五華縣巖前水庫大壩穩(wěn)定性分析及加固設(shè)計

江鑌斌

（五華縣水利水電建設(shè)中心,廣東 五華 514400）

巖前水庫1966 年4 月建成投入運行,位于五華縣河?xùn)|鎮(zhèn)大嵩存巖前自然村,大壩為均質(zhì)土壩,是一座以灌溉為主結(jié)合防洪、發(fā)電綜合利用的的中型水庫。水庫主體工程現(xiàn)有攔河土壩1 座、溢洪道1 座、電站輸水涵管1 條及發(fā)電站廠房等。

水庫于2015 年完成了大壩安全鑒定工作,被評定為三類壩,處于帶病運行狀態(tài)。2020 年5 月現(xiàn)場檢查沒有發(fā)現(xiàn)有危及安全的變形或裂縫,但是大壩下游壩坡滲漏量較大（低水位狀態(tài)下時）。在正常蓄水位以上時,大壩計算浸潤線在下游壩坡出逸,雖然大壩出逸點實際水力比降小于所在部位壩坡全風(fēng)化土砂質(zhì)粘性土允許比降[J]=0.421,但出逸點位置偏高（在二級壩后坡以上）,對壩體穩(wěn)定不利。為了確保水庫后期的運行安全,本文針對巖前水庫大壩進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。

1 工程現(xiàn)狀

巖前水庫總庫容為1863 萬m3,水庫特征水位表見表1。大壩現(xiàn)狀壩頂高程（珠基,下同）211.22 m~212.63 m,壩頂設(shè)有漿砌石防浪墻,防浪墻頂高程212.48 m~213.41 m,最大壩高 32.4 m。壩頂路面采用泥結(jié)石路面,壩頂寬6.5 m~7.3 m之間；壩頂左低右高。壩體上游坡坡比從上至下依次為1∶2.5、1∶2.75及1∶3,壩坡采用厚度為 30 cm的干砌石護(hù)坡；下游坡坡比從上至下依次為1∶2.3、1∶2.4、1∶3.56,壩坡186.61 m高程以下塊石棱體坡比為1∶1.35；壩下游底部設(shè)有水平褥墊排水。

表1 水庫特征水位表

2 大壩現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

2.1 壩頂高程復(fù)核

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2001）規(guī)定,壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和。按下式計算：

式中：A為安全加高,m；e為最大風(fēng)壅水面高度,m；R為最大波浪在壩坡上的爬高,按莆田試驗站公式計算,采用累計頻率為1%的波浪爬高值,m。

壩頂超高及壩頂高程計算結(jié)果見表2,計算壩頂高程為212.867 m。大壩實測現(xiàn)狀壩頂防浪墻高程212.48 m~213.41 m,存在部分防浪墻不夠高,現(xiàn)狀大壩部分壩段高程不滿足設(shè)計要求。

表2 壩頂高程計算成果表

2.2 邊坡安全復(fù)核

（1）計算工況

1）正常運用條件

①正常蓄水位207.32 m,相應(yīng)下游無水時穩(wěn)定滲流期的上下游壩坡穩(wěn)定；

②設(shè)計洪水位210.37 m,相應(yīng)下游水位182.86 m時穩(wěn)定滲流期的上下游壩坡穩(wěn)定。

③水庫水位由校核水位211.62 m降落至堰頂202.0 m時（歷時33 h）,水庫水位降落期的上游壩坡穩(wěn)定。

2）非常運用條件

①校核洪水位211.62 m,相應(yīng)下游水位183.84 m時穩(wěn)定滲流期的上下游壩坡穩(wěn)定；

②水庫水位由校核水位211.62 m降落至死水位187.25 m時（歷時437 h）,水庫水位降落期的上游壩坡穩(wěn)定。

（2）壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

按碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范第8.3.10 條規(guī)定,采用計及條塊間作用力的計算方法時,壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù),對3 級工程：在正常運用條件下,安全系數(shù)k≥1.30；在非常運用條件Ⅰ下,k≥1.20。

（3）計算成果

現(xiàn)狀大壩加固前壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)計算成果見表3,從表3 可看出,在設(shè)計洪水位與校核水位降落至死水位工況,現(xiàn)狀大壩壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均不符合規(guī)范要求。

表3 現(xiàn)狀大壩穩(wěn)定計算壩坡最小安全系數(shù)及滲流量成果表

2.3 滲流安全復(fù)核

（1）計算采用程序和計算工況

大壩滲流分析計算方法采用有限元法。

大壩滲流計算的主要工況有：

1）正常蓄水位207.32 m,相應(yīng)下游無水時的滲流計算；

2）設(shè)計洪水位210.37 m,相應(yīng)下游水位182.86 m時的滲流計算；

3）校核洪水位211.62 m,相應(yīng)下游水位183.84 m時的滲流計算；

（2）計算成果

現(xiàn)狀大壩下游壩坡浸潤面最大滲透坡降計算成果見表4。從表4 可看出,在設(shè)計洪水及校核洪水工況下,現(xiàn)狀大壩下游壩坡浸潤面最大滲透坡降符合規(guī)范要求,但逸出點位于排水棱體以上,不滿足規(guī)范要求。

表4 現(xiàn)狀大壩穩(wěn)定計算壩坡最小安全系數(shù)及滲流量成果表

3 大壩加固設(shè)計

依據(jù)安全穩(wěn)定結(jié)果,采用上游壩坡加固方案,重建排水陵體,對大壩采取塑性砼防滲墻+防滲帷幕處理。

3.1 大壩頂高程計算

計算壩頂高程為212.867 m。本階段壩頂高程定為211.80 m,壩頂設(shè)1.1 m高的防浪墻,墻頂高程定為212.90 m。

3.2 壩頂結(jié)構(gòu)

大壩壩頂現(xiàn)狀寬度為5.5 m,根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274 -2001）第5.4.1 條規(guī)定,壩頂寬度應(yīng)根據(jù)構(gòu)造、施工、運行和抗震等因素確定。結(jié)合本工程實際情況,大壩壩頂寬度仍定為5.5 m。

壩頂采用80 mm厚瀝青砼路面,其下設(shè)350 mm厚6%水泥石屑墊層及200 mm厚碎石基層,上游側(cè)設(shè)1.1m高砼防浪墻,下游側(cè)設(shè)擋墻。路面設(shè)傾向下游2%坡度的散水,防浪墻頂設(shè)置照明燈柱。

3.3 壩坡

（1）上游壩坡

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)由于大壩前坡發(fā)生沉降、護(hù)坡局部存在砌石下陷、隆起現(xiàn)象,有較大拉縫,坡前雜草叢生。故采用對大壩前坡培厚,在上游193.0 m及189.5 m高程處各設(shè)反壓平臺,193.0 m高程平臺以上游壩坡坡比按原壩坡坡比進(jìn)行修整（1∶2.1 及1∶2.7）,并設(shè)置120 mm厚六角形C20 砼預(yù)制塊護(hù)坡,六角形C20 砼預(yù)制塊與原砌石護(hù)面之間采用密實平整的砂石墊層,189.5 m高程反壓平臺以下壩坡坡比為1∶3.0,坡面采用120 mm厚六角形C20 砼預(yù)制塊護(hù)坡。壩頂高程211.80 m,壩頂寬度保持5.5 m不變（不含防浪墻）。

重建護(hù)坡形式采用120 mm厚六角形C20 砼預(yù)制塊厚度復(fù)核計算如下。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274 -2001）,混凝土板在浮力作用下穩(wěn)定的面板厚度可按下式計算：

式中：η為系數(shù),對整體式大塊護(hù)面板取1.0,對裝配式護(hù)面板取1.1；hp為累積頻率為1%的波高,m；b為沿壩坡向板長,m；ρc為板的密度,t/m3。

計算成果見表5。

表5 大壩迎水坡護(hù)坡厚度計算成果表

坡面采用120 mm厚六角形C20 砼預(yù)制塊為保證水位驟降時壩體水順利排出,局部預(yù)制塊設(shè)置排水孔,排水孔采用φ50 PVC排水管（約@2.2 m）。為防止護(hù)坡面滑移,沿護(hù)坡分別在206.51 m和189.5 m高程設(shè)置砼防滑齒槽,在194.5 m高程設(shè)置干砌石防滑齒槽。

（2）下游壩坡

下游壩坡比按原壩坡坡比進(jìn)行,從上到下分為3 級,依次為1∶2.35、1∶2.50、1∶3.50,各級分界高程分別為204.52 m、196.32 m、187.18 m,分界處設(shè)2 m~6 m寬馬道,馬道內(nèi)側(cè)設(shè)排水溝。下壩坡均采用草皮護(hù)坡。

下游壩坡坡腳設(shè)排水棱體,排水棱體頂高程為187.18 m,頂寬2 m,外坡為1∶1.7,并于排水棱體頂部及底部各設(shè)置排水溝。

排水棱體與壩體及壩基接觸面鋪設(shè)500 mm砂墊層及500 mm厚碎石墊層作為反濾。

3.4 壩體及壩基防滲

（1）壩體防滲

壩體防滲采用防滲效果好、可靠性高的塑性混凝土防滲墻。沿壩軸線布置,墻體設(shè)計厚度0.8 m（設(shè)計厚度考慮了因施工允許偏差所需折減的墻體搭接厚度：施工允許0.5%的垂直度偏差,最大深度40 m）底部至相對不透水層。處理后,大壩壩體浸潤線能得到明顯的降低,有效解決壩體、壩基滲漏問題。

（2）壩基防滲

壩基Ⅴ全風(fēng)化巖~Ⅳ強(qiáng)風(fēng)化體滲透系數(shù)較大,對于基巖塑性混凝土防滲墻無法施工,故采用帷幕灌漿方案,帷幕灌漿孔距1.5 m,孔深至穿Lu5 以下3 m。

3.5 加固后土壩滲流及穩(wěn)定計算

壩體填土及壩基各巖土層巖土物理力學(xué)指標(biāo)見表6。

表6 巖前水庫大壩各土層主要物理力學(xué)參數(shù)建議值

根據(jù)地勘資料,對于大壩前坡新培厚填土系來自Ⅱ2料場,對應(yīng)的干密度為1.53 g/cm3,大于控制干密度為1.51g/cm3（控制壓實度為0.96）,滲透系數(shù)平均為1.51×10-5cm/s,壓縮系數(shù)平均為0.137 MPa-1,土表現(xiàn)為中壓縮性和弱透水性,土的凝聚力Cq平均為26 kPa,摩擦角φq 平均為24.7°,由于該指標(biāo)好于原壩體填土指標(biāo),最終保守地采用與原壩體填土相同指標(biāo)參數(shù)。

（3）滲流計算

1）計算工況

大壩滲流分析計算方法采用有限元法。大壩滲流計算的主要工況同2.3。

2）計算成果

大壩加固后下游壩坡浸潤面最大滲透坡降及滲流量計算成果見表7,計算結(jié)果簡圖見圖1~圖4。從表7可看出,加固后,在各種設(shè)計工況下,大壩下游壩坡浸潤面最大滲透坡降均符合規(guī)范要求,且逸出點位于排水棱體內(nèi),滿足要求。

圖1 正常工況下浸潤線情況

圖2 設(shè)計洪水位工況下浸潤線情況

圖3 校核洪水工況下浸潤線情況

圖4 校核洪水降落工況下浸潤線情況（第473小時）

表7 加固后各工況下游壩坡浸潤面最大滲透坡降

（4） 穩(wěn)定計算

采用簡化畢肖普法計算平面問題的土壩壩坡圓弧抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),并在指定的范圍內(nèi)尋找最危險的滑動圓弧。穩(wěn)定滲流期土層抗剪力學(xué)指標(biāo)采用有效應(yīng)力法（三軸壓縮試驗固結(jié)不排水剪有效應(yīng)力指標(biāo)）,庫水位降落期用有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法并以較小的安全系數(shù)為準(zhǔn)。計算模型采用最大壩高斷面,模型模擬本次勘察揭露的實際劃分地質(zhì)土層。浸潤線采用滲流計算有關(guān)成果。

大壩穩(wěn)定計算的主要工況同2.2。

按碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范第8.3.10 條規(guī)定,采用計及條塊間作用力的計算方法時,壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù),對Ⅲ級工程：在正常運用條件下,安全系數(shù)k≥1.30；在非常運用條件Ⅰ下,k≥1.20。

大壩加固后壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)計算成果見表8。從表8可看出,加固后,在各種設(shè)計工況下,大壩壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均符合規(guī)范要求。

表8 水庫加固后大壩穩(wěn)定計算壩坡最小安全系數(shù)成果表

4 結(jié)語

大壩除險加固工程當(dāng)前眾多,大壩安全關(guān)系到我國的千家萬戶的用水安全,需要不斷的維護(hù)才能確保可持續(xù)性的發(fā)揮社會及經(jīng)濟(jì)效益。目前巖前水庫加固后運行穩(wěn)定,依據(jù)巖前水庫的加固實例可知,水庫的加固必須要找到其實際存在的問題,并有針對性地采取相對應(yīng)的措施對其進(jìn)行除險加固,才能起到事半功倍的作用。