某水庫大壩除險(xiǎn)加固措施研究

陳 勇

(廣東省五華縣水土保持試驗(yàn)推廣站，廣東 五華 514471)

1 概 述

某水庫位于廣東省五華縣，是1座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)殖作用的小(2)型水庫，水庫灌溉面積200畝(1畝=1/15 hm2)，養(yǎng)殖面積15.6畝。水庫為漿砌干砌混合壩，由大壩、溢洪道、放水底涵三大部分組成。水庫集水面積5.6 km2，流域長度3.5 km，河道平均坡度48%；總庫容19.75萬m3，興利庫容6.81萬m3。放水底涵在大壩的左邊，為φ50 cm的混凝土圓管，放水流量為0.81 m3/s。水庫建成于1984年，由于水庫施工屬于“三邊”工程，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工質(zhì)量較低，運(yùn)行多年以來，大壩溢流壩段抗滑不滿足規(guī)范要求，壩體滲漏非溢流段大壩外坡漿砌塊石存在局部隆起及凹陷現(xiàn)象，兩岸山體存在滲漏，溢洪道溢流堰混凝土損壞嚴(yán)重，挑流鼻坎漿砌和干砌的結(jié)合部有縱向裂縫。水庫的安全與否，直接關(guān)系到水庫下游居民生命財(cái)產(chǎn)安全，針對(duì)水庫運(yùn)行存在的問題，必須采取工程加固措施，使水庫主要建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，消除各類安全隱患，并使其充分發(fā)揮最大的效益。

2 工程概況

工程等別為V等，攔河壩、溢道、放水涵洞等主要建筑物級(jí)別為5級(jí)。本次水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，并考慮到該工程地理位置的重要性，主要建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇(P=5%)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇(P=0.5%)。根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，本工程區(qū)域內(nèi)地震峰值加速度小于0.05g，相應(yīng)地震基本烈度值小于6度，可不進(jìn)行抗震計(jì)算。

水庫屬韓江流域琴江水系，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，通常是春季冷暖變化大，光照不足陰雨多；夏季溫度濕度大，降水集中有洪災(zāi)；秋季常有夾秋旱，白天溫高早晚涼；冬季寒濕濕度大，多晴少雨易干冬。降雨充沛，水資源豐富，多年平均降雨量1 818.2 mm；但降雨在年內(nèi)分配較不均勻，降雨大都集中在4—7月份，約占全年降雨量的56.5%以上，而8月至次年2月降雨較少，這就形成了該地區(qū)春夏易洪、秋冬易旱的氣候特點(diǎn)。

區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)輕微，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性好。壩址區(qū)基巖為元古界牛屋組下段(Ptnl)輕變質(zhì)硬砂質(zhì)砂巖，粉砂巖及板巖韻律互層。左右岸因風(fēng)化程度不同而略有不同，強(qiáng)風(fēng)化板巖因風(fēng)化扭曲巖層產(chǎn)狀略有不同，壩址區(qū)左右岸順層節(jié)理密集帶發(fā)育。

3 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

水庫現(xiàn)壩頂高程為176.77 m，溢洪道堰頂高程為192.0 m，20年一遇設(shè)計(jì)洪水位為193.69 m，正常蓄水位以下庫容為6.81萬 m3；200年一遇校核洪水位為194.42 m，總庫容19.75萬m3。根據(jù)水庫工程加固除險(xiǎn)地質(zhì)勘察報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，取代表性巖樣做單軸飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，弱風(fēng)化千枚狀砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度15～20 MPa，容重25.5 kN/m3；微風(fēng)化千枚狀砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度25～30 MPa，容重26 kN/m3。計(jì)算壩體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc值，滑動(dòng)面的摩擦系數(shù)混凝土與弱風(fēng)化巖石為f=0.5～0.55，堆石體與壩基摩擦系數(shù)取f=0.38。

3.1 大壩穩(wěn)定計(jì)算

依據(jù)《堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和水庫大壩的實(shí)際情況，對(duì)非溢流壩段和溢流壩段典型剖面采用材料力學(xué)方法進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定復(fù)核，驗(yàn)算壩體應(yīng)力和穩(wěn)定是否滿足規(guī)范要求。

3.1.1 計(jì)算工況及荷載組合

本次設(shè)計(jì)對(duì)溢流段及非溢流段分別按以下3種工況進(jìn)行計(jì)算(見表1)：

表1 荷載組合表

3.1.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

壩段抗滑穩(wěn)定按下式計(jì)算：

Kc=f∑W/∑P(抗剪強(qiáng)度公式)

式中，Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為壩體與基巖間摩擦系數(shù)，干砌石與壩基取f=0.38，漿砌石與壩基取f=0.5；∑W為作用于壩底上的全部豎向荷載的總和(kN)；∑P為作用于壩底上的全部水平向荷載的總和(kN)。

3.1.3 基底正應(yīng)力計(jì)算

基底應(yīng)力按下式計(jì)算:

σ=∑W/B±6∑M/B2

式中，σ為基底正應(yīng)力(kN/m2)；∑W為作用于基底上的全部豎向荷載的總和(kN)；∑M為作用于基底上的全部荷載對(duì)截面形心的力矩總和(kN.m)。

3.1.4 安全標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范，抗滑穩(wěn)定采用抗剪強(qiáng)度公式時(shí)，正常運(yùn)行條件下，抗滑穩(wěn)定安全系險(xiǎn)數(shù)應(yīng)不小于1.05；非常運(yùn)用條件下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)不小于1.0。運(yùn)用期在各項(xiàng)荷載組合下，壩基面的最大垂直正應(yīng)力應(yīng)小于壩基容許應(yīng)力，最小垂直正應(yīng)力應(yīng)大于零。

3.1.5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

(1)抗滑穩(wěn)定分析成果

根據(jù)上述計(jì)算方法和大壩的實(shí)際情況，對(duì)各種工況進(jìn)行大壩的抗滑穩(wěn)定計(jì)算，結(jié)果如下所示(見表2)。由表2可以看出，溢流壩在設(shè)計(jì)和校核洪水位工況下均達(dá)不到規(guī)范要求，非溢流段的抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表2 大壩現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析計(jì)算成果表

(2)壩基應(yīng)力計(jì)算成果

依據(jù)上述計(jì)算方法和大壩的實(shí)際情況，對(duì)各種工況進(jìn)行大壩上下游壩基應(yīng)力計(jì)算，結(jié)果如下所示(見表3)。由表3可以看出，壩體應(yīng)力指標(biāo)均滿足《堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，大壩不產(chǎn)生拉應(yīng)力。

表3 大壩應(yīng)力計(jì)算成果表

3.2 大壩加固防滲處理

3.2.1 溢流壩段加固

大壩加固后選取加固后斷面采用抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法進(jìn)行復(fù)核。加固后大壩穩(wěn)定計(jì)算和溢流壩應(yīng)力計(jì)算成果分別如下所示(見表4、表5)。由表4和表5可以看出，溢流壩段壩體加固后的穩(wěn)定、應(yīng)力指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，溢流壩段加固方案安全可靠。

表4 加固后大壩穩(wěn)定性分析成果表

表5 加固后溢流壩應(yīng)力計(jì)算成果表

3.2.2 防滲面板

受當(dāng)時(shí)歷史條件的限制和工程技術(shù)水平的制約，防滲心墻等部位混凝土標(biāo)號(hào)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；混凝土澆筑質(zhì)量差，局部存在蜂窩麻面；壩體漿砌塊石砌筑砂漿不飽滿，密實(shí)性差，砌體容重達(dá)不到規(guī)范要求。根據(jù)大壩運(yùn)行幾十年情況來看，大壩滲漏十分嚴(yán)重，大壩防滲存在安全隱患，必須對(duì)其進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)處理。一般來說，漿砌石壩的防滲主要依靠上游的防滲面板及其壩基的防滲帷幕形成統(tǒng)一的防滲體系，兩者不可或缺。

防滲漏面板的加固補(bǔ)強(qiáng)可以采用以下幾種方法：一是表面貼(或涂、噴)防滲材料。二是外澆新的防滲面板。若采用第一種加固防滲面板的方案其化工材料均存在著不同程度的老化現(xiàn)象，不能永久的保證其加固效果；而第二種方案可以保證施工質(zhì)量，不存在老化問題，結(jié)合老防滲面板可形成雙重的防滲體系，同時(shí)利用新澆筑的面板壩基部位進(jìn)行帷幕灌漿，在壩基亦形成雙重防滲屏障。

大壩上游防滲面板底部厚度根據(jù)規(guī)范要求并考慮施工方便，面板底部厚度為0.5 m，高程189.42 m以上厚度為0.3 m；防滲面板的伸縮縫與原壩體相同，縫間采用橡膠止水?；炷敛牧蠟镃30混凝土，新老面板間設(shè)置φ16錨桿，間距1.0 m，新面板表層設(shè)置φ8@250雙向鋼筋網(wǎng)。

3.2.3 帷幕灌漿

根據(jù)水庫安全鑒定結(jié)果，綜合運(yùn)行多年情況來看，左右壩體與山體相交處有滲漏現(xiàn)象，本次除險(xiǎn)加固擬對(duì)左右壩體進(jìn)行帷幕灌漿。在非溢流壩腳前澆筑2 m寬、1.2 m厚的C30混凝土灌漿平臺(tái)，平臺(tái)中心布設(shè)灌漿孔1排，孔距2.5 m，分兩序鉆灌。

3.2.4 非溢流壩加高

非溢流壩當(dāng)年由于溢洪道寬度不夠，導(dǎo)致大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)不足。由于當(dāng)時(shí)資金不足，不能提高大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)，將溢流壩降低1.8 m，非溢流壩開成臺(tái)階型，增加溢洪道寬度。本次除險(xiǎn)加固經(jīng)過調(diào)洪演算，在現(xiàn)有溢洪道寬度20 m、頂部高程192.04 m的情況下，能滿足大壩200年一遇校核洪水防洪標(biāo)準(zhǔn)。因此，本次設(shè)計(jì)將非溢流壩低于壩頂安全超高195.03 m處，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，恢復(fù)至195.77 m。非溢流壩頂上下游設(shè)φ50 mm鍍鋅欄桿。由于現(xiàn)壩頂年久失修，有多處混凝土開裂現(xiàn)象，本次設(shè)計(jì)澆筑150 mm厚C20鋼筋混凝土。

4 結(jié) 語

根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析計(jì)算，大壩抗滑穩(wěn)定不滿足要求，需進(jìn)行加固處理。大壩穩(wěn)定性加固應(yīng)從兩個(gè)方面著手：一是增加壩體自重。二是減小壩基揚(yáng)壓力。因水庫大壩是漿砌、干砌混合壩，壩體本身是透水的，降低揚(yáng)壓力的可行性不大。因此，本次溢流壩加固結(jié)合壩體上游面設(shè)混凝土防滲面板和陡坡段設(shè)混凝土溢流面增加壩體自重來實(shí)施。大壩外坡的松動(dòng)部位也要拆除修建，導(dǎo)流墻砂漿勾縫，更換閘閥，兩岸山體灌漿處理；對(duì)裂縫進(jìn)行處理，重新澆筑防滲面板和溢流面；對(duì)大壩增加安全監(jiān)測(cè)設(shè)施，及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩長期運(yùn)行中出現(xiàn)的問題和可能危及大壩的安全隱患，定期評(píng)價(jià)大壩的穩(wěn)定性，確保大壩的運(yùn)行安全。同時(shí)，水庫大壩運(yùn)行管理單位也要加強(qiáng)日常工程運(yùn)行維護(hù)管理，為本工程更好地發(fā)揮防洪、發(fā)電等效益創(chuàng)造良好的條件。