黃溝水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)研究

賈 明

（洛陽(yáng)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

病險(xiǎn)水庫(kù)經(jīng)加固后，可恢復(fù)或加強(qiáng)水庫(kù)的防洪功能，充分發(fā)揮水庫(kù)的灌溉、發(fā)電、供水、旅游、養(yǎng)殖等綜合效益，并使生態(tài)環(huán)境得到改善。為推動(dòng)新階段水利工程建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展，很多學(xué)者針對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)加固開(kāi)展了相關(guān)研究，并取得了成功經(jīng)驗(yàn)。如荀俊等[1]采用高壓旋噴樁加固白石里水庫(kù)大壩，解決壩體嚴(yán)重滲漏現(xiàn)象；趙明[2]針對(duì)冰溝水庫(kù)大壩現(xiàn)狀的穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核，提出改善大壩滲漏和溢洪道泄流能力不足的加固方案；陳俊宇[3]針對(duì)某水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行分析計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查，提出樞紐建筑物加固方案，解決水庫(kù)的帶病運(yùn)行問(wèn)題；胡偉[4]以北溝水庫(kù)為例，對(duì)大壩、溢洪道、輸水洞采取有效加固措施，使水庫(kù)除險(xiǎn)加固后發(fā)揮正常效益；劉典鵬[5]采用防滲墻+帷幕灌漿的方式進(jìn)行壩體、壩基防滲處理，使水庫(kù)大壩滲漏量顯著降低。本文以黃溝水庫(kù)為例，分析水庫(kù)大壩現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，結(jié)合大壩安全鑒定結(jié)論提出加固方案，可為同類(lèi)型病險(xiǎn)水庫(kù)的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程概況

黃溝水庫(kù)于1958 年4 月開(kāi)工建設(shè)，1959 年5 月竣工，是衛(wèi)星灌區(qū)的結(jié)瓜水庫(kù)。水庫(kù)最大壩高25.5 m，壩頂長(zhǎng)230 m；設(shè)計(jì)總庫(kù)容203.6 萬(wàn)m3，其中興利庫(kù)容151萬(wàn)m3，死庫(kù)容12.5萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)30 a一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)300 a 一遇。水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水工程三部分組成。2012 年黃溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固確定總庫(kù)容116.15萬(wàn)m3，興利庫(kù)容30萬(wàn)m3，死庫(kù)容11.22 萬(wàn)m3；正常蓄水位298.39 m，死水位295.41 m，設(shè)計(jì)洪水位301.47 m，校核洪水位303.99 m。壩頂高程310.0 m。

2 存在問(wèn)題

2012 年黃溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固后，大壩運(yùn)行正常。大壩上游壩坡基本平整，未發(fā)現(xiàn)塌陷、變形、裂縫等現(xiàn)象，外觀總體良好。壩頂路緣埋石混凝土表面光滑平整，分縫合理；壩頂混凝土路面未見(jiàn)塌陷、沉降，整體質(zhì)量良好。但大壩上游平臺(tái)至壩頂護(hù)坡混凝土面板多處塌陷，如圖1 所示。下游壩坡混凝土排水溝及左岸壩肩截水溝混凝土表面光滑，尺寸均一，截（排）水溝總體質(zhì)量較好；壩坡踏步完好。

圖1 大壩上游平臺(tái)至壩頂護(hù)坡混凝土面板多處塌陷

黃溝水庫(kù)大壩存在問(wèn)題為：坡腳排水棱體表面局部塌陷、塊石松動(dòng)，有滲水出逸；大壩下游左壩腳存在滲漏問(wèn)題，并有發(fā)展趨勢(shì)，如圖2 所示。由于無(wú)大壩觀測(cè)設(shè)施，無(wú)法開(kāi)展相應(yīng)的安全監(jiān)測(cè)工作。

圖2 大壩下游左壩腳漏水

3 工程現(xiàn)狀復(fù)核

3.1 壩頂高程

黃溝水庫(kù)樞紐主要建筑物為4 級(jí)，大壩在設(shè)計(jì)情況下安全加高為0.5 m，非常運(yùn)用情況下安全加高為0.3 m。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，壩頂在水庫(kù)靜水位以上的超高按下式確定：

式中：y為壩頂超高（m）；R為最大波浪在壩坡上的爬高（m）；e為最大風(fēng)壅水面高度（m）；A為安全加高（m）。壩頂高程計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1，由表1 可知，水庫(kù)壩頂高程滿足規(guī)范要求。

表1 壩頂高程計(jì)算結(jié)果m

3.2 滲透穩(wěn)定

（1）大壩下游壩坡出逸坡降按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)公式計(jì)算：

式中：m為邊坡系數(shù)；J為出逸坡降。

經(jīng)計(jì)算，大壩下游壩坡出逸坡降為0.398。

（2）滲透破壞臨界水力坡降可由《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)公式計(jì)算：

式中：J0為臨界水力坡降；[J0]為允許坡降；Gs為土粒比重（g/cm3）；n為孔隙率；K為安全系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，管涌破壞允許坡降為0.654，大于大壩下游壩坡出逸坡降0.398，大壩不會(huì)發(fā)生管涌破壞。

（3）黏性土臨界水力坡降由《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)公式計(jì)算：

基上的均質(zhì)土壩計(jì)算大壩滲流量和浸潤(rùn)線[6]。大壩為透水地基上設(shè)棱體排水的均質(zhì)壩，壩高25.5 m，壩頂寬7.5 m，上游壩坡比1∶2.75，下游壩坡比1∶2.3，壩體填筑土滲透系數(shù)取5.63×10-4cm/s。壩體浸潤(rùn)線按下式確定：

式中：a0為排水棱體上游坡腳處浸潤(rùn)線高度（m）；q為單位壩長(zhǎng)滲流量[cm3/（s?m）]；k為滲透系數(shù)（cm/s）；L為滲流區(qū)長(zhǎng)度（m）；x為計(jì)算點(diǎn)至上游面的距離（m）；hx為滲流水深（m）；H為上下游水位差（m）。

經(jīng)計(jì)算，正常蓄水位工況下壩體的單寬總滲流量為0.051 cm3/（s·m），逸出點(diǎn)到下游水面線距離為2.082 m；設(shè)計(jì)洪水位工況下壩體的單寬總滲流量為0.075 cm3/（s·m），逸出點(diǎn)到下游水面線的距離為3.072 m；校核洪水位工況下壩體的單寬總滲流量為0.103 cm3/（s·m），逸出點(diǎn)到下游水面線的距離為4.19 m。從計(jì)算結(jié)果可知，即使在最不利情況下，大壩年滲流量為715 m3，占總庫(kù)容的0.06%，滲漏損失較小。

4 加固設(shè)計(jì)

4.1 壩體充填灌漿

黃溝水庫(kù)大壩壩腳存在滲漏并有發(fā)展趨勢(shì)，存在滲流隱患?，F(xiàn)滲漏點(diǎn)位于大壩原輸水洞附近，2012 年除險(xiǎn)加固時(shí)對(duì)其進(jìn)行了封堵，但存在原輸水管道封堵不嚴(yán)，管周壩體填筑土填筑不密實(shí)，管周?chē)鷰r土與管壁存在滲漏，導(dǎo)致庫(kù)水與原輸水管道周?chē)?/p>

式中：γd為土的干容重（g/cm3）；C為土的凝聚力（kPa）；其余變量含義同上。

經(jīng)計(jì)算，流土破壞的允許坡降為0.479，大于大壩下游壩坡出逸坡降0.398，大壩不會(huì)發(fā)生流土破壞。

（4）水庫(kù)建成運(yùn)用至今未有任何觀測(cè)設(shè)施，大壩浸潤(rùn)線及滲流量沒(méi)有資料可供參考。對(duì)大壩在正常蓄水位298.39 m、設(shè)計(jì)洪水位301.47 m、校核洪水位303.99 m 3 種情況下的滲流進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。在上游各水位情況下，下游無(wú)水，有棱體排水，按不透水地形成滲漏通道，在滲漏處土體不斷被沖刷帶走，造成壩后滲漏量增大，存在安全隱患。

大壩采用水泥黏土漿進(jìn)行充填灌漿，排距2 m，孔距2 m，共布置灌漿孔149 個(gè)，造孔順序先上游后下游，分兩序跳躍式造孔。造孔總尺寸1 976 m，充填灌漿深度1 810 m，灌漿結(jié)束后布置檢查孔12 個(gè)，檢查孔位置根據(jù)施工具體情況確定，充填灌漿孔采用干法鉆孔[7]。充填灌漿分兩序孔灌注，各孔采取自下而上分段灌漿法，每段長(zhǎng)度5 m。

灌漿材料采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥黏土漿，漿液中水泥與黏土的重量比為0.2∶1，漿液密度1.3～1.6 g/cm3，開(kāi)灌水灰比2∶1。開(kāi)始先用稀漿，經(jīng)過(guò)3～5 min后再加大漿液稠度。在灌漿過(guò)程中，先對(duì)第一序孔采用“少灌多復(fù)”的方式輪灌，每米孔每次灌漿量通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。充填灌漿利用漿液自重將漿液注入壩體隱患處以封堵壩體滲水隱患。灌漿壓力通過(guò)灌漿試驗(yàn)確定，大壩上游平臺(tái)處灌漿壓力不大于50 kPa（孔口灌漿壓力），原輸水洞兩側(cè)灌漿壓力初定為90 kPa。當(dāng)漿液升至孔口，連續(xù)復(fù)灌3 次不再吃漿時(shí)，灌漿即可結(jié)束，對(duì)經(jīng)驗(yàn)收合格的灌漿孔進(jìn)行封孔[8]。

封孔時(shí)將注漿管拔出，向孔內(nèi)灌注密度大于1.5 g/cm3的稠漿，多次灌注，直至漿面升至孔口不再下降為止。待孔口完全析水后，用含水率適中的制漿土料將孔口回填搗實(shí)整平。灌漿結(jié)束進(jìn)行封孔，并布置檢查孔檢查灌漿質(zhì)量效果。檢查孔選在鉆孔偏差過(guò)大、地質(zhì)復(fù)雜、灌漿不穩(wěn)定、吃漿量過(guò)大、冒漿以及分析資料認(rèn)為對(duì)灌漿有影響的部位。灌漿質(zhì)量檢查以檢查試驗(yàn)成果為主，結(jié)合對(duì)竣工資料和測(cè)試成果的分析，綜合進(jìn)行評(píng)定。

4.2 大壩上游護(hù)坡修復(fù)

拆除重建原有上游壩坡305.45 m平臺(tái)上部至壩頂混凝土面板，采用14 cm 厚C20 現(xiàn)澆混凝土板，接縫寬8 cm，縫內(nèi)填無(wú)砂混凝土，縫下鋪設(shè)20 cm 寬土工反濾布（300 g/m2）。

4.3 排水棱體修復(fù)

下游壩后排水棱體按原結(jié)構(gòu)進(jìn)行整修加固。修復(fù)排水棱體長(zhǎng)35.5 m，排水棱體頂部高程287.12 m，頂寬1.0 m，上游坡比1∶1，下游坡比1∶2。

4.4 壩頂衛(wèi)星渠改造

為保證水庫(kù)庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)交通通暢、確保防汛物資輸送至大壩下游壩腳，在原有衛(wèi)星渠頂增設(shè)C25鋼筋混凝土蓋板，蓋板長(zhǎng)3.2 m、寬0.5 m、厚0.2 m。

5 結(jié)語(yǔ)

黃溝水庫(kù)是衛(wèi)星灌區(qū)的結(jié)瓜水庫(kù)，衛(wèi)星灌區(qū)土壤肥沃，光熱條件優(yōu)越，適宜各種作物生長(zhǎng)。黃溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程不僅保證了防洪安全，同時(shí)改善了水環(huán)境，對(duì)促進(jìn)衛(wèi)星灌區(qū)的生態(tài)保護(hù)和農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。