小型水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究

王立彬 遲興 劉紅喜 佟敬魯

摘要：土石壩普遍存在壩體斷面尺寸不足、壩坡或壩體抗滑不穩(wěn)定等問(wèn)題。以石河流域王鐵莊水庫(kù)均質(zhì)土壩為例，該大壩壩體斷面尺寸不足導(dǎo)致大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。針對(duì)此，結(jié)合大壩工程地質(zhì)條件，對(duì)壩體加固方案進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：采取了上、下游壩坡加固措施后的壩體滿足穩(wěn)定性要求，壩體加固設(shè)計(jì)方案合理。研究成果可為同類病險(xiǎn)水庫(kù)加固提供參考。

關(guān)鍵詞：土石壩; 除險(xiǎn)加固; 病險(xiǎn)水庫(kù); 王鐵莊水庫(kù); 石河流域

中圖法分類號(hào)：TV698.23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.011

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）05 - 0063 - 04

0 引 言

水庫(kù)對(duì)防汛減災(zāi)、供水保障和農(nóng)業(yè)灌溉等至關(guān)重要，而中國(guó)現(xiàn)有水庫(kù)大多數(shù)修建于20世紀(jì)50～70年代，雖然近年來(lái)已對(duì)近7.2萬(wàn)座病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固，但仍有許多水庫(kù)陸續(xù)進(jìn)入病險(xiǎn)行列?！笆奈濉逼陂g水庫(kù)除險(xiǎn)加固和運(yùn)行管護(hù)的總體要求是：堅(jiān)持建管并重，加快推進(jìn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固，消除存量隱患，建立健全常態(tài)化管理機(jī)制，提升運(yùn)行管護(hù)能力和水平，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)安全良性運(yùn)行[1]，截至2025年底，對(duì)現(xiàn)有病險(xiǎn)水庫(kù)要全部完成除險(xiǎn)加固，并對(duì)新出現(xiàn)的病險(xiǎn)水庫(kù)及時(shí)除險(xiǎn)加固[2]。大量病險(xiǎn)水庫(kù)的存在，不但影響水庫(kù)效益的發(fā)揮，而且還嚴(yán)重威脅下游人民生命財(cái)產(chǎn)及設(shè)施的安全，病險(xiǎn)水庫(kù)已日益成為防洪體系中最為薄弱的環(huán)節(jié)和防洪安全的最大隱患，因此迫切需要對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固[3]。病險(xiǎn)水庫(kù)大壩以土石壩為主，而均質(zhì)土壩和心墻壩又是病險(xiǎn)土石壩中的主要壩型[4]。土石壩普遍存在壩體斷面尺寸不足、壩坡或壩體抗滑不穩(wěn)定等問(wèn)題[5-7]。土石壩壩坡的穩(wěn)定加固方法主要有培土放緩壩坡和削坡放緩壩坡法，或加強(qiáng)壩體防滲和排水以增強(qiáng)壩坡抗滑能力[8-13]。本文以石河流域王鐵莊水庫(kù)的均質(zhì)土壩為實(shí)例，開(kāi)展病險(xiǎn)水庫(kù)加固措施研究。

1 水庫(kù)概況

王鐵莊水庫(kù)位于河北省秦皇島市海港區(qū)，屬石河流域，是一座以防洪、灌溉為主的小（2）型水庫(kù)，工程等級(jí)為Ⅴ等，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)。壩址以上控制流域面積1.2 km2，主河道長(zhǎng)度1.7 km，河道比降52.5‰。水庫(kù)總庫(kù)容10.2萬(wàn)m3，興利庫(kù)容4.8萬(wàn)m3，死庫(kù)容0.5萬(wàn)m3。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，相應(yīng)庫(kù)水位為28.31 m;校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇，相應(yīng)庫(kù)水位為29.95 m。該水庫(kù)于1974年開(kāi)始興建，1975年建成蓄水。水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、放水洞三大部分組成。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程為30.0 m，最大壩高12.0 m，壩頂寬4.0 m，壩頂軸線長(zhǎng)80 m。溢洪道位于大壩左岸，為開(kāi)敞式寬頂堰，堰頂高程27.0 m，堰頂寬度10.6 m，最大泄流量91 m3/s。放水洞位于大壩左岸，為涵管型式，涵管直徑為 0.3 m，最大泄流量0.2 m3/s。大壩壩體土層主要為：填土（Q4ml）、低液限黏土（Q4ml）。壩基土層為：寒武系強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r、寒武系中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、鉆探和物探結(jié)果可知：壩址一帶無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造和塌滑體，無(wú)活動(dòng)斷層，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)王鐵莊水庫(kù)壩體無(wú)危害性影響。

2 大壩存在的主要問(wèn)題

王鐵莊水庫(kù)現(xiàn)狀大壩為均質(zhì)土壩，現(xiàn)狀壩頂高程30.0 m，壩底高程18.0 m，壩高12.0 m，壩頂軸線長(zhǎng)72 m，現(xiàn)狀壩頂寬度2.5～3.5 m。上游壩坡坡比為1∶1.2，設(shè)有干砌石護(hù)坡（圖1）;下游壩坡坡比為1∶1.2，也設(shè)有干砌石護(hù)坡（圖2）。經(jīng)過(guò)多年沖刷，壩體上、下游壩坡巖石均有不同程度的風(fēng)化，干砌石多處松動(dòng)、部分塊石脫落，但基本完好，局部長(zhǎng)有低矮灌木。壩頂無(wú)護(hù)砌，高低不平，雜草叢生。2017年8月，對(duì)王鐵莊水庫(kù)大壩進(jìn)行安全鑒定，鑒定結(jié)果如下：大壩運(yùn)行中，下游壩坡及壩腳無(wú)滲漏現(xiàn)象，大壩下游壩坡滲透穩(wěn)定，壩體滲流安全性評(píng)定為A級(jí);大壩現(xiàn)狀抗洪能力不滿足設(shè)計(jì)要求，防洪安全性評(píng)定為C級(jí);大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定條件不滿足規(guī)范要求，大壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)定為C級(jí);大壩安全鑒定為三類壩。2017年12月，河北省大壩安全管理中心對(duì)安全鑒定成果進(jìn)行了核查，同意三類壩的鑒定結(jié)論。因此，亟需對(duì)王鐵莊水庫(kù)大壩進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核與加固設(shè)計(jì)。

3 壩體加固方案分析

針對(duì)王鐵莊水庫(kù)現(xiàn)狀大壩抗洪能力不足問(wèn)題，可采取加高大壩、改擴(kuò)建或增建泄水建筑物以及兩者相結(jié)合的工程措施。根據(jù)水庫(kù)實(shí)測(cè)地形圖，壩頂右岸鄉(xiāng)間道路與壩頂齊平，水庫(kù)右岸有民房及羊圈等，所處地面標(biāo)高為30.7 m及以上，若加高大壩將增加移民搬遷費(fèi)用，不符合實(shí)際條件。水庫(kù)現(xiàn)狀溢洪道緊鄰左岸大壩，在巖體中開(kāi)挖而成，未襯砌。溢洪道左岸巖石堅(jiān)硬、完整，擴(kuò)挖難度大。若單一降低溢洪道堰頂標(biāo)高加大泄流能力，將影響水庫(kù)興利庫(kù)容及相關(guān)效益，同時(shí)對(duì)下游淹沒(méi)影響也較大。綜合考慮，在現(xiàn)狀壩頂增設(shè)防浪墻。依據(jù)SL 189-2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]，當(dāng)壩頂上游側(cè)設(shè)防浪墻時(shí)，壩頂超高可改為對(duì)防浪墻頂?shù)囊?，但在正常運(yùn)用條件下，壩頂應(yīng)高出靜水位0.5 m;在非常運(yùn)用條件，壩頂應(yīng)不低于靜水位。經(jīng)反復(fù)試算及調(diào)洪演算，確定當(dāng)溢洪道堰頂標(biāo)高降至26.5 m時(shí)，水庫(kù)的校核洪水位為29.95 m，低于現(xiàn)狀壩頂標(biāo)高30.0 m，達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件。此時(shí)，壩頂超高經(jīng)計(jì)算為0.84 m，由此確定防浪墻頂標(biāo)高為30.8 m，即防浪墻在壩頂以上部分高度為0.8 m。

針對(duì)王鐵莊水庫(kù)現(xiàn)狀大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求問(wèn)題，可采取培土放緩壩坡、削坡放緩壩坡的工程措施?，F(xiàn)狀壩頂寬度較小，無(wú)法滿足削坡放緩壩坡要求，故只能采取培土放緩壩坡措施。上游壩坡培土放緩加固，一般采用黏土、壤土料，可增加壩體防滲效果，降低壩體浸潤(rùn)線及滲漏量;下游壩坡培土放緩加固，其下部培土應(yīng)采用透水性好的材料，以降低下游壩體浸潤(rùn)線。下游壩坡培土放緩加固勢(shì)必會(huì)向壩外擴(kuò)充占地，增加征占費(fèi)用。因此，在培土放緩壩坡加固時(shí)以現(xiàn)狀壩頂外邊緣線為準(zhǔn)，在滿足壩頂寬度的條件下，以向上游壩坡培土放緩為主，同時(shí)為滿足下游壩坡抗滑穩(wěn)定要求，在下游壩坡增設(shè)反壓平臺(tái)。

4 壩體加固方案設(shè)計(jì)

4.1 壩頂加固設(shè)計(jì)

在王鐵莊水庫(kù)大壩壩頂設(shè)置高0.8 m漿砌石防浪墻，頂寬0.5 m，基礎(chǔ)埋深1.0 m。防浪墻采用M10F200水泥砂漿砌筑，外露面采用M12.5F200水泥砂漿抹面，每10 m設(shè)一道伸縮縫，縫內(nèi)填充聚乙烯閉孔泡沫板。壩頂無(wú)護(hù)砌，高低不平，雜草叢生，在壩頂修建泥結(jié)碎石路面，路面高程30.0 m，路面寬度3.5 m，厚度20 cm，長(zhǎng)72 m。泥結(jié)碎石路面上游側(cè)為防浪墻，下游側(cè)設(shè)路緣石，厚度15 cm，高度40 cm，頂面與壩頂路面齊平。壩頂路面采用單側(cè)向下游排水，坡度為1.5%。

4.2 上游壩坡加固設(shè)計(jì)

王鐵莊水庫(kù)大壩上游壩坡采用壤土料培厚加固處理，培厚加固后壩頂寬4.0 m，外坡比為1∶2.0，外坡設(shè)0.1 m厚碎石墊層、0.3 m厚干砌石護(hù)坡?；靥钊劳烈笏苄灾笖?shù)Ip為10～15，滲透系數(shù)不大于1×10-5? cm/s，壤土中大于5 mm的礫石粗料含量不超50%，黏粒含量為15%～25%。分層碾壓，分層厚度為30 cm，壓實(shí)度不小于96%。壩前淤泥土采用換土墊層法、預(yù)壓砂井法、拋石擠淤法等措施進(jìn)行處理，以提高施工區(qū)域淤泥地基土的抗剪強(qiáng)度與穩(wěn)定性，降低土的滲透性，使地基沉降在施工允許范圍之內(nèi)。

4.3 下游壩坡加固設(shè)計(jì)

王鐵莊水庫(kù)大壩下游壩坡設(shè)置反壓平臺(tái)，經(jīng)穩(wěn)定試算分析，確定反壓平臺(tái)頂標(biāo)高為24.0 m，頂寬為4.5 m。反壓平臺(tái)采用塊石堆筑，外坡比為1∶2.0。壩腳設(shè)置漿砌石排水溝，在最低處設(shè)出口排除滲水，排水溝底寬0.5 m，深0.5 m。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，壩下游可利用空間不足，因此在保證下游壩坡抗滑穩(wěn)定的條件下，將放坡加固體材料改為漿砌石，頂標(biāo)高不變，頂寬變?yōu)?.2 m，坡比變?yōu)?∶1.5，取消壩腳排水溝。加固體改為漿砌石后，為排出壩體及壩基的滲水，沿現(xiàn)狀壩坡每隔 5 m設(shè)置一道直徑300 mm的無(wú)砂混凝土管，沿現(xiàn)狀壩腳設(shè)置一道碎石排水體，混凝土管及碎石排水體外包一層400 g/m2的土工布。

5 壩體加固后穩(wěn)定分析

壩體加固后斷面見(jiàn)圖3。壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用剛體極限平衡法中的瑞典圓弧法進(jìn)行分析。工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)，根據(jù)SL 189-2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]要求，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)在正常運(yùn)用條件下應(yīng)不小于 1.15，非常運(yùn)用條件下應(yīng)不小于 1.05。采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)軟件中的穩(wěn)定分析模塊進(jìn)行計(jì)算分析。壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用優(yōu)選法找出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及最小安全系數(shù)。壩體主要土層物理力學(xué)指標(biāo)依據(jù)王鐵莊水庫(kù)大壩地質(zhì)勘察報(bào)告中建議數(shù)據(jù)選取，見(jiàn)表1。不同荷載組合工況條件下大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表2和圖4～7。

通過(guò)計(jì)算分析可知，水庫(kù)大壩壩體加固后在各種運(yùn)用工況下，大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，表明壩體加固設(shè)計(jì)方案合理。

6 結(jié) 語(yǔ)

王鐵莊水庫(kù)土石壩因壩體斷面尺寸不足導(dǎo)致大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，結(jié)合大壩工程地質(zhì)條件，針對(duì)大壩壩體存在的主要問(wèn)題，對(duì)壩體加固方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。加固后壩體穩(wěn)定分析結(jié)果表明：大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，壩體加固設(shè)計(jì)方案合理。

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（編輯：江 文）

Optimization of danger remove and reinforcement design scheme for dam?in Wangtiezhuang Reservoir， Shihe River Basin

WANG Libin1 ， CHI Xing2 ， LIU Hongxi1 ， TONG Jinglu1

（1. Shenkan Qinhuangdao General Engineering Design & Research Institute Corporation， MCC， Qinhuangdao 066004，China;

2. Water Affairs Bureau of Haigang District， Qinhuangdao 066000，China）

Abstract：There are some problems in the earth -rock dam in general， such as the insufficient dam cross-section size and the anti-sliding instability of dam slope or dam body. The dam of Wang Tiezhuang Reservoir in the Shihe River Basin is a homogeneous earth one，? the anti-sliding stability of upstream and downstream dam slopes did not meet the code requirements due to the insufficient dam cross-section size. Therefore，combining with the engineering geological conditions of the dam， the dam reinforcement scheme was optimized. The results showed that the dam body met the stability requirements after the reinforcement measures of upstream and downstream dam slopes were taken. The reinforcement design scheme was reasonable， which could provide technical guidance and reference for the study of similar reinforcement measures.

Key words： earth-rock dam; danger remove and reinforcement; dangerous reservoir ; Wangtiezhuang Reservoir;Shihe River Basin

收稿日期：2021-07-08

作者簡(jiǎn)介：王立彬，男，高級(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。E-mail：18003351983@163.com