那吉佛仔逕水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)分析

范啟儉

(江門(mén)市科禹水利規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司， 廣東 江門(mén) 529000)

1 工程概況

佛仔逕水庫(kù)位于恩平市西南部那吉鎮(zhèn)那西村委會(huì)，距那吉鎮(zhèn)約6.9 km，距恩平中心城區(qū)約22 km。水庫(kù)壩址以上集雨面積4.63 km2，安全鑒定最大庫(kù)容464萬(wàn)m3，灌溉面積333.33 hm2，保護(hù)人口6026人，壩后電站為一級(jí)電站，位于主壩左岸背水坡腳，設(shè)計(jì)年發(fā)電量22 kW時(shí)，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的小(1)型水庫(kù)。屬于Ⅳ等工程，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物、臨時(shí)建筑物級(jí)別為5級(jí)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇。經(jīng)調(diào)洪演算，正常蓄水位196.00 m，相應(yīng)庫(kù)容368萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)洪水位196.42 m(p=3.33%)，相應(yīng)庫(kù)容392萬(wàn)m3；校核洪水位197.62 m(p=0.2%)，相應(yīng)庫(kù)容為464萬(wàn)m3，死水位176.70 m，相應(yīng)庫(kù)容為3萬(wàn)m3。樞紐工程主要建筑物由主壩、副壩、輸水涵管、溢洪道、壩后電站所組成。由于佛仔逕水庫(kù)是興建于1972年，于1976年竣工投入使用，當(dāng)年工程設(shè)計(jì)、施工受各種條件限制，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，施工技術(shù)力量薄弱，配套設(shè)施不完善，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，水庫(kù)主要建筑物均存在不同程度的隱患，影響水庫(kù)安全。2020年對(duì)佛仔逕水庫(kù)進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)，根據(jù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，水庫(kù)被評(píng)為三類(lèi)壩，存在諸多安全隱患，建議對(duì)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

2 水庫(kù)當(dāng)前存在的問(wèn)題

2.1 大 壩

當(dāng)前，佛仔逕水庫(kù)大壩存在的主要問(wèn)題是：主壩壩體填筑土水庫(kù)主壩壩體滲透系數(shù)平均為1.13×10-3cm/s，滲透性能屬中等透水性，壩體存在輕微滲漏問(wèn)題；主壩排水棱體頂部渠道底板存在裂縫，坡腳有清水流出，存在諸多安全隱患[1]。

2.2 溢洪道

溢洪道控制段啟閉架排架旋轉(zhuǎn)樓梯混凝土出現(xiàn)剝蝕、露筋、開(kāi)裂等現(xiàn)象，存在嚴(yán)重安全隱患，溢洪道啟閉機(jī)主要靠人力操作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查啟閉機(jī)啟閉困難，閘門(mén)止水局部老化，閉門(mén)后出現(xiàn)輕微漏水等現(xiàn)象，存在嚴(yán)重的安全隱患。

2.3 輸水涵管

輸水涵管啟閉架卷筒局部發(fā)現(xiàn)裂紋，啟閉用鋼絲繩出現(xiàn)局部銹蝕、壓扁、斷絲等現(xiàn)象，啟閉用鋼筋出現(xiàn)銹蝕，轉(zhuǎn)動(dòng)門(mén)蓋銹蝕、漏水。啟閉室破損，墻體出現(xiàn)裂縫等問(wèn)題，對(duì)水庫(kù)的防洪、灌溉及發(fā)電產(chǎn)生極大的影響。

3 水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)分析

3.1 大壩加固措施

3.1.1 壩體灌漿方案選擇

針對(duì)主壩當(dāng)前存在的問(wèn)題，本次主要對(duì)主壩采用灌漿防滲處理。主壩壩體灌漿在主壩兩側(cè)壩肩采用充填灌漿，壩中采用劈裂灌漿，兩側(cè)壩肩壩基采用帷幕灌漿與全壩段高噴灌漿兩個(gè)加固方案中進(jìn)行對(duì)比，具體如下：

方案一：兩側(cè)壩肩充填灌漿。充填灌漿布置為雙排，終孔孔距為2.0 m。兩側(cè)壩肩進(jìn)行帷幕灌漿，布置成兩排，與充填灌漿鉆孔一致，利用充填灌漿鉆孔，帷幕灌漿深度至壩基線以下5.0 m。 河床段劈裂灌漿沿原壩軸線1排，終孔孔距5.0 m，劈裂灌漿孔深要求進(jìn)入砂質(zhì)黏土層底部。

方案二：高噴灌漿。在距離壩軸線上游端1.5 m處新建一排高壓噴射灌漿防滲墻，在高壓旋噴樁之間采用高壓擺噴樁加密，灌漿深均要求進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖線以下1.0 m。

兩種灌漿方案技術(shù)都比較成熟，均可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且都有大量工程實(shí)例，防滲效果也都比較理想。但是本工程壩體填土含砂量低，高噴灌漿成樁效果不好，相比較高噴灌漿造價(jià)相比較高。

土壩壩體劈裂式灌漿是運(yùn)用壩體應(yīng)力分布規(guī)律，用一定的灌漿壓力，將壩體沿壩軸線方向劈裂，同時(shí)灌注合適的泥漿，形成鉛直連續(xù)的防滲泥墻，從而堵塞漏洞、裂縫或切斷軟弱層，提高壩體的防滲能力，并通過(guò)漿、壩互壓和濕陷，使壩體內(nèi)部應(yīng)力重分布，提高壩體變形穩(wěn)定性。灌漿后壩體密實(shí)度得到提高，滲透系數(shù)降低，背水坡濕潤(rùn)滲水現(xiàn)象消失，壩體滲流量減少。

經(jīng)過(guò)綜合比較，選擇方案一河床段劈裂灌漿、兩側(cè)壩肩充填灌漿+壩基帷幕灌漿方案。

3.1.2 大壩灌漿布置

(1)壩體充填灌漿布置。 充填灌漿范圍右壩肩樁號(hào)0+000～0+021、左壩肩樁號(hào)0+121～0+136。充填灌漿為雙排，上游排布置在距離壩軸線上游側(cè)3.0 m處，下游排布置在距離壩軸線上游側(cè)0.5 m處。充填灌漿終孔孔距為2.0 m。兩側(cè)壩肩共布置鉆孔38個(gè)，其中右壩肩布置鉆孔22個(gè)，左壩肩布置鉆孔16個(gè)。充填灌漿長(zhǎng)度399.98 m。

(2)壩基帷幕灌漿布置。 兩側(cè)壩肩充填灌漿壩段壩基也進(jìn)行帷幕灌漿，布置成兩排，與充填灌漿鉆孔一致，重合部分共用鉆孔。充填灌漿深度至壩基線，帷幕灌漿深度至壩基線以下5.0 m。充填灌漿與帷幕灌漿搭接長(zhǎng)度為2.0 m，先進(jìn)行帷幕灌漿，再進(jìn)行充填灌漿。帷幕灌漿共計(jì)鉆孔長(zhǎng)669.14 m，灌漿長(zhǎng)266.00 m。

(3)壩體劈裂灌漿布置。 河床段劈裂灌漿沿原壩軸線上游側(cè)1.5 m處布置1排，樁號(hào)0+011～0+131，終孔孔距5.0 m，共布25個(gè)孔。劈裂灌漿孔深要求進(jìn)入砂質(zhì)黏土層底部。劈裂灌漿共計(jì)鉆孔長(zhǎng)度426.76 m，灌漿長(zhǎng)度426.76 m。劈裂灌漿與兩側(cè)充填灌漿有部分重合，重合段樁號(hào)先進(jìn)行充填灌漿后進(jìn)行劈裂灌漿。

灌漿施工對(duì)路面造成損壞，因此灌漿完成后對(duì)壩頂軸線上游側(cè)3.25 m寬壩頂路面拆除重建，采用C30混凝土厚0.25 m，重建路面樁號(hào)范圍0+000～0+135。

(4)重建排水棱體頂部灌溉渠道。 主壩排水棱體頂部現(xiàn)狀灌溉渠道滲漏，拆除重建，總長(zhǎng)49.4 m。重建采用C25鋼筋混凝土U形結(jié)構(gòu)，過(guò)水?dāng)嗝娉叽鐬?.0 m×1.2 m(寬×深)，底板、側(cè)墻厚度均為0.3 m。渠道每10 m設(shè)置一道分縫，采用紫銅片止水。

3.1.3 大壩滲流計(jì)算

根據(jù)大壩加固后的實(shí)際情況，本次選擇主壩最大壩高斷面進(jìn)行滲流分析，具體見(jiàn)圖1所示。

圖1 加固后主壩滲流計(jì)算土質(zhì)分層圖示

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)建議，滲透系數(shù)k值采用地質(zhì)報(bào)告建議值，給水度u由程序根據(jù)滲透系數(shù)k和孔隙率n計(jì)算確定，具體計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 滲透系數(shù)的選取

根據(jù)規(guī)范SL 274—2020，滲流按以下工況進(jìn)行計(jì)算：

(1)上游正常蓄水位196.00 m，相應(yīng)下游無(wú)水。

(2)上游設(shè)計(jì)洪水位196.42 m，相應(yīng)下游無(wú)水。

(3)上游校核洪水位197.62 m，相應(yīng)下游無(wú)水。

(4)庫(kù)水位從校核洪水位197.62 m按正常泄洪降至溢洪道堰頂高程192.00 m非穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)線，相應(yīng)下游無(wú)水。

當(dāng)校核洪水位降落到溢洪道堰頂高程時(shí)，水位降落曲線采用500 a一遇調(diào)洪過(guò)程線。校核洪水位為197.62 m，相應(yīng)庫(kù)容為464萬(wàn)m3；堰頂高程192.00 m，相應(yīng)庫(kù)容為193萬(wàn)m3，庫(kù)容差271萬(wàn)m3。根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行控制和調(diào)洪演算，校核洪水位降至堰頂高程時(shí)的降落時(shí)間約為5 h。

本次滲流分析采用南京水準(zhǔn)科技有限公司研發(fā)的“AutoBANK7.7”軟件，計(jì)算方法采用有限元法。加固后大壩各工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 主壩加固后滲流計(jì)算成果

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果得知，大壩經(jīng)過(guò)加固后，其滲流量比加固之前大幅度降低，各工況出逸點(diǎn)高程均位于壩體反濾排水體內(nèi)，加固后的大壩滲流量能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求[2]。

3.1.4 大壩穩(wěn)定計(jì)算

在主壩壩體壩基進(jìn)行填充灌漿后，還需復(fù)核加固后的壩坡穩(wěn)定性。一般計(jì)算斷面會(huì)選擇大壩最大壩高斷面進(jìn)行分析。

根據(jù)規(guī)范SL 274—2020，壩體抗滑穩(wěn)定復(fù)核采用簡(jiǎn)化畢肖普法。穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算如公式(1)：

(1)

式中：W為土條重量，kN；V為垂直地震慣性力(向上為負(fù)，向下為正),kN；α為條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角,(°)；u為作用于土條底面的孔隙壓力,kN/m；b為土條寬度，m；φ′為有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，土條底面的內(nèi)摩擦角，(°)；c′為有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，土條底面的凝聚力，kPa；R為圓弧半徑,m；Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩，kN·m。

大壩壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算主要復(fù)核以下工況：

(1)正常運(yùn)用條件：1/3壩高水位(相應(yīng)下游無(wú)水)穩(wěn)定滲流的上游坡。

(2)正常運(yùn)用條件：上游正常蓄水位196.00 m(相應(yīng)下游無(wú)水)穩(wěn)定滲流下的上下游壩坡。

(3)正常運(yùn)用條件：上游設(shè)計(jì)洪水位196.42 m(相應(yīng)下游無(wú)水)穩(wěn)定滲流下的上下游壩坡。

(4)非常運(yùn)用條件Ⅰ：上游校核洪水位197.62 m(相應(yīng)下游無(wú)水)穩(wěn)定滲流下的上下游壩坡。

(5)非常運(yùn)用條件Ⅰ：庫(kù)水位從校核洪水位197.62 m按正常泄洪降至堰頂高程192.00 m的壩體非穩(wěn)定滲流的上游坡。

壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用南京水準(zhǔn)科技有限公司研發(fā)的“AutoBANK7.7”軟件，用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算穩(wěn)定滲流期以及非穩(wěn)定滲流期壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。成果見(jiàn)表3。

表3 壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)成果

根據(jù)壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果看出，加固后大壩在各種工況下，大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

3.2 溢洪道加固設(shè)計(jì)

針對(duì)溢洪道所存在的安全隱患，本次加固設(shè)計(jì)計(jì)劃拆除原啟閉架，重建啟閉室并將閘門(mén)更換為平板鋼閘門(mén)，拆除重建檢修平臺(tái)。

將中墩交通橋上游側(cè)拆除至現(xiàn)狀溢洪道底板高程192.00 m，兩側(cè)邊墩交通橋上游側(cè)拆除至197.65 m高程，拆除長(zhǎng)度均為4.30 m。然后植入錨筋，澆筑C30混凝土至200.65 m高程。

設(shè)置兩層檢修平臺(tái)，底層橋面高程198.15 m，頂層與路面齊平，橋面高程為200.65 m。

現(xiàn)狀閘墩及底板新開(kāi)鑿閘門(mén)槽，埋設(shè)預(yù)閘門(mén)埋件后回填C30混凝土。更換平板鋼閘門(mén)2扇，尺寸均為3.0 m×4.3 m(長(zhǎng)×高)。

重建上部啟閉室，啟閉室地面高程為206.95 m，啟閉室內(nèi)設(shè)置啟閉機(jī)，一門(mén)一機(jī)，采用2臺(tái)QPQ1×12 t固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)。

為避免開(kāi)挖影響現(xiàn)狀路面，在兩側(cè)邊墩后采用拉森Ⅳ型鋼板樁防護(hù)，鋼板樁總長(zhǎng)6.0 m，入土深度4.0 m，支護(hù)深度2.0 m。左右兩側(cè)鋼板樁支護(hù)長(zhǎng)度均為8.4 m[3]。

3.3 輸水涵管加固設(shè)計(jì)

針對(duì)輸水涵管啟閉機(jī)存在的問(wèn)題，本次加固設(shè)計(jì)主要進(jìn)行下列內(nèi)容：

(1)更換涵管啟閉機(jī)，重建涵管啟閉房。

(2)重建涵管啟閉房，面積2.5 m×2.5 m，啟閉房?jī)?nèi)設(shè)5 T手動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)兩臺(tái)。

(3)沿輸水涵管中心線兩側(cè)在壩體各布置一排充填灌漿，距離涵管2.0 m，終孔孔距為2 m，梅花型布置，共布置有30個(gè)孔，以進(jìn)入砂質(zhì)黏土2 m 控制。涵管兩側(cè)充填灌漿共計(jì)鉆孔567.38 m，灌漿長(zhǎng)567.38 m。

4 結(jié) 論

本次除險(xiǎn)加固工程是結(jié)合佛仔逕水庫(kù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要對(duì)主壩壩體、壩基進(jìn)行灌漿防滲處理，排水棱體頂部灌溉渠道底板拆除重建；拆除開(kāi)裂、銹蝕的啟閉架，重建啟閉室與檢修平臺(tái)；更換啟閉機(jī)，重建涵管啟閉房等。水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程實(shí)施完成后，水庫(kù)一直存在的安全問(wèn)題得到解決，不僅提升了水庫(kù)的防洪、灌溉、發(fā)電能力，同時(shí)還保障灌區(qū)人們的生活用水與安全，且取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。