紫金縣中坑水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)研究

張?jiān)戚x

（河源市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 河源 517000）

水庫(kù)是我國(guó)重要的水資源調(diào)節(jié)與利用工程,對(duì)保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要作用,但是目前有大量水利工程由于建設(shè)年代久遠(yuǎn),出現(xiàn)了開裂、剝落等老化現(xiàn)象,導(dǎo)致水庫(kù)大壩存在一定的安全隱患[1]。中坑水庫(kù)大壩是一座重要的水利工程,其建造年代較早,隨著時(shí)間的推移,大壩存在的安全隱患日益增加,如今水庫(kù)已運(yùn)行了60 多年,雖經(jīng)過一次加固維修,但至今仍存在水庫(kù)大壩壩頂泥結(jié)石路面凹凸不平、壩面緣墻部分出現(xiàn)開裂、壩頂寬度不符合規(guī)范要求等。水庫(kù)一旦發(fā)生事故,將會(huì)對(duì)周邊居民、灌溉設(shè)施以及交通道路產(chǎn)生威脅,甚至?xí)斐扇藛T傷亡、基礎(chǔ)設(shè)施毀壞等,危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的堤壩潰壩事故。故水庫(kù)在防洪保安方面具有十分重要的作用,水庫(kù)的除險(xiǎn)加固工程勢(shì)在必行。

1 工程概況

中坑水庫(kù)位于紫金縣義容鎮(zhèn)大新村境內(nèi),水系屬東江一級(jí)支流義容河支流黃洞水,距離義容鎮(zhèn)約6 km,距離紫金縣城約53 km。壩址以上集雨面積0.5 km2,總庫(kù)容20.4 萬(wàn)m3,正常庫(kù)容15.77 萬(wàn)m3,擔(dān)負(fù)著大新村450 畝農(nóng)田灌溉用水的任務(wù),捍衛(wèi)下游耕地2000 畝,人口4000 人,是一座以灌溉為主,兼顧防洪的村管小（2）型水庫(kù)。水庫(kù)運(yùn)行60 多年來(lái),在防洪、灌溉、等方面發(fā)揮了很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

主壩為均質(zhì)土壩,壩頂路面現(xiàn)狀為泥結(jié)石面寬3 m,最大壩高13.5 m,壩軸線長(zhǎng)115 m,壩頂高程83.30 m,壩頂面部分長(zhǎng)有較多雜草,水庫(kù)物業(yè)化管理中已除草。壩頂路面基本平整,為泥結(jié)石路面,局部凹凸不平,壩面緣墻局部砂漿壓頂脫落、老化；上游壩坡采用砼護(hù)坡,坡比為1∶2.5,護(hù)坡坡面完整；下游壩坡為植草護(hù)坡,坡比為1∶2.5,坡面完整,下游壩坡采用植草護(hù)坡,設(shè)有縱橫向砌石排水溝,結(jié)構(gòu)完好,壩趾設(shè)貼坡反濾排水,排水體外坡比為1∶2.5。

2 大壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

2.1 壩頂高程確定

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189-2013）,壩頂高程在按下式計(jì)算確定[2]：

式中：Y 為壩頂超高,m；e 為壅高,m；R 為設(shè)計(jì)波浪爬高,m；A 為安全加高,m,正常運(yùn)用條件取A=0.5 m,非常運(yùn)用條件取A=0.3 m。

當(dāng)m=1.5~5.0 時(shí),正向來(lái)波在單坡上的平均波浪爬高可按下式計(jì)算：

式中：Rm為平均波浪爬高；m 為單坡的坡度系數(shù)；KΔ為斜坡的糙率滲透性系數(shù)；KW為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),與W/ gH 的大小有關(guān),W 為風(fēng)速,H 為壩前平均水深。

風(fēng)浪壅高計(jì)算公式：

式中：K 為綜合摩阻系數(shù),K=3.6×10-6；β為風(fēng)向與壩軸線法線方向的夾角,β=0°；W 為水面上10 m 處的風(fēng)速,m/s；D 為吹程,m；Hm為水域的平均水深,m。

壩頂所需最小高程計(jì)算見表1。

由計(jì)算結(jié)果看出,水庫(kù)壩頂所需最大高程由設(shè)計(jì)洪水位工況控制為83.24 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),目前中坑水庫(kù)的大壩頂部高程83.30 m>82.24 m,比設(shè)計(jì)所需的壩頂高程大,因此目前壩頂高程符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 壩頂寬度

壩頂寬度應(yīng)根據(jù)構(gòu)造、施工、運(yùn)行和抗震等因素要求確定,可采用4 m~6 m。中坑水庫(kù)大壩壩頂路面現(xiàn)狀為泥結(jié)石面,寬度為3 m,不滿足規(guī)范要求,本次除險(xiǎn)加固后壩頂寬度的確定,結(jié)合考慮投資及現(xiàn)場(chǎng)地形擬定為4 m。

2.3 壩頂構(gòu)造

本次加固工程對(duì)壩頂進(jìn)行硬底化,采用砼結(jié)構(gòu)型式,加固后壩面寬4 m,主壩長(zhǎng)115 m,副壩長(zhǎng)66.7 m,面層為砼C30厚0.2 m、底層為碎石厚0.1 m、基層為壩體填筑土,間距5 m設(shè)置瀝青杉板伸縮縫止水。壩頂排水設(shè)縱、橫向側(cè)排水坡度2%,縱向?qū)⒂晁貕屋S線引入左右兩岸的下游坡,沿山邊墻豎向排水溝系統(tǒng)相連,橫向?qū)雾斢晁樌麑?dǎo)入上游壩坡砼護(hù)坡面。

水庫(kù)大壩壩頂路面現(xiàn)狀為泥結(jié)石,面層為砂礫石,基層為壩體填筑土,考慮到現(xiàn)狀壩面局部較多草根,局部坑洼積水、凹凸不平,平整度較差,且副壩壩頂?shù)缆芳孀鞣姥吹缆?為了大壩防汛車輛及平時(shí)通行安全,修復(fù)加固路面結(jié)構(gòu)型式,選用水泥砼路面和瀝青路面進(jìn)行方案比較見表2[3]。

表2 壩頂路面方案比選

由于水庫(kù)地處農(nóng)村,周邊道路均為水泥砼道路,通過方案比選,水泥砼道路造價(jià)較低,因此本次加固壩頂?shù)缆凡捎盟囗诺缆方Y(jié)構(gòu)型式。壩頂路面寬4 m,主壩長(zhǎng)115 m,副壩長(zhǎng)66.7 m,面層為砼C30 厚0.2 m、底層為碎石厚0.1 m、基層為壩體填筑土,路面間距10 m 設(shè)置瀝青杉板伸縮縫止水。

2.4 壩體滲流穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算

大壩滲流計(jì)算應(yīng)考慮水庫(kù)運(yùn)行中出現(xiàn)各種不利情況,分析采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所《理正巖土工程計(jì)算分析軟件6.0 版》的滲流分析計(jì)算軟件,采用滲流問題有限元由電腦分析計(jì)算,計(jì)算斷面選取大壩最大壩高斷面壩中處[4]。滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

據(jù)巖土工程勘察報(bào)告,壩體主要為粉質(zhì)粘土,壩體滲透變形主要為流土型式。根據(jù)地質(zhì)資料,計(jì)算得知大壩填土為粘性土,孔隙率n=0.35,只發(fā)生流土型破壞根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2020）附錄C,壩體填土的臨界水力坡降參照以下公式確定：

式中：Gs為比重,γs=1.92 g/cm3；n 為孔隙率,填土n=0.35；J 為滲透坡降；KB為流土安全系數(shù),取1.5。

計(jì)算得：J允許＝0.40 計(jì)算得以上三種情況下J正常=0.16,J設(shè)計(jì)=0.234,J校核=0.264,均小于J允許,所以,不會(huì)發(fā)生流土破壞。

根據(jù)滲流安全計(jì)算成果,加固后水庫(kù)主壩和副壩計(jì)算工況下的滲流坡降小于允許最大值,故不會(huì)產(chǎn)生滲流破壞；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)察看,主壩趾反濾排水設(shè)施外觀基本完好,壩坡排水設(shè)施較為完善；副壩下游壩未設(shè)置沿山排水溝,未設(shè)置排水反濾體,長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)副壩滲流安全有一定影響,本次除險(xiǎn)加固,新建副壩棱體排水反濾,完善后坡排水體系,不會(huì)產(chǎn)生滲流破壞。

2.5 加固后大壩穩(wěn)定分析

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）,壩坡的穩(wěn)定分析采用圓弧滑動(dòng)條分法計(jì)算。圓弧滑動(dòng)條分法計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1,主要采用簡(jiǎn)化畢肖普法,其穩(wěn)定安全系數(shù)按下列公式計(jì)算[5]：

式中：K 為安全系數(shù)；W 為土條重量；V 為垂直地震慣性力（向上為負(fù),向下為正）；u 為作用于土條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；b 為土條寬度；c'、φ為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；R 為圓弧半徑。

圖1 圓弧滑動(dòng)條分法示意圖

根據(jù)上述計(jì)算工況、計(jì)算方法和參數(shù),采用理正巖土計(jì)算6.5PB2 版對(duì)各種工況進(jìn)行穩(wěn)定分析,計(jì)算成果見表4。

表4 大壩抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位所產(chǎn)生的滲透作用下,庫(kù)岸后邊坡抗滑穩(wěn)定性最大值都能夠滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；而當(dāng)大壩上部邊坡處最差水位處于恒定滲透狀態(tài)時(shí),大壩上游邊坡處的最大抗滑失穩(wěn)安全極限值仍然符合設(shè)計(jì)的規(guī)定。

3 結(jié)語(yǔ)

本工程通過對(duì)水庫(kù)大壩構(gòu)筑物和運(yùn)行等設(shè)施存在的問題針對(duì)性采取除險(xiǎn)加固工程措施,完成水庫(kù)除險(xiǎn)加固任務(wù),消除水庫(kù)安全隱患,夯實(shí)水庫(kù)安全基礎(chǔ),確保水庫(kù)運(yùn)行安全和長(zhǎng)期發(fā)揮效益,保障群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。工程完建后,該方案在提高大壩安全性和穩(wěn)定性的同時(shí),也具備了實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和可行性,能保障當(dāng)?shù)厣钌a(chǎn),促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,可為類似工程提供參考和借鑒。未來(lái)還應(yīng)建立完善的大壩安全監(jiān)測(cè)和管理機(jī)制,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決大壩存在的安全問題,確保水利工程的安全運(yùn)行。