漿砌石-混凝土新型組合壩結(jié)構(gòu)加固技術(shù)及應(yīng)用研究
——以深圳市赤坳水庫為例

陳 譽，陽秀春，杜佳鍇，徐夢華*

(1.深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518011；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

不同于新建大壩，對于已建大壩的加固不僅要考慮除險加固后功能或應(yīng)對設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的提高，而且要考慮已有大壩的材料和結(jié)構(gòu)特性，釆用適宜的加固方案，經(jīng)濟(jì)合理、安全高效地實現(xiàn)加固目標(biāo)。它需要結(jié)合已有的壩工建筑物，充分考慮現(xiàn)有工程的地形、地質(zhì)及結(jié)構(gòu)特性等邊界條件，結(jié)合工程除險加固、提標(biāo)改造等新的需求，開展基于現(xiàn)狀施工條件如建筑材料、建設(shè)工期等進(jìn)行的深入分析和研究。

大壩除險加固時，對已建大壩的加高加厚是最為常見的工程措施，加固大壩往往新舊壩體采用不同建筑材料，形成新的大壩類型——不同材料復(fù)合壩[1]。這種壩型由于兼具了2種或以上壩體的特點，在實現(xiàn)預(yù)定功能的基礎(chǔ)上，能夠較好地利用當(dāng)?shù)剌^為經(jīng)濟(jì)、可用的壩體材料，能夠充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)性。組合壩的加固形式在國內(nèi)外均有一定的工程實例[2-11]，國內(nèi)的如位于云南省華坪縣與四川省攀枝花市交界處的觀音巖水電站，該電站左岸為RCC重力壩右岸為心墻堆石壩，兩壩體間由“軟接頭”的形式連接，重力壩可用于泄洪，堆石壩可節(jié)省造價。新疆山口水電站的大壩也是采用混合壩，由心墻土石壩和RCC重力壩組合而成。國外同樣也有不少復(fù)合壩[12-15]，其中美國的普布羅壩就為支墩壩-土石壩的混合壩形式；日本宮川壩也是混凝土壩-心墻土石壩組合壩。在這些組合壩中，混凝土壩既可以作為土石壩中的心墻防滲體，又能起到擋水壩的作用。

本文結(jié)合深圳赤坳水庫實際情況，針對主漿砌石大壩存在的整體抗滑穩(wěn)定安全裕度不足以及左壩肩存在滲漏的問題，提出“漿砌石-混凝土”組合壩的新型大壩結(jié)構(gòu)加固方案，并通過計算分析其技術(shù)可靠性，為大壩加固優(yōu)化設(shè)計提供一種新方案的參考。

1 大壩加固方案

深圳市赤坳水庫(圖1)位于深圳市坪山區(qū)坪山河上游支流金龜水上。赤坳水庫始建于1978年，1983年開始蓄水運行，1985年正式竣工驗收。經(jīng)過30多年的運行，赤坳水庫功能發(fā)生轉(zhuǎn)變。赤坳水庫建庫時主要功能是灌溉、發(fā)電及防洪，現(xiàn)在水庫已轉(zhuǎn)為集防洪、供水、調(diào)蓄為一體的城市供水水庫。

圖1 加固典型橫剖面(mm)

赤坳水庫加固前大壩為漿砌石重力壩，大壩壩高39.1 m，壩長(含溢流壩長)195 m，壩頂高程85.1 m，壩頂寬度4.0 m，壩頂設(shè)置防浪墻，防浪墻頂高程86.1 m，主河槽段基礎(chǔ)位于微風(fēng)化花崗巖層上。根據(jù)赤坳水庫安全鑒定結(jié)論，水庫大壩存在以下問題：主漿砌石大壩整體抗滑穩(wěn)定安全裕度不足，不能滿足作為城市型水庫大壩的安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對水庫下游安全和供水安全都存在一定的風(fēng)險，而且大壩左壩肩存在壩肩滲漏問題。需要通過除險加固措施，提高和確保大壩結(jié)構(gòu)安全。壩址區(qū)呈現(xiàn)對稱河谷，兩邊山體相對渾厚陡峻，不宜完全拆除，因此根據(jù)水利行業(yè)相關(guān)規(guī)范，進(jìn)行加固是有意義和必要的。

庫區(qū)兩岸山體雄厚，右岸坡角50～60°，左岸地形坡度較緩，坡角為25～35°，該河谷呈左緩右陡形態(tài)。壩址區(qū)巖石較為堅硬，左岸壩址區(qū)存在裂隙，但無緩傾結(jié)構(gòu)面，無斷層，無軟弱夾層，壩址地質(zhì)狀況良好。赤坳水庫大壩工程壩址地質(zhì)條件良好，且強(qiáng)風(fēng)化層厚度較薄，巖體均一性較好，兩壩肩未發(fā)現(xiàn)軟弱泥化夾層及對壩肩穩(wěn)定嚴(yán)重不利的結(jié)構(gòu)面組合，仍適宜維持重力壩型式。

由于赤坳水庫工程區(qū)內(nèi)石料場的石料不能滿足已有的漿砌石大壩的加固需求，壩址區(qū)具有較為便利的商品混凝土釆購渠道，且其混凝土骨料質(zhì)量較好，可滿足壩體加固的需求。因此，本文突破常規(guī)釆用物理力學(xué)性能較接近的同種材料加高培厚的水庫大壩加固方式，即采用當(dāng)?shù)剌^為經(jīng)濟(jì)的工程材料混凝土，未采用現(xiàn)狀條件稀缺但與現(xiàn)有壩體物理力學(xué)特性接近的規(guī)整石料砌筑。提出“漿砌石-混凝土”新型組合壩結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)工程的技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)合理性的綜合平衡。

1.1 加固方案一

本方案通過釆用在壩前新建防滲墻，墻體內(nèi)設(shè)廊道，對壩基進(jìn)行帷幕灌漿，新設(shè)排水孔等措施，減少壩體滲漏，減小壩體揚壓力，增加壩體自重，增加壩體抗滑穩(wěn)定。

防滲墻體釆用C30防滲混凝土，墻頂厚1.0 m，凈高39.1 m，墻體上部坡度為1.00∶0.15，57.0～65.0 m高程段坡度為1.0∶0.5。防滲墻底部至57.0 m高程墻厚8.5 m，墻體內(nèi)部設(shè)防滲檢修廊道，廊道尺寸為2.5 m(寬)×3.0 m(高)，廊道釆用矩形結(jié)構(gòu)，廊道底部高程51.0 m，廊道底距基巖面厚5 m，以保證灌漿壓力要求。廊道上游壁距上游側(cè)面距離為3.0 m(約0.08倍作用水頭)，以保證滲徑要求。廊道上游側(cè)設(shè)帷幕灌漿孔2排，孔距3.0 m。下游側(cè)設(shè)排水孔，孔距2.5 m。廊道下游側(cè)設(shè)排水溝，通過排水管道將廊道內(nèi)滲水排至壩體之外。在廊道內(nèi)部新設(shè)壩基揚壓力監(jiān)測設(shè)施，并通過光纜與中控室連接，實現(xiàn)觀測自動化。防滲墻底基礎(chǔ)設(shè)在微風(fēng)化花崗巖層，底高程為46.0 m。

1.2 加固方案二

本方案通過壩肩帷幕灌漿，減小壩肩滲漏。壩后坡釆用C25混凝土墻加厚，增大壩體抗滑力，提高壩體穩(wěn)定性。

1.2.1右壩段加固

右壩段加固典型斷面見圖2。右壩段加固長度為57.0 m，加固后壩頂高程85.1 m，寬度8.0 m，下游加固后為折面型式，折坡點高程為82.24 m。加固高度為16.0～39.1 m，加固墻體釆用C25混凝土結(jié)構(gòu)(表面配溫度筋)。右壩肩20 m范圍內(nèi)采取帷幕灌漿處理，防止壩肩新填土與原有填土之間接觸不密實形成繞壩滲漏。灌漿深度18.20～24.66 m，進(jìn)入中風(fēng)化巖層深度不小于5.0 m。帷幕灌漿采用雙排孔，孔距及排距均釆用2.0 m。

圖2 右壩段加固典型斷面(mm)

1.2.2中間非溢流壩段加固

中間非溢流壩段位于溢流壩左右兩側(cè)，總長度為41.0 m，其中溢流壩右側(cè)長31.0 m，溢流壩左側(cè)長10.0 m。中間非溢流壩段加固高度為39.1 m，加固后壩頂高程85.1 m，寬度8.0 m，下游加固后為折面型式，折坡點高程為82.24 m。 中壩段在58.0 m高程處設(shè)平臺，寬9.69 m。 加固墻體采用C25混凝土結(jié)構(gòu)(表面配溫度筋)。中間非溢流壩段共設(shè)3道變形橫縫，寬20 mm， 縫間填設(shè)聚氨醋嵌縫。加固典型斷面見圖3。

圖3 中間非溢流壩段加固典型斷面(mm)

1.2.3溢流壩段加固

溢流壩段總長度為29.0 m，加固高度為39.1 m，加固后壩頂高程85.1 m，壩頂寬度6.0 m。加固后堰型為WES堰，堰頂高程82.0 m，鼻坎挑角θ為20°，鼻坎頂端高程55.5 m，反弧半徑采用R=16.0 m。溢流堰段采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)采用C25鋼筋混凝土翼墻。

溢流壩段通過聯(lián)通橋與主壩左右段連接，聯(lián)通橋?qū)挾?.0 m，聯(lián)通橋總長29.0 m，共5孔，單孔凈寬5.0 m，中間設(shè)隔墩，隔墩厚度1.0 m。加固典型斷面見圖4。

圖4 溢流壩段加固典型斷面(mm)

1.2.4左壩段加固

左壩段總長度為60.16 m，加固高度為6.0～39.1 m。加固后壩頂高程85.1 m，壩頂寬度8.0 m。下游加固后為折面型式，坡點高程為82.24 m。左壩段釆用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

同時利用排水管通水、分塊澆筑等措施降低混凝土水化熱，防止大體積混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫等問題。由于壩后加固基巖較為堅硬，為減小開挖基巖對現(xiàn)狀壩體的影響，基巖開挖采用靜爆法。左壩肩40 m范圍內(nèi)采取帷幕灌漿處理，加固主壩左壩段與壩基，減小主壩左壩肩與基巖之間的繞壩滲漏。灌漿深度9.95～19.96 m，進(jìn)入中風(fēng)化巖層深度不小于5.0 m。帷幕灌漿釆用雙排孔，孔距及排距均釆用2.0 m。加固典型斷面見圖5。

圖5 左壩段加固典型斷面(mm)

推薦方案二相對推薦方案一來說，在增加抗滑力、增加壩體穩(wěn)定性和減少壩體滲漏的同時，有針對性地設(shè)置了壩肩防滲措施，顯著地減小了壩肩的滲漏，解決了壩肩滲漏較大的問題。因此經(jīng)過比選，選定方案二作為最終方案。按推薦方案二除險加固前后情況見圖6、7。一般情況下，在壩肩滲漏較大的時候，壩后培厚加固法往往更為適用。此外，加固方案的優(yōu)化總投資為17 404萬元，優(yōu)化節(jié)省的投資達(dá)到了8 500余萬元，說明優(yōu)化方案具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

圖6 除險加固前

圖7 除險加固后

另外，本文中新型組合壩由于結(jié)合了2種性能差異明顯的筑壩材料，因此在應(yīng)力以及變形分析時要考慮不同材料接合面的處理，在這一點上，組合壩比較復(fù)雜。

2 加固方案的壩體穩(wěn)定性分析以及滲流評估

2.1 壩體穩(wěn)定性分析

采用4種工況對加固方案的壩體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，4種工況分別為：正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位、正常蓄水位+地震。抗滑穩(wěn)定計算主要核算壩體沿壩基面的滑動穩(wěn)定性，按抗剪強(qiáng)度公式計算：

(1)

式中K——在抗剪強(qiáng)度計算中與抗滑穩(wěn)定相關(guān)的安全系數(shù)；f——壩體材料與壩基接觸面的抗剪摩擦系數(shù)；∑W——壩體上作用的所有荷載(包括揚壓力)相對于滑動平面垂直的法向分量大小，kN；∑P——作用于壩體上所有荷載與滑動平面平行的切向分量大小，kN。

摩擦系數(shù)按最小值0.6，漿砌石壩體容重按最小值2.1 t/m3，計算結(jié)果見表1—4。

表1 方案一非溢流段穩(wěn)定計算

表2 方案一溢流段穩(wěn)定計算

表3 方案二非溢流段穩(wěn)定計算

表4 方案二溢流段穩(wěn)定計算

由表中可知，2種方案在各工況下，均滿足抗滑穩(wěn)定要求，說明加固方案改進(jìn)了抗滑穩(wěn)定性能。

壩體抗滑穩(wěn)定計算選擇典型剖面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算，成果見表5。其中，新型組合壩體抗剪斷系數(shù)fi=0.8，基巖抗剪斷系數(shù)Ci=0.75 MPa，巖體容重為25.51 N/m3，滲壓系數(shù)取0.3。由表中的計算結(jié)果可以看出，在抗滑穩(wěn)定方法計算當(dāng)中，在壩體的左右兩岸，對于“正常水位+溫降”和“設(shè)計洪水+溫升”2種基本組合工況以及校核洪水+溫升的特殊組合工況中，安全系數(shù)均遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的3.0和2.5的允許安全系數(shù)，符合規(guī)范要求。

表5 荷載組合

2.2 滲流評估

2種加固方案最主要的作用是對壩體和壩肩的滲流問題進(jìn)行了處理，因此，新型組合壩的加固方案需要對滲流進(jìn)行評估。本文對2種方案的滲流結(jié)果進(jìn)行了評估，評估結(jié)果見表6。

表6 加固方案的滲流評估

3 結(jié)論與展望

針對赤坳水庫大壩工程特點，提出了一種“漿砌石-混凝土”的組合壩型，討論了組合壩的地形適宜條件，以水利行業(yè)規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，驗算評估了壩體的穩(wěn)定性與防滲能力。

組合壩是一種十分復(fù)雜的壩體，結(jié)合本工程特性開展應(yīng)用與研究，本文只是一種初步的探索，后續(xù)還有待進(jìn)行深入研究。例如，可進(jìn)一步通過有限元計算，分析組合壩的應(yīng)力、變形，以及分析大壩與蓄水之間的流固耦合、地下水滲流與壩基巖體物理力學(xué)特性的耦合以及不同地基條件的地震振動特性效應(yīng)分析等。