小型水庫除險加固設計方案分析

張 娟

(韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 韶關 512000)

1 問題的提出

水庫安全事關人民群眾生命財產安全和公共安全。加快病險水庫除險加固，消除大壩安全隱患，是深化水庫管理體制改革，健全長效運行管護機制，保障水庫安全運行和效益發(fā)揮的有效措施[1]。遙田水庫位于廣東省新豐縣遙田鎮(zhèn)聯(lián)豐村境內，距縣城約60km。該水庫始建于1976年，運行至今已近46年，是一座以灌溉、供水為主，兼顧防洪、發(fā)電的小(1)型水利水電工程。水庫設計灌溉面積5362畝，供水人口規(guī)模為19380人，電站裝機容量為435kW。水庫投產運行后，在防洪減災、鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水、農業(yè)灌溉、水力發(fā)電以及水生態(tài)保護等方面都發(fā)揮了積極作用。由于近年來暴雨等極端天氣加劇，洪水災害頻繁，導致水庫電站多次被淹，對樞紐安全運行產生不利影響。2018年遙田水庫大壩安全類別評為三類壩。為保證水庫防洪興利效益的正常、穩(wěn)定發(fā)揮，有效保障當?shù)剞r業(yè)用水需求，亟需對水庫開展除險加固設計。本文結合遙田水庫除險加固實際，對小型水庫的加固要點進行分析和探討。

2 工程概況及存在問題

2.1 工程概況

遙田水庫主要由大壩、溢洪道、輸水建筑物和下游二級電站等組成，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級，次要建筑物級別為5級；水庫設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為500年一遇，消能防沖洪水標準為20年一遇，施工洪水標準為枯水期5年一遇，抗震設防烈度為Ⅵ度。水庫調洪演算成果見表1。

表1 遙田水庫調洪演算成果表

2.2 存在問題

水庫安全評價結果顯示，樞紐工程存在以下問題。

(1)大壩：①遙田水庫大壩現(xiàn)狀為均質土壩，壩頂寬度為4.25m，不滿足相關規(guī)范要求；大壩上下游壩坡坡度較陡，經復核計算，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。②大壩上游干砌石護坡腐蝕風化嚴重，護坡質量較差，基本不能防止波浪及雨水淘刷，影響壩坡安全；因壩體土料遭沖刷流失，下游壩坡排水溝內部淤積且雜草叢生，其排水功能無法正常發(fā)揮(如圖1所示)。③根據(jù)相關地質勘察報告，壩體填筑質量較差，土體整體呈松散—稍密實，壓實度不均勻，滲透系數(shù)不滿足SL 274—2020《碾壓式土石壩設計規(guī)范》[2]規(guī)定的數(shù)值。結合現(xiàn)場調查分析，壩基無嚴重的集中滲漏及滲透穩(wěn)定問題，但存在壩基繞滲問題，對壩體穩(wěn)定不利。④經計算，大壩壩肩下游浸潤線的最高溢出點高于下游壩坡排水棱體頂高程，且大壩兩側壩肩未設排水棱體，不滿足設計規(guī)范要求。⑤上、下游壩坡均發(fā)現(xiàn)多處螞蟻筑巢現(xiàn)象。

(2)溢洪道：現(xiàn)狀溢洪道底板與側墻均置于強風化花崗巖上，缺乏排水措施，且側墻墻身腐蝕風化嚴重。

(3)輸水隧洞：①輸水隧洞洞身混凝土老化開裂、滲漏較嚴重，裂縫寬度不滿足規(guī)范要求。②現(xiàn)有輸水隧洞出水口漿砌石結構存在裂縫，且下游輸水明渠段出水口基礎及消能設施已被山洪沖毀，強風化花崗巖已出露，影響大壩排水棱體的安全穩(wěn)定和大壩的正常運行。③輸水隧洞進水口攔污柵破爛、銹跡嚴重，斜拉閘門傳動桿有生銹、防銹漆脫落現(xiàn)象。

(4)安全監(jiān)測：未設置大壩變形、位移及測壓管觀測設施，無法及時監(jiān)測大壩的安全性態(tài)。

3 除險加固設計方案

針對水庫的上述問題，擬在原址開展水庫除險加固工作。加固工作應在消除水庫樞紐病、險情的前提下，充分利用現(xiàn)有建筑物，盡可能地降低工程造價。除險加固工程內容主要為：①對大壩壩體和壩基進行防滲處理，并整修上游護坡、排水棱體和進行白蟻防治；②溢洪道整修；③右壩廢棄輸水涵封堵；④左側輸水隧洞加固；⑤完善安全監(jiān)測設施等。

3.1 大壩加固

結合遙田水庫大壩存在的問題，采取的針對性加固措施有：①對大壩進行防滲處理；②清除原干砌石護坡后現(xiàn)澆120mm厚C20砼面板護坡，護坡塊尺寸為4m×4m，塊上設排水孔；③上游壩腳新建阻滑墻，并利用清表干砌石壓腳；④下游壩坡排水棱體拆除表層風化干砌石，并培厚干砌石2m；⑤對下游壩坡進行白蟻防治。

3.1.1壩體防滲方案比選

大壩加固的核心問題為壩體防滲。防滲墻的厚度應滿足抗?jié)B及耐久性要求，在滲透壓力作用下，其耐久性主要取決于機械力侵蝕和化學溶蝕作用。由于2種侵蝕破壞作用都與水力坡降密切相關，因此防滲墻的厚度應根據(jù)其允許的水力梯度和承受的最大水頭以下式計算：

B=H/Jp=45/80=0.56m

(1)

式中，H—防滲墻承受的最大水頭，m；Jp—防滲墻的允許水力梯度(通常取Jp=80～100)。

防滲墻的厚度亦應考慮便于施工。對于沖擊鉆造孔其墻厚不小于0.6m，對于液壓抓斗其墻厚不小于0.5m。參考已建的類似工程，防滲墻厚度最終確定為0.6m。結合地質鉆探資料，大壩地基巖土層自上而下依次為第四系殘坡積層、強風化花崗巖、弱風化花崗巖。由于防滲墻的深度應穿過強風化巖層，并深入弱風化花崗巖1m，故防滲墻的最大深度確定為45m。

防滲墻寬度和深度確定后，對以下3種防滲方案進行比較：方案一(塑性砼防滲墻方案)，墻厚0.6m；方案二(普通砼防滲墻方案)，墻厚0.6m；方案三(壩體劈裂灌漿+壩基帷幕灌漿方案)，劈裂灌漿與帷幕灌漿共用一孔，灌漿孔雙排布置，其排距1m、孔距2.5m，以梅花形布置。不同方案比選見表2。由于大壩存在的主要問題是壩體浸潤線較高，以及下游壩坡、滲流不穩(wěn)定，因此大壩加固的關鍵就在于降低壩體浸潤線，確保下游壩坡滲流、穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。經過方案的技術、經濟比選，并結合工程實際特點，壩體防滲方案選擇方案一(塑性砼防滲墻方案)。

表2 遙田水庫壩體防滲方案比選表

在塑性混凝土防滲墻配合比的選擇上，應盡量使防滲墻的變形模量和應力應變關系調整至與周圍土層較接近，方可保證其無論在何種荷載作用下，其應力較小且變形均勻，從而提高防滲墻的安全度。塑性混凝土的主要技術指標為：抗壓強度R28=1.0～5.0MP；彈模≤200MPa；滲透系數(shù)：K≤10-7cm/s；滲透破壞比降≥300；坍落度為180～220mm；擴散度為350～400mm；模強比為200～500；水膠比0.85～1.20。

3.1.2大壩滲流穩(wěn)定計算

壩體防滲方案確定后，大壩滲流穩(wěn)定分析典型計算斷面如圖2所示。采用滲流有限元分析法進行計算，分析工況主要包括4種：①上游正常蓄水位(234.70m)與相應的下游水位(195.40m)；②上游設計洪水位(236.75m)與相應的下游水位(195.40m)；③上游校核洪水位(237.38m)與相應的下游水位(195.40m)；④上游庫水位由正常蓄水位(234.70m)降落至1/3壩高(218.74m)。滲流計算結果如表3。結果表明，大壩在各工況下浸潤線逸出點高程均低于排水棱體頂高程，能有效地防止壩坡發(fā)生凍脹破壞和滲透變形。

圖2 大壩滲流計算模型圖

表3 大壩滲流計算成果表

3.1.3壩坡穩(wěn)定計算

壩坡穩(wěn)定計算斷面亦如圖2所示。對于土壩，其壩坡穩(wěn)定計算參數(shù)根據(jù)地質勘察報告中的土工試驗成果并參考類似工程確定，反濾體的物理力學指標根據(jù)相應規(guī)范并結合同類工程經驗值確定[3]。壩體土樣抗剪參數(shù)通過飽和慢剪試驗獲得，凝聚力、內摩擦角均取為地勘建議值。由于大壩為均質土壩，故選擇計及條塊間作用力的簡化Bishop法計算壩坡的圓弧滑動穩(wěn)定[4]。分析工況同上述滲流穩(wěn)定工況，穩(wěn)定計算成果見表4。結果表明，各工況下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表4 壩坡穩(wěn)定計算成果表

3.1.4白蟻防治設計

由于大壩運行年限較長，存在白蟻隱患。根據(jù)廣東省水利廳頒布的DB44/T 2282—2021《水利工程白蟻防治技術規(guī)范》相關要求，堤壩工程擴建或除險加固時必須對原堤壩內的白蟻隱患進行全面的檢查和徹底處理。結合水庫大壩蟻害實際情況，設計擬采用水利部推廣的“找標殺、找標灌、找殺(防)”措施(共3個環(huán)節(jié)、9道工序)，即通過找準白蟻經常出現(xiàn)的位置并誘殺白蟻，同時對蟻穴進行回填粘土和灌漿處理，不僅可根治白蟻危害，同時灌實后還可加固大壩，確保水庫安全運行。

3.2 溢洪道加固

針對溢洪道存在的現(xiàn)狀問題，在滿足結構、穩(wěn)定要求的前提下，擬對擋墻進行修復，即鑿除原表層水泥砂漿后采用M12.5水泥砂漿重新抹面，并增設臨壩側安全護欄。

3.3 右壩廢棄輸水涵封堵

經過現(xiàn)場調查，右壩廢棄輸水涵于上世紀90年代進行過封堵，距今時間久遠，其封堵質量不好，且在水位較高時會出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。右壩廢棄輸水涵的封堵措施為：在進口處開挖出輸水涵管，并對涵管內灌水泥漿堵實，堵實長度為73.3m；外部新建C20砼截水墻對右壩廢棄輸水涵進行封堵，截水墻長2.8m、厚1m、高3.3m。

3.4 左壩輸水隧洞加固

輸水隧洞位于壩體左側，其洞長150m，斷面為城門洞式(底寬0.9m、高1.5m)。針對輸水隧洞現(xiàn)狀問題，其加固措施為：在進口處更換斜拉閘閘門和斜拉桿，并新建消力井；下游出水口段新建消力池，兩側新建C20砼擋墻；輸水隧洞出口段在高程204.41m處新建C20鋼筋砼底板并與現(xiàn)狀輸水隧洞出口段銜接，同時在高程198.39m處分級放坡，自下而上坡比分別為1∶4.5、1∶3；在高程194.02m處新建C20砼消力池，消力池長10m、寬3.5m，消力坎高1.3m，并在消力池兩側新建C20砼側墻。

3.5 安全監(jiān)測設計

3.5.1安全監(jiān)測原則

為了確保大壩安全運行，有必要對主要建筑物設置完善的安全監(jiān)測設施。安全監(jiān)測布置遵循以下原則：①應能全面、準確地反映建筑物在施工期、蓄水期及運行期的實際工作狀態(tài)。②應結合影響大壩安全的主要問題，有針對性地設置監(jiān)測項目和布置監(jiān)測儀器。對于重要監(jiān)測斷面或重點監(jiān)測項目，宜采用2種以上的監(jiān)測手段。③應選擇性能穩(wěn)定可靠、量程和精度滿足監(jiān)測要求的監(jiān)測儀器和設備。采用的監(jiān)測方法應技術成熟，便于操作[5]。④宜采用先進技術或為后期技術改進留有余地。若采用自動化監(jiān)測設備，同時應具備人工監(jiān)測條件。

3.5.2安全監(jiān)測范圍及方式

遙田水庫安全監(jiān)測范圍包括壩體、壩肩以及對大壩安全有重大影響的近壩區(qū)岸坡和其他建筑物、設備等。監(jiān)測方式主要包括人工巡視檢查和儀器監(jiān)測，其中巡視檢查主要針對施工期、運行期水庫的各主要建筑物進行，分為日常、年度、特殊情況下的巡視檢查等。

(1)大壩變形監(jiān)測：傳統(tǒng)的變形變監(jiān)測是在監(jiān)測區(qū)建立控制網(wǎng)，使用精密測距儀和經緯儀為主要手段，選擇控制網(wǎng)中高等級點建立統(tǒng)一基準，將這些監(jiān)控網(wǎng)點與各部位的獨立基準點聯(lián)測，從而形成整體監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)[6]。目前，GNSS精密定位技術已在大地測量、地殼形變監(jiān)測、精密工程測量等諸多領域得到了廣泛的應用和普及，其具有全天候作業(yè)及實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化傳輸、管理和分析的特點[7]。因此，大壩變形監(jiān)測選用GNSS監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)SL 551—2012《土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》[8]規(guī)定，監(jiān)測縱斷面一般不少于4個；監(jiān)測橫斷面間距在壩軸線長度小于300m時，宜選取20～50m；當壩軸線長度大于300m時，宜選取50～100m。結合上述布設原則，水庫變形監(jiān)測縱斷面選取4個，橫斷面則根據(jù)壩長及壩體結構類型確定。

(2)大壩滲流監(jiān)測：壩體滲流監(jiān)測項目包括揚壓力、滲流壓力、滲流量、繞壩滲流和水位監(jiān)測等。揚壓力、繞壩滲流須采用埋設測壓管及滲壓計監(jiān)測；滲透壓力、水位可采用滲壓計進行監(jiān)測。

4 結語

在系統(tǒng)梳理遙田水庫樞紐工程的現(xiàn)狀問題基礎上，提出了針對性的水庫除險加固設計方案。本文形成主要結論如下：

(1)經計算，大壩防滲墻厚度確定為0.6m，最大深度為45m，通過方案的技術、經濟比選后選擇塑性砼防滲墻方案。防滲方案確定后，大壩的滲流穩(wěn)定、壩坡穩(wěn)定計算均滿足規(guī)范要求。

(2)通過選用GNSS監(jiān)測系統(tǒng)進行大壩變形監(jiān)測，能全面反映大壩在施工期、蓄水期及運行期的工作狀態(tài)。

(3)工程實踐表明，通過實施有效的除險加固治理，可充分發(fā)揮水庫的社會、經濟、生態(tài)效益，保障當?shù)厝嗣裆敭a安全，并進一步促進農村經濟的可持續(xù)發(fā)展。該工程可為我國類似的小型水庫除險加固積累建設經驗。