福山源水庫(kù)漿砌石重力壩加固設(shè)計(jì)

徐 晶

(撫州市水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 江西 撫州 344000)

1 工程概況

福山源水庫(kù)位于撫州市黎川縣東南方向社蘋(píng)鄉(xiāng)，距社蘋(píng)鄉(xiāng)政府所在地2 km，距縣城約20 km。坐落在撫河水系黎灘河支流社蘋(píng)河上，壩址以上控制流域面積10.9 km2，水庫(kù)總庫(kù)容274萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)灌溉面積333.3 hm2，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的小(1)型水庫(kù)。

樞紐工程主要建筑物有大壩、灌溉放空隧洞、壩內(nèi)發(fā)電引水管等。其中大壩為砌石重力壩，由溢流壩段和非溢流壩段組成，大壩總長(zhǎng)70.0 m。

溢流壩段布置在河床中部，為漿砌石重力壩，最大壩高24.8 m，堰頂高程為114.4 m。溢流壩段頂部?jī)魧?0 m，底部?jī)魧?5 m。溢流壩采用壩頂無(wú)閘控開(kāi)敞式自由泄流，溢流堰為實(shí)用堰，堰頂上游為1∶0.37斜坡，下游為克奧曲線?？藠W曲線與直線段相切，直線段坡比為1∶1。溢洪道出口為連續(xù)式挑流消能，挑射角θ=31.7°，反弧半徑R=3.14 m。溢流堰頂至鼻坎高差為11.3 m, 鼻坎高程為103.1 m。溢流壩及非溢流壩設(shè)導(dǎo)水墻。

非溢流壩布置在左、右岸，與岸坡相接，非溢流壩總長(zhǎng)40.0 m，左岸非溢流壩長(zhǎng)8.5 m，右岸非溢流壩長(zhǎng)31.5 m(其中漿砌石重力壩長(zhǎng)14.0 m，土壩長(zhǎng)17.5 m)，壩頂高程118.4 m，壩頂寬3.5 m，最大壩高19.8 m。上游坡比1∶0.34，下游坡比1∶0.6。

根據(jù)大壩現(xiàn)場(chǎng)安全檢查和各項(xiàng)復(fù)核、分析評(píng)價(jià)及安全鑒定結(jié)論，大壩存在以下問(wèn)題：大壩上游面混凝土護(hù)岸與壩體混凝土防滲面板接觸部位防滲面板局部破裂，局部存在滲漏通道；帷幕灌漿質(zhì)量較差，左、右岸壩肩存在滲漏通道。

2 大壩加固處理

2.1 大壩加固設(shè)計(jì)內(nèi)容

大壩加固設(shè)計(jì)主要內(nèi)容為：對(duì)大壩壩基進(jìn)行帷幕灌漿處理；對(duì)溢流壩段壩體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理；溢流堰面新增C25混凝土溢流堰面；拆除重建左岸非溢流壩體8.5 m，并向左側(cè)延伸，新建左岸非溢流壩體12.5 m，拆除重建右岸非溢流壩體31.5 m，加固后左右岸非溢流壩總長(zhǎng)為52.5 m，壩頂寬4.0 m；對(duì)大壩上游兩側(cè)山體采用C20混凝土擋墻分級(jí)進(jìn)行防護(hù)。

2.2 大壩防滲加固處理

2.2.1 壩基(肩)防滲處理

根據(jù)野外鉆探情況，ZK4鉆探至孔深5.4 m時(shí)，鉆孔無(wú)返水；鉆探至孔深5.7～9.1 m時(shí)，出現(xiàn)掉鉆。初步判斷為左壩肩存在繞壩滲漏通道，在滲流作用下全風(fēng)化巖層中的土狀、砂狀顆粒物被帶走、流失形成空洞所致。右壩肩ZK1鉆探至孔深10.0～11.8 m時(shí)，ZK2鉆探至孔深14.2～14.8 m時(shí)，鉆進(jìn)速度快，初步判斷為巖層破碎所致。

從工程整體安全考慮，本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)需挖出兩壩肩上部全-強(qiáng)風(fēng)化層，重建壩體，并對(duì)下部進(jìn)行帷幕灌漿處理[1]。

帷幕灌漿采用單排孔布置，分三序施工，終孔間距3 m，總布孔40孔；帷幕灌漿應(yīng)深入相對(duì)不透水層5 m以下，灌漿水泥標(biāo)號(hào)為R32.5級(jí)普通硅酸水泥，灌漿孔孔斜率不大于3%，灌漿后巖體的單位吸水率q≤5 Lu。

2.2.2 大壩壩體處理

大壩為漿砌石重力壩，采用混凝土防滲面板進(jìn)行防滲，2021年5月26日福山源水庫(kù)大壩右岸下游側(cè)發(fā)現(xiàn)漏水點(diǎn)。初步分析為混凝土防滲面板局部破裂，壩體砌筑質(zhì)量差，局部存在滲漏通道，是出現(xiàn)漏水的主要原因，為確保大壩運(yùn)行安全，有必要對(duì)大壩防滲進(jìn)行處理。

根據(jù)野外鉆探情況，ZK4鉆探至孔深5.40 m時(shí)，鉆孔無(wú)返水；鉆探至孔深5.7～9.1 m時(shí)，出現(xiàn)掉鉆。初步判斷為左壩肩存在繞壩滲漏通道，在滲流作用下全風(fēng)化巖層中的土狀、砂狀顆粒物被帶走、流失形成空洞所致。右壩肩ZK2鉆孔上部為人工填土，深度為5.1 m，ZK1鉆探至孔深10.0～11.8 m時(shí)，ZK2鉆探至孔深14.2～14.8 m時(shí)，鉆進(jìn)速度快，初步判斷為巖層破碎所致。

設(shè)計(jì)拆除重建左岸非溢流壩體8.5 m，并向左側(cè)延伸，新建左岸非溢流壩體12.5 m；拆除重建右岸非溢流壩體31.5 m，其中加固后左岸非溢流壩段長(zhǎng)21.0 m，右岸非溢流壩段長(zhǎng)31.5 m，非溢流壩段總長(zhǎng)52.5 m。

加固后非溢流壩段壩基采用C20混凝土襯砌，坐落在弱風(fēng)化層，并采用固結(jié)灌漿進(jìn)行處理，灌漿孔間排距3 m，孔深6 m。上游壩面采用C25混凝土防滲面板，面板厚50～82 cm。下游壩面采用M10漿砌C15混凝土預(yù)制塊。壩頂設(shè)鍍鋅銅欄桿。

2.3 大壩補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理

大壩由非溢流壩段和溢流壩段組成，2021年5月，大壩出現(xiàn)險(xiǎn)情，為了大壩的安全，設(shè)計(jì)主要考慮增壩體加自重及降低揚(yáng)壓力的辦法對(duì)大壩抗滑穩(wěn)定進(jìn)行加固處理，初擬定兩種處理方案進(jìn)行比較。

2.3.1 大壩抗滑穩(wěn)定加固方案比選

方案一：對(duì)大壩進(jìn)行拆除重建，使其容重達(dá)到設(shè)計(jì)值，并加厚壩體，使其能滿足抗滑穩(wěn)定要求。

方案二：對(duì)壩體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿，使其容重加大，提高壩體密實(shí)性與完整性。

經(jīng)過(guò)對(duì)加固方案進(jìn)行比較，方案一相當(dāng)于拆除現(xiàn)有大壩進(jìn)行重建，耗資巨大，且施工期較長(zhǎng)，施工相對(duì)較困難；方案二對(duì)壩體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿，工程投資少，進(jìn)度快，施工簡(jiǎn)單。故本次推薦采用方案二。

2.3.2 大壩補(bǔ)強(qiáng)灌漿加固設(shè)計(jì)

本次大壩除險(xiǎn)加固，對(duì)壩體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿[2-3]，使其容重增加，提高壩體密實(shí)性與完整性。

壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿平行壩軸線布置4排孔，各排鉆孔錯(cuò)開(kāi)呈梅花型布置，兩排孔布置于溢流壩堰頂，兩排孔布置于挑流鼻坎處，施工時(shí)先拆除砌體表面形成一平臺(tái)后再進(jìn)行灌漿，各排灌漿孔錯(cuò)開(kāi)成梅花布置，分一序、二序進(jìn)行分序灌漿，兩序灌漿結(jié)束后再到中間打孔進(jìn)行檢測(cè)，直至壩體灌漿充實(shí)為止。灌漿材料為水泥砂漿，灌漿壓力應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，一般不得小于0.2 MPa。

2.4 溢流壩段溢流堰改造

溢流壩段設(shè)在大壩中間，長(zhǎng)30 m，為壩頂開(kāi)敞式溢流，原設(shè)計(jì)為WES型堰面，本次加固在挑流鼻坎處進(jìn)行壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿，故將挑流鼻坎反弧段進(jìn)行拆除，清理出臺(tái)階式灌漿平臺(tái)，灌漿后需恢復(fù)挑流鼻坎反弧段?；謴?fù)后的堰體采用C25混凝土，與灌漿平臺(tái)結(jié)合。挑流鼻坎反弧半徑R=7.4 m，反弧底高程104.2 m，挑射角θ=21.30°，挑流鼻坎頂坎高程104.7 m，加高C25混凝土導(dǎo)墻頂高程為107.6 m。

由于原挑流鼻坎底部現(xiàn)狀為巖石，經(jīng)過(guò)多年溢流時(shí)對(duì)壩腳的沖刷，在壩腳位置已形成沖坑，設(shè)計(jì)對(duì)大壩壩下沖坑采用C25混凝土襯砌，襯砌頂高程93.8 m，外坡為1∶2。

2.5 非溢流壩段改造

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告描述，左壩肩全～弱風(fēng)化上部基巖，具中等透水性，弱風(fēng)化下部及以下基巖裂隙不發(fā)育，巖體較完整, 具弱透水性；右壩肩全～弱風(fēng)化上部基巖，具中等透水性，弱風(fēng)化下部及以下基巖裂隙不發(fā)育，巖體較完整, 具弱透水性。

故設(shè)計(jì)將非溢流壩段漿砌塊石壩體及上部土層均挖除，拆除重建左岸非溢流壩體8.5 m，并向左側(cè)延伸，新建左岸非溢流壩體12.5 m；拆除重建右岸非溢流壩體31.5 m，其中加固后左岸非溢流壩段長(zhǎng)21.0 m，右岸非溢流壩段長(zhǎng)31.5 m，非溢流壩段總長(zhǎng)52.5 m。

加固后非溢流壩段壩體為C20混凝土結(jié)構(gòu)，壩頂寬4 m，兩側(cè)設(shè)鍍鋅銅欄桿，上游設(shè)C25混凝土防滲面板，面板厚50～82 cm，坡比為1∶0.37，下游設(shè)C15預(yù)制塊鑲面，坡比為1∶0.65，壩基采用C20混凝土襯砌，坐落在弱風(fēng)化層，并采用固結(jié)灌漿進(jìn)行處理，灌漿孔間排距3 m，孔深6 m。

重建非溢流壩時(shí)，在壩體埋設(shè)預(yù)制無(wú)砂混凝土排水管，排水管孔距3.0 m，排距3.5 m。

2.6 大壩上游兩側(cè)山體加固處理

大壩右側(cè)護(hù)岸處頂部局部沉陷；大壩右側(cè)護(hù)岸下部漿砌擋墻局部塊石松動(dòng)掉塊，局部墻頂壓頂凸起、開(kāi)裂。

由于設(shè)計(jì)加固對(duì)左右岸非溢流壩段進(jìn)行拆除重建處理，且左右岸護(hù)岸也出現(xiàn)險(xiǎn)情，故設(shè)計(jì)將上游兩側(cè)山體護(hù)岸進(jìn)行加固處理。

左岸現(xiàn)狀護(hù)岸進(jìn)行拆除重建處理，采用C20混凝土重力式擋墻對(duì)岸坡進(jìn)行分級(jí)防護(hù)，共分四級(jí)防護(hù)，擋墻頂寬1.0 m，高4.5 m，內(nèi)坡為1∶0.2，外坡為1∶0.4，基礎(chǔ)深0.7 m，下設(shè)0.1 m 厚C15混凝土墊層。

右岸現(xiàn)狀護(hù)岸質(zhì)量較好，本次僅對(duì)右岸護(hù)岸底部及新建灌漿平臺(tái)破壞部分就行修復(fù)，采用C20混凝土重力式擋墻進(jìn)行加固，擋墻頂寬1.0 m，高4.5 m，內(nèi)坡為1∶0.2，外坡為1∶0.4，基礎(chǔ)深0.7 m，下設(shè)0.1 m厚C15混凝土墊層。

3 大壩加固后安全復(fù)核

3.1 大壩滲流評(píng)價(jià)

溢流壩段現(xiàn)狀已有防滲面板且質(zhì)量較好，非溢流壩段新建防滲面板，并使防滲面板混凝土抗?jié)B標(biāo)號(hào)達(dá)到W6以上，真正起到防滲面板防滲效果，對(duì)壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿，增加了壩體密實(shí)性，同時(shí)采用帷幕灌漿對(duì)壩基及壩肩滲漏進(jìn)行處理。因此，通過(guò)本次加固設(shè)計(jì)，基本上解決了大壩的滲漏隱患。

3.2 溢流壩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

通過(guò)對(duì)溢流壩進(jìn)行加固，溢流壩抗滑穩(wěn)定得以很大改善，新增防滲面板、壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿、增重了壩體容重，計(jì)算大壩抗穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)對(duì)壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿，增大了壩體容重。計(jì)算結(jié)果如表1、表2。

表1 溢流壩段抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

表2 溢流壩壩基面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從表1、表2可知：加固后溢流壩壩體截面在各種工況下均能滿足抗滑穩(wěn)定要求，加固后溢流壩段均為壓應(yīng)力，最大值為411.08 kPa，小于壩體及基巖容許承力，滿足要求。

3.3 非溢流壩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

通過(guò)對(duì)非溢流壩進(jìn)行拆除重建，重建后非溢流壩采用C20混凝土壩體，新增防滲面板、壩基進(jìn)行帷幕及固結(jié)灌漿，加固后壩體容重取2.4 t/m3。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 非溢流壩段抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

表4 非溢流壩壩基面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從表3、表4可知：加固后非溢流壩壩體截面在各種工況下均能滿足抗滑穩(wěn)定要求，加固后非溢流壩段均為壓應(yīng)力，最大值為466.06 kPa，小于壩體及基巖容許承力，滿足要求。

3.4 消能防沖復(fù)核

溢流壩段下游為連續(xù)式挑流鼻坎消能，挑流鼻坎反弧半徑R=7.40 m，反弧底高程104.20 m，挑射角θ=21.30°，坎頂高程104.70 m，下游河床高程93.30 m。

本次復(fù)核分別計(jì)算200 a一遇、30 a一遇及20 a一遇洪水時(shí)消能防沖，復(fù)核計(jì)算采用《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2018)挑流消能公式：

(1)挑流水舌外緣挑距可按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：L為水舌拋距，m；g為重力加速度，m/s2；v1為坎頂水面流速，m/s；可按鼻坎處平均流速v的1.1倍計(jì)，即v1=1.1v;θ為鼻坎挑角，(°)；h1為坎頂垂直方向水深，m，h1=hcosθ(h為坎頂平均水深)；h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差，m。

(2)最大沖坑水墊厚度按式(2)：

tk=kq0.5H0.25

(2)

式中：tk為最大沖坑處水墊厚度，m；q為單寬流量，m3/(s·m)；H為上下游水位差，m；k為沖坑系數(shù)，取1.0。

表5 挑流消能計(jì)算成果

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)福山源水庫(kù)漿砌石重力壩存在的險(xiǎn)情，選擇大壩加固設(shè)計(jì)方案，并對(duì)加固后的大壩滲流、穩(wěn)定、應(yīng)力，以及消能防沖進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定。本文總結(jié)了一套漿砌石重力壩除險(xiǎn)加固的設(shè)計(jì)思路和方法，對(duì)同類地區(qū)具有一定借鑒意義。