中小型病險(xiǎn)水庫加固設(shè)計(jì)研究

何維軍

（江西信江水利電力勘察設(shè)計(jì)有限公司,江西 上饒 334000）

1 工程概況

華興水庫興建于20 世紀(jì)70 年代,距今約有半個(gè)世紀(jì),大壩在防滲上主要依靠粘土斜墻,壩體材料主要由砂礫料和壤土組成,壩頂高程、寬度分別為410.5 m和5.5 m,大壩長(zhǎng)度為371 m,大壩的最高處高度為25.55 m,土石壩工程等級(jí)為3 級(jí)。開敞式溢洪道處于壩體左端,由山體開挖而成。輸水洞處于壩體左端為有壓隧洞,截面程圓形,內(nèi)襯鋼筋混凝土；包含主動(dòng)和發(fā)電支洞,前者長(zhǎng)度131 m,后者長(zhǎng)度19 m,合計(jì)全長(zhǎng)150 m。

2 大壩滲漏原因分析

華興水庫大壩投入使用已近半個(gè)世紀(jì),在對(duì)其安全評(píng)估過程中發(fā)現(xiàn)如下問題：

（1）依據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果,左右兩側(cè)大壩端部的山體存在風(fēng)化帶,在正常蓄水的條件下,存在水流繞滲的情況,需要采取相應(yīng)對(duì)策進(jìn)行防滲處理。

（2）上游壩坡干砌塊石多為片石,厚度較薄且石塊直徑較??；下游壩坡穩(wěn)定性系數(shù)較小,未能達(dá)到允許值。

（3）大壩觀察設(shè)施缺乏,改造中應(yīng)增加觀測(cè)設(shè)備的配置。

（4）設(shè)計(jì)洪水位標(biāo)高程為408.406 m,但黏土斜墻的頂部標(biāo)高是408.052 m,沒有達(dá)到規(guī)范要求。采用漿砌石修筑成的防浪墻,無法發(fā)揮擋水的能力。

大壩建設(shè)過程中,在修建壩體心墻時(shí),對(duì)土料質(zhì)量沒能采取有效控制措施,經(jīng)勘察鉆孔分析,發(fā)現(xiàn)其填土多為砂礫、砂壤等松散粒料,結(jié)構(gòu)的整體性較差,容易造成漏水情況。再加上大壩心墻高度較低,情況嚴(yán)重時(shí)可形成滲流通道。

因項(xiàng)目所處位置的地層中存在大量片麻巖層,在地質(zhì)作用下受到了嚴(yán)重的風(fēng)化,且在施工中沒有得到徹底的清除,造成壩基坐落在厚度超過2 m的風(fēng)化層上。通過壓水試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),項(xiàng)目所在位置巖體中風(fēng)化后的透水率在8 Lu左右,而強(qiáng)風(fēng)化巖體最大達(dá)到16 Lu。因大壩壩肩位置巖體裂隙發(fā)育明顯,其加固處理也愈發(fā)緊急。

3 大壩穩(wěn)定分析

以大壩的最不利截面作為穩(wěn)定性計(jì)算的斷面,滲透系數(shù)及土體容重以地勘報(bào)告為依據(jù)進(jìn)行取值根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)獲取,在抗剪強(qiáng)度的取值上,以試驗(yàn)取得的小值均值為準(zhǔn)。土的飽和容重按照下式進(jìn)行計(jì)算[1-3]：

式中：γsat和γ分別為土的飽和容重和天然容重；G為土粒重度；W為土的天然含水量；R為水的容重。表1是大壩土料的性能指標(biāo)。

表1 華興水庫大壩土料性能指標(biāo)

穩(wěn)定性計(jì)算中假設(shè)壩體為混合式土石壩,采用瑞典圓弧法對(duì)壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算所得大壩在正常和非正常運(yùn)行條件的邊坡穩(wěn)定系數(shù)見表2。

表2 下游邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過表2可以發(fā)現(xiàn),下游邊坡的穩(wěn)定系數(shù)要小于允許值,因此,土坡的穩(wěn)定性不足,需要加固才能滿足使用要求。

4 大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

4.1 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

不改變?cè)写髩螇雾數(shù)臉?biāo)高,其高程為410.5 m,拆除并重建防浪墻和斜墻,其頂端高程分別為411.5 m、408.6 m。加固設(shè)計(jì)中,將原有壩頂寬度進(jìn)行拓展到5.5 m,壩頂?shù)缆返慕Y(jié)構(gòu)層自上而下為：7 cm瀝青面層、15 cm水穩(wěn)碎石基層、20 cm砂石改良路床。防浪墻設(shè)計(jì)材料為一級(jí)鋼筋和C25 混凝土,底部寬度、頂部寬度和高度分別為1.8 m、0.45 m和2.9 m,考慮到防浪墻的長(zhǎng)度比較大,設(shè)計(jì)中每隔20 m設(shè)置一道伸縮縫以避免溫差過大造成墻體開裂。圖1為防浪墻示意圖。

4.2 護(hù)坡設(shè)計(jì)

加固設(shè)計(jì)不改變上游堤壩邊坡的坡度,上游邊坡分為三級(jí),自上而下的坡比分別為1∶2.5、1∶3和1∶2,在392.5 m和401.5 m的高程上分別設(shè)置寬度為1.5 m和3.5 m的戧臺(tái)?，F(xiàn)狀在392.5 m高程以上采用砌塊護(hù)坡,具有片石多、厚度薄的缺陷,在雨水侵蝕和凍害作用下,護(hù)坡發(fā)生嚴(yán)重破壞。本次加固設(shè)計(jì)將在拆除原有392.5 m高程以上砌石后,按照原有坡度在下層鋪設(shè)10 cm碎石,上層鋪設(shè)30 cm砌石。

下游自上而下的坡比分別是 1∶1.8、1∶1.9和1∶2.5。壩坡穩(wěn)定系數(shù)相對(duì)較小,沒能達(dá)到規(guī)范下限。本著合理利用資源的原則,護(hù)坡所用材料來自上游拆除下來塊料,將上部坡比1∶1.8、1∶1.9段改為 1∶2,并在高程400 m處設(shè)置馬道寬度2 m。拆卸塊石料敷設(shè)在下層邊坡,增加厚度為20 cm,并在400 m高程的位置新設(shè)寬度為2 m的戧臺(tái)。

4.3 土壩滲流計(jì)算

根據(jù)地勘報(bào)告資料,得到壩體壤土的滲透系數(shù)為1.499×10-5cm/ s,粘土的滲透系數(shù)為1.311×10-5cm/s,砂礫料的滲透系數(shù)較大,為2.012×10-4cm/s。滲透流量計(jì)算如下[4-6]：

式中：K0、K1分別表示壩基和壤土滲透系數(shù)；H1、H2分別表示壩體上、下游水的深度；Le表示截水墻頂板等效長(zhǎng)度；T表示壩基透水層深度；ΔL表示浸潤(rùn)線。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),在水位的高度為405.41 m的正常水位、408.43 m的設(shè)計(jì)水位、410. 23 m的校核水位下,其滲透流量分別為0.14 m3/d、0.2 m3/d和0.21 m3/d。

4.4 邊坡加固后穩(wěn)定校核

采用瑞典圓弧法進(jìn)行加固后的穩(wěn)定性校核,計(jì)算公式如下：

式中：K表示穩(wěn)定性系數(shù)；Ni表示滑動(dòng)曲線上切線方向的分力；Ti表示滑動(dòng)曲線上法線方向的分力；φ土體內(nèi)摩擦角,計(jì)算取24°；c表示土的粘聚力,根據(jù)各土層特性參數(shù)取值；L表示滑動(dòng)曲線的圓弧長(zhǎng)度,取0.2 m。

采用瑞典圓弧法進(jìn)行加固后的穩(wěn)定性校核,計(jì)算所得穩(wěn)定系數(shù)見表3,正常工況1/3水位下游坡邊坡穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2。可以發(fā)現(xiàn),在任何工況下,最不利斷面的邊坡穩(wěn)定系數(shù)均超過規(guī)范允許最小值,因此大壩在加固后的穩(wěn)定性可以得到保障。

圖2 正常工況典型計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)圖

表3 加固后的邊坡穩(wěn)定校核計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

通過對(duì)華興水庫大壩的穩(wěn)定計(jì)算,發(fā)現(xiàn)了下游坡的不穩(wěn)定邊坡。所以需要計(jì)算土壩的滲流情況,以研究對(duì)大壩的加固方案,確定了對(duì)上下游壩體護(hù)坡進(jìn)行加固。經(jīng)校核,加固后的壩體邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性都能得到保障。