除險加固

1.3.1 溢洪道現(xiàn)狀

現(xiàn)狀溢洪道位于水庫大壩的東北角、樁號0+007處，堰頂高程57.00m，共3孔，凈寬3×2.0m，梁格式混凝土平板閘門，高2.5m，配8t手搖啟閉機3臺。溢洪道陡坡段長15m，寬7.2-4.0m，后接消力池長5m，寬4m。8t手動式螺桿啟閉機，手動操作不便，混凝土閘門存在碳化問題。

1.3.2 改造加固設(shè)計

拆除原溢洪道控制閘，在原進口段新建控制閘，并原溢洪道控制段連接?？刂崎l采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室順水流方向長4m，閘孔凈寬3×2m，閘墩厚0.8m。閘門底高程57.00m，頂高程62.00m。閘墩頂部設(shè)啟閉機臺，頂高程65.50m。配套采用3扇PGZ2.0×2.5型鑄鐵閘門及3臺QLB-80-SD型手電兩用式螺桿啟閉機。為方便管理，新建啟閉機房，建筑面積33.6m2。

1.4 防滲加固方案

根據(jù)工程經(jīng)驗，高壓旋噴樁防滲墻方案，該法具有防滲效果好、安全可靠、造價適中、施工技術(shù)成熟等優(yōu)點，作為白石里水庫大壩防滲加固方案。

1.4.1 防滲范圍

根據(jù)《安全評價報告》及現(xiàn)場考察，白石里水庫大壩除0+200-0+400段壩后坡未見滲流散浸外，其余壩段均見滲流散浸，尤以樁號0+071-0+185、0+420-0+425和右壩肩+440-0+465段最為嚴重，滲漏水流聲清晰且滲漏量較大。盡管2007年水庫除險加固時，對大壩北側(cè)0+000-0+200段進行劈裂灌漿處理，但該段仍存在滲漏現(xiàn)象，表明劈裂灌漿的防滲效果不明顯。本次除險加固擬對該段實施防滲加固處理。因此，本次除險加固工程擬對白石里水庫大壩全壩段實施防滲加固處理，范圍為樁號0+015-0+480。

1.4.2 防滲墻高程

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)，防滲體頂部應(yīng)不低于非常運用條件的靜水位。水庫校核洪水位60.15m，防滲墻頂部高程應(yīng)高于校核水位，設(shè)計取61.0m。根據(jù)地勘，壩基為②層粉質(zhì)黏土，微透水性，層厚0.9-4.7m；以下為③層重粉質(zhì)壤土夾卵礫石，弱-中等透水性，層厚1.9-7.5m。防滲墻底部若進入③層，則需穿過②層，不僅工程量大，且墻底位于弱-中等透水性，不利于形成完整防滲體系。因此，本次設(shè)計防滲墻底部以進入②層粉質(zhì)黏土，該層為微透水性，與防滲墻形成完整防滲體系。設(shè)計要求防滲墻底進入②層粉質(zhì)黏土層≥2m，墻底高程44.40-47.50m，最大深度16.6m，防滲墻面積7392m2，平均樁長16.2m。

1.4.3 技術(shù)參數(shù)

選用樁徑1.0m，樁中心距為0.8m，樁間搭接寬度0.2m，理論成墻厚度0.6m，滿足防滲墻厚度要求。共布置高壓旋噴樁582根，總樁長9428.4m。高壓旋噴樁防滲墻采用三管法施工。防滲墻主要物理力學(xué)性能指標：R28=4-10MPa，抗折強度≥0.6MPa，允許滲透比降[J]≥50，最小墻厚≥0.6m，滲透系數(shù)k≤5×10-6cm/s。

1.4.4 施工參數(shù)

防滲墻施工前，降低庫水位至死水位。防滲墻分2序施工，即先進行1序孔施工，后施工2序孔。見圖1。主要施工技術(shù)參數(shù)為①水：壓力為35-38MPa，流量為70-80L/min；②壓縮氣：壓力為0.6-0.8MPa，流量為0.8-1.2m3/min；③漿液：P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為1∶1.5，灌漿壓力為0.5MPa，流量為80L/min，進漿密度1.5-1.7g/cm3，回漿密度≥1.2g/cm3；④提升速度：8-10cm/min；⑤旋轉(zhuǎn)速度：6-8r/min；⑥噴射孔與高壓注漿泵的距離≤50m，鉆孔位置的允許偏差≤5cm，偏斜率≤0.5%。

圖1 防滲墻搭接方式

2 加固效果分析

2.1 滲流穩(wěn)定性計算

2.1.1 計算斷面

白石里水庫加固后的滲流和穩(wěn)定計算選取大壩樁號0+170斷面作為計算典型斷面。該斷面為最大壩高斷面，現(xiàn)狀滲漏嚴重，能代表白石里水庫大壩滲流、穩(wěn)定狀況。計算斷面及簡化分區(qū)同見圖2。

圖2 計算斷面

2.1.2 計算工況及參數(shù)

白石里水庫滲流計算主要考慮正常、設(shè)計洪水位形成穩(wěn)定滲流及校核洪水位可能形成穩(wěn)定滲流三種工況。相應(yīng)計算水位組合見表1。

表1 計算工況水位組合

滲流計算參數(shù)依據(jù)《工程地質(zhì)報告》選取，其中壩體素填土為現(xiàn)場注水試驗結(jié)果，計算中不考慮土層的各向異性。滲流計算采用的各土層滲透系數(shù)取值見表2。

2.1.3 計算成果分析

白石里水庫大壩滲流計算采用有限元法，計算結(jié)果見表3及圖3。滲流計算結(jié)果表明，白石里水庫大壩采取高壓旋噴樁防滲墻加固后，防滲墻消殺約75%水頭，防滲墻內(nèi)最大滲透比降16.73，低于設(shè)計要求的允許比降50。壩坡最大出逸比降在校核洪水位下0.158，低于①-2層素填土滲透允許比降值0.49，滲流穩(wěn)定滿足要求；壩后坡出逸點高程在校核洪蓄水位下為46.80m，壩后坡增設(shè)貼坡排水，貼坡排水頂高程49.50m，符合規(guī)范要求。水庫正常蓄水位下單寬滲漏量為0.41m3/m/d，以大壩長度450m計，大壩年滲漏量約6.7萬m3，占水庫興利庫容的9%，水庫加固后滲漏損失很小。

表3 滲流計算結(jié)果

2.2 抗滑穩(wěn)定性計算

2.2.1 計算工況及參數(shù)

白石里水庫大壩抗滑穩(wěn)定計算包括以下工況：

1)上游坡：

工況1：低水位工況，庫水位為1/3壩高水位52.0m；

工況2：水位驟降工況，庫水位由正常蓄水位57.0m非常驟降至死水位47.0m；

工況3：地震工況，庫水位為正常蓄水位57.0m遇設(shè)防Ⅶ度地震；

2)下游坡：

工況4：正常運用工況，庫水位為正常蓄水位57.0m下形成穩(wěn)定滲流；

工況5：設(shè)計水位工況，庫水位為設(shè)計洪水位59.13m下形成穩(wěn)定滲流；

工況6：校核洪水位工況，庫水位為校核洪水位60.15m下可能形成穩(wěn)定滲流。

工況7：地震工況，庫水位為正常蓄水位57.0m遇設(shè)防Ⅶ度地震。

計算參數(shù)見表4。

表4 抗滑穩(wěn)定性計算參數(shù)

2.2.2 計算成果

穩(wěn)定滲流期采用有效應(yīng)力法，水位驟降采用總應(yīng)力法。高壓旋噴樁防滲墻的實施對壩體穩(wěn)定是有利的，穩(wěn)定計算中偏安全計不考慮其作用。壩坡穩(wěn)定計算成果見表5及圖3。白石里水庫大壩工程等級為Ⅳ等4級，壩坡允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)根據(jù)SL275-2001規(guī)定，在正常運用條件下應(yīng)≥1.25，非常運用條件Ⅰ下≥1.15，非常運用條件Ⅱ下≥1.10。由穩(wěn)定計算結(jié)果可知，白石里水庫除險加固后，上下游壩坡在各運用條件下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均高于規(guī)范值，壩體穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

(f)工況6

表5 穩(wěn)定性計算成果

(a)工況1

(b)工況2

(c)上游坡：工況3，下游坡：工況7

(d)工況4

(e)工況5

3 結(jié) 論

以白石里水庫為例，從壩坡加固、溢洪洞加固、防滲加固等3個方面分析了水庫除險加固工程設(shè)計。采用有限元計算分析，加固后水庫大壩滿足滲流、抗滑穩(wěn)定性需求。水庫滲漏現(xiàn)狀明顯改善，拆除重建后的溢洪道亦可滿足泄洪需求，可為類似水庫大壩除險加固工程提供參考。