粘土心墻壩除險加固技術方案及要點研究

秦俊輝

摘 要：我國水資源豐富，但河流湖泊空間、時間分布方面，各地區(qū)存在極大差異，且人均占有量遠低于世界平均水平。為了起到防洪、供水、發(fā)電、灌溉等作用，我國從20世紀50年代起開始大興水利，水利工程數(shù)量直線攀升。隨著運行服役時間的增加，大量早期修建的水庫大壩工程出現(xiàn)了不同程度的病害問題，甚至對水庫功能的正常發(fā)揮造成了影響，不利于運行管理。為此，結合具體案例，在全面了解水庫大壩病險問題的基礎上，提出了兩種不同的加固方案，最終確定拆除重建防浪墻，以此保證大壩運行正常、穩(wěn)定、安全。

關鍵詞：水庫大壩；除險加固；粘土心墻壩；防浪墻

中圖分類號：TV233.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）01-0121-03

1 工程概況

某水庫工程興建于20世紀60年代，水庫主要組成包括攔河壩、溢洪道及輸水洞。在運行服役過程中，因為汛期沖刷嚴重，大壩出現(xiàn)了病險問題，需進行水庫加固施工。本文主要針對大壩壩體方面進行加固研究。經地質調查報告顯示，案例水庫地處中低山區(qū)，屬于侵蝕山地，區(qū)域巖性以前震旦系Z2g3深灰色白云巖。根據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖相關標準，本地區(qū)地震動峰加速度為0.05 g，VI度為相應水庫區(qū)域及壩址地震基本烈度[1]。

2 水庫大壩病險問題

在本水庫大壩工作當中，壩體以土石壩為準，屬于粘土心墻壩，240 m長，壩頂高程98.80 m。防浪墻設于上部，分為上、下兩部分，其中漿砌石結構為上部，混凝土結構為下部。防浪墻頂高程99.5 m，相比壩頂高度，防浪墻定高程多出0.7 m，壩頂寬度4 m，壩頂設土道。經檢驗，當前大壩上下游坡比分別為1∶2.7、1∶2.0，粘土心墻底寬、上寬分別為3.5 m、1.0 m，當前壩頂高程97.1 m。根據(jù)病險調查研究發(fā)現(xiàn)，目前主要存在的問題包括以下6方面。

第一，大壩設防浪墻，且其下部屬于混凝土結構，1.7 m為防浪墻下部墻高，并有齒槽插入心墻設置，其尺寸為0.5×0.5 m。根據(jù)上述分析，防浪墻屬于兩個不同結構設置，漿砌石結構為上部，墻高0.7 m。在施工過程中，布設時需要錯開進行上下兩部分墻體布設，因此，在結合方面，緊密性不足，防浪墻占壩頂1.5 m，壩頂有效寬度較小，僅為2.5 m。

第二，原有設計當中，98.8 m為壩頂高程，但目前來看，部分壩頂高程有所下降，僅為97.1 m。

第三，上游壩坡屬于塊石護坡，在施工過程中，多數(shù)塊石直徑不足，規(guī)整性較差，無法達到設計要求，且當前墊層不完整，差不多已被掏空。正常水位時，很多塊石松散、外翻嚴重。

第四，壩坡下游部分，屬于碎石護坡，水流長期沖刷，將會影響壩坡質量，甚至會出現(xiàn)水土流失，導致坡面起伏大。

第五，局部存在滲漏情況，大壩左岸壩坡與溢洪道右邊墩結合位置最為嚴重。

第六，下游壩腳位置未見排水體，對于滲流穩(wěn)定不利，將會對壩坡穩(wěn)定性造成不利影響。

經病險復核計算與分析，在本大壩壩體工程當中，存在以下問題：防浪墻位置不當，上下游壩坡存在塊石風化、碎石厚度不均等問題，局部滲漏[2]。

3水庫大壩壩體加固方案

針對本工程攔河壩病險加固施工，結合工程量、工程投資兩大因素，制定了兩種不同的加固施工方案，以此擇優(yōu)利用。

方案1是將原防浪墻拆除，并新建防浪墻于接近上游壩肩位置。具體施工方案當中，先全部拆除大壩壩體的原有防浪墻，隨后將新的防浪墻建設到接近大壩上游壩肩位置，4 m為壩頂寬度。表1為壩體加固方案具體工程量及投資情況。

方案2是進行大壩加寬培厚施工。根據(jù)大壩實際情況，對于壩頂部位加寬處理，加寬至1.5 m，隨后進行下游壩坡培厚處理。表2為壩體加固方案具體工程量及投資情況。

根據(jù)上述表1、表2可知，在加固方案1當中，拆除工程和新建工程的總投資額為15.41萬元，加固方案2當中，總投資額為28.75萬元，相差較大。同時，在工程量方面，方案1工程量也遠遠低于方案2。因此，在大壩除險加固施工中，應選擇方案1。

根據(jù)大壩病險調查發(fā)現(xiàn)，局部存有滲漏現(xiàn)象，且大壩左岸壩坡與溢洪道右邊墩結合位置最為嚴重，因此，在施工方案制定時，注重溢洪道右邊墩到大壩樁號（0+040.00）斷面開挖情況，應開挖到強風化巖層，同時，將混凝土插入墻設于中間，頂寬、底寬分別為400、700 mm。下面位置進行帷幕灌漿，6 m為灌漿深度，2 m為相鄰灌漿孔間距。

4 水庫大壩壩體加固要點

4.1 壩頂高程

根據(jù)相應公式，在確定及計算出靜水位、壅水高、波浪爬高、安全加高、壩頂超高等參數(shù)后，針對設計加正常運用超高（A）、正常加正常運用超高（B）、正常加非正常運用超高（C）、校核加非正常運用超高（D）四種情況下，進行壩頂高程及防浪墻高程的確定，如表3所示。

根據(jù)上述分析，設計以最大值為準，98.73 m為防浪墻頂高程，相比原設計當中，98.80 m為壩頂高程，為了保證施工質量，想要滿足設計要求，最終以99.50 m為防浪墻頂高程，方可達到設計高程標準規(guī)定。

4.2 壩體穩(wěn)定性

在本大壩工程當中，原設計以粘土心墻壩為準，其中壩頂高程、壩頂寬及壩長分別為98.80 m、2.57 m、240 m。在設計中，為了確保壩體穩(wěn)定，需要了解筑壩材料的強度大小，根據(jù)要求，本工程中所采用的筑壩材料包括黏土心墻、壩體風化砂、壩基砂質粉土及砂礫石等。主要技術參數(shù)情況如表4所示。

針對滲流穩(wěn)定，計算時應嚴格按照達西定律，根據(jù)達西定律建立方程式確定透水地基上心墻土壩正常高水位穩(wěn)定滲流秦潤線[3]。基巖計算時，可根據(jù)不透水層分析，由于具有偏高的浸潤線，安全較高。

在計算時，下游壩坡逸出點的情況中滲透系數(shù)及各層厚度如表5所示。經達西定律建立方程計算，可獲取浸潤線和大壩單寬河槽滲流量等結果，在心墻下游側浸潤線高程及排水建筑物的逸流高程分別為90.35 m、86.56 m，根據(jù)計算可得，壩體日滲流量為8.4 m?/d。通過壩體浸潤線計算分析，在排水棱體內的下游壩坡逸點，能夠符合滲流穩(wěn)定規(guī)定。

4.3 邊坡穩(wěn)定性

按照土壩規(guī)定，壩體邊坡穩(wěn)定計算時，壩體抗滑穩(wěn)定可通過瑞典圓弧法進行計算分析。根據(jù)方案1要求，新加固方案當中，大壩斷面是在原有基礎上，加快壩頂至4 m，上下游坡比分別為1∶2.7、1∶2.0。當壩坡穩(wěn)定的工況條件中，結合正常蓄水位，可得出設計和校核蓄水位，如表6所示。

按照瑞典圓弧法計算壩體壩坡穩(wěn)定，分為正常運用和非正常運用兩種工況條件，所得結果如下。

正常運用工況分為4類，一類設計供水位上游壩坡穩(wěn)定，經計算該工況下安全系數(shù)為1.46；二類正常高水位條件下，所形成的浸潤線下游壩坡穩(wěn)定時，通過計算可得安全系數(shù)為1.48；三類設計洪水位，下降到堰頂上游壩坡，且穩(wěn)定，可得安全系數(shù)為1.39；四類設計洪水位與下游尾水位相對應時，下游邊坡穩(wěn)定工況下，可得安全系數(shù)為1.45。針對上述四類正常運用工況條件，安全系數(shù)在1.39～1.48之間，相比規(guī)范要求≥1.25，不同工況下壩坡穩(wěn)定性良好，均可滿足規(guī)范要求。

非正常運用工況同樣分為4類，一類校核水位上游壩坡穩(wěn)定，經計算分析，安全系數(shù)為1.55；二類校核水位下降，降到堰頂上游壩坡，且穩(wěn)定，經計算安全系數(shù)為1.26；三類校核洪水位條件下，下游最高水位情況下下游壩坡穩(wěn)定，其安全系數(shù)為1.39，上述三類非正常運用工況下，安全系數(shù)范圍為1.26～1.55，相比規(guī)范要求≥1.15，均可滿足規(guī)定。四類為正常運用條件下，下游坡遇到地震時，可得安全系數(shù)為1.35，相比規(guī)定要求≥1.10，可滿足要求。

4.4 大壩護坡拆除

由于壩體沉降、水位變化、水流沖刷等因素，大壩上游塊石護坡平整度較差，正常蓄水位上方，經常會產生塊石翻動、風化等問題。此次大壩加固施工，需要先清除壩坡上嚴重風化的塊石，隨后進行混凝土澆筑，厚度約100 mm，并合理控制澆筑范圍。

4.5 下游碎石護坡

本水庫大壩工程運行服役時間較長，針對下游壩坡存在的問題，加固時可鋪設一層碎石護坡，厚度為10 cm。

4.6 防浪墻

拆除原有防浪墻之后，根據(jù)設計規(guī)定，需重新進行防浪墻施工。要求新建防浪墻的頂高程、底高程及墻厚分別設置為99.5 m、97.10 m、0.25 m，并以L型擋墻為防浪墻結構形式。

4.7 下游排水體

針對下游排水體設置，可采用卵礫石暗排水體，通過土工反濾布（300 g/m2）反濾，并填筑塊石與砂墊層，厚度均為200 mm。

4.8 上壩路

根據(jù)以往經驗及工程實際情況，原有工程上壩路設計已無法滿足規(guī)定要求，無法確保汛期搶險的安全性[4]。針對這種情況，要求重新在大壩右端進行道路修建，結合工程建設實際，道路長度及路面寬度分別為1.7 km、6 m，并設碎石路面150 mm，為保證道路施工安全及排水暢通，可將混凝土排水溝設于道路接近山側。

5結語

水是最不可或缺的物質基礎，是生命之源，是其他產業(yè)及人民大眾生活的基礎物資。本文以水庫粘土心墻壩除險加固為研究對象，在全面了解病險問題的基礎上，提出了先拆除原防浪墻，后重新建設的加固方案，經計算及檢驗分析，該方案施工效果良好，可滿足加固施工要求。

參考文獻

[1] 曾小芳.基于大壩綜合評價指標的中型水庫除險加固設計方案優(yōu)化[J].內蒙古水利，2021（4）：35-37.

[2] 魯娜.淺析加馬鐵熱克水庫大壩除險加固設計與施工分析[J].黑龍江水利科技，2019，47（7）：256-258.

[3] 費強.上年水庫除險加固工程設計[D].沈陽：沈陽農業(yè)大學.2021.

[4] 楊杰，江德軍，鄭成成，等.病險水庫除險加固方案決策研究[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2014（11）：213-219.