白沙水庫壩腳隱患成因及治理措施

李秋光，羅艷麗

（河南省白沙水庫運(yùn)行中心，河南 許昌 461000）

1 基本情況

1.1 水庫概況

白沙水庫位于淮河流域潁河上游，壩址位于河南省禹州市與登封市交界的白沙鎮(zhèn)以北300 m，下游距禹州市中心30 km。是一座以防洪為主，兼顧灌溉、工業(yè)供水、旅游等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。水庫控制流域面積占穎河流域面積的13.60%，水庫興利水位225 m，相應(yīng)庫容1.15億m3；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，設(shè)計(jì)洪水位為231.85 m，相應(yīng)庫容2.11億m3；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2 000年一遇，校核洪水位為235.56 m，總庫容2.78億m3。水庫樞紐工程由主壩、東副壩、西副壩、堵壩、溢洪道、副溢洪道、輸水洞和灌溉洞等水工建筑物組成。

1.2 主壩基本概況

主壩興建于1951年3月至1953年8月，壩頂高程231.72 m，壩頂寬10 m。壩體為含礫重粉質(zhì)壤土均質(zhì)壩，夾有中粉質(zhì)壤土，底部有少量礫質(zhì)輕壤土。1956年水庫進(jìn)行加固擴(kuò)建，擴(kuò)建后壩頂高程235.80 m，防浪墻頂高程237 m，壩頂寬6.60 m。2003年水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固，對(duì)大壩進(jìn)行加高，上游塊石壩坡由壩頂翻修至218 m 高程；主壩壩型為均質(zhì)土壩，歷經(jīng)幾次加固。壩長1 316 m，壩頂寬6.50 m，最大壩高48.38 m，壩頂高程236.30 m，防浪墻頂高程237.50 m。大壩上游采用0.35 m 厚干砌塊石護(hù)坡，下設(shè)0.35 m厚繼配碎石墊層，自上而下坡比為1∶2.08、1∶3、1∶3.50、1∶4，在高程222、205.92 m處設(shè)馬道。大壩下游采用卵石護(hù)坡，自上而下坡比為1∶2、1∶2.50、1∶2.50，在高程225.10 m、215.10 m 處設(shè)馬道。白沙水庫原大壩下游壩腳設(shè)有堆石排水體，在1956年大壩加高加固時(shí)，在大壩下游填筑了約6 m厚的卵石，卵石與壩體土料之間設(shè)有反濾料，堆石排水體及卵石形成了壩體的排水系統(tǒng)。但根據(jù)現(xiàn)場檢查，大壩下游坡腳與排水溝之間有寬度約12 m臺(tái)地，在該處種植有樹木，而且樹木種植于壤土上，不利于壩體排水，易抬高大壩浸潤線出逸點(diǎn)高程，對(duì)下游壩坡穩(wěn)定造成影響。

2 大壩坡腳隱患成因分析

2.1 大壩下游坡腳種植樹木，壩體排水問題

白沙水庫主壩為均質(zhì)土壩，迎水坡為干砌塊石護(hù)坡，背水坡為干砌卵石護(hù)坡。經(jīng)現(xiàn)場檢查，水庫主壩樁號(hào)0+125～1+123之間背水坡壩腳與防滲排水溝之間有寬度12 m 左右的臺(tái)地，未護(hù)砌。在該范圍內(nèi)種植有柏樹、楊樹等樹木1 500余棵和觀賞花木黃楊、百日紅100 多株，叢間雜草叢生。由于壩坡坡腳種植樹木，而且樹木種植于沙壤土上，不利于壩體排水，宜對(duì)下游壩坡穩(wěn)定造成影響。

2.2 白蟻問題

坡腳植物為白蟻提供了生存空間和大量食物，且對(duì)白蟻的普查和防治造成很大阻礙。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，部分樹木已被白蟻侵蝕。白蟻就像埋在堤壩內(nèi)的“炸彈”，對(duì)水庫安全構(gòu)成重大威脅。

2.3 安全巡檢問題

由于下游坡腳樹木的存在，工程背水坡坡腳位置不清晰，不利于工程日常巡查和管理，如出現(xiàn)管涌、滲漏等險(xiǎn)情，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能對(duì)大壩安全造成影響。

3 大壩坡腳隱患處理措施

安全隱患處理措施主要是大壩下游壩腳12 m范圍內(nèi)的樹木清除及清除后壩體換填粗砂及碎石等反濾料、遷移觀賞花木、干砌石護(hù)砌、排水溝修復(fù)等。換填采用滲透系數(shù)較大的粗砂墊層和碎石級(jí)配等反濾材料，與壩腳堆石排水體和卵石構(gòu)成完整的排水系統(tǒng)，壩體排水可順暢進(jìn)入壩腳排水溝，滲流是安全的；經(jīng)過壩坡穩(wěn)定計(jì)算，大壩壩腳壩體土料換填后壩坡穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求，方案是可行的。

3.1 下游坡腳壩體開挖換填處理

為消除大壩下游沙壤土對(duì)大壩滲流的不利影響及徹底消除白蟻的生存環(huán)境，對(duì)現(xiàn)狀下游坡腳與排水溝之間約12 m 的平臺(tái)進(jìn)行開挖，清除現(xiàn)狀樹木及觀賞花木，根據(jù)現(xiàn)場開挖溝槽，清除樹根深度為2 m，由此確定開挖深度為2 m，施工時(shí)應(yīng)徹底清除樹根、雜草、花木根莖等。清除后，對(duì)坡面找平，用粗砂和碎石級(jí)配對(duì)開挖體進(jìn)行換填處理，碎石粒徑為5～20 mm，表面采用0.30 m厚干砌石護(hù)砌。

換填處理時(shí)將大壩下游壩腳用于植樹的壤土挖除，換填滲透系數(shù)較大的粗砂墊層和碎石級(jí)配等反濾材料，與下游壩腳堆石排水體及卵石構(gòu)成完整排水系統(tǒng)，壩體排水可順暢進(jìn)入壩腳排水溝，頂部采用0.30 m厚干砌石護(hù)砌。采用粗砂及碎石級(jí)配換填處理后，排水順暢，不會(huì)對(duì)大壩滲流造成影響，滲流是安全的。

3.2 挖除樹木處理

對(duì)處理段現(xiàn)狀樹木，如已被白蟻侵蝕，選擇適當(dāng)位置焚毀處理；如未被白蟻侵蝕，砍伐后移至防汛倉庫作為防汛木料。對(duì)觀賞花木，移植至坡腳排水溝下游花圃中。

3.3 壩腳排水溝修復(fù)和光纖修復(fù)

施工過程中應(yīng)注意對(duì)下游壩坡和排水溝采取保護(hù)措施，如有擾動(dòng)、損壞應(yīng)進(jìn)行修復(fù)。下游坡腳壩體開挖換填時(shí)，對(duì)現(xiàn)狀用于監(jiān)測設(shè)施的光纖有影響，待施工完成后，應(yīng)對(duì)光纖進(jìn)行修復(fù)，確保監(jiān)測設(shè)施正常工作。處理斷面見圖1。

圖1 白沙水庫主壩壩腳處理措施典型斷面圖

3.4 大壩抗滑穩(wěn)定復(fù)核

選取筑壩0+480為典型斷面進(jìn)行大壩下游坡穩(wěn)定復(fù)核，計(jì)算方法采用瑞典圓弧簡化有效應(yīng)力法，選取正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位、上游1/3壩高水位四種工況。大壩穩(wěn)定計(jì)算土體物理力學(xué)參數(shù)采用2003年除險(xiǎn)加固時(shí)壩料物理力學(xué)參數(shù)。白沙水庫工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級(jí)別為2 級(jí)，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，正常運(yùn)用工況允許安全系數(shù)為1.35，非常運(yùn)用工況I允許安全系數(shù)為1.25，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 大壩下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表可知，大壩在各工況下的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范的要求，處理后大壩壩坡是穩(wěn)定的。

3.5 大壩滲流穩(wěn)定復(fù)核

滲流分析計(jì)算采用最大斷面作為計(jì)算斷面，結(jié)合地勘資料及大壩滲漏實(shí)際情況，采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所《滲流分析軟件》進(jìn)行計(jì)算。

3.5.1 計(jì)算工況及參數(shù)

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，滲流計(jì)算工況分為工況一和工況二。工況一的水位組合是上游水位為設(shè)計(jì)洪水位，下游無水；工況二的水位組合是上游水位為校核洪水位，下游無水。

大壩滲透性分區(qū)計(jì)算取壩體土滲透系數(shù)為6.19×10-4m/d。

3.5.2 計(jì)算結(jié)果及分析

容許水力坡降［J］計(jì)算

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，容許水力坡降［J］計(jì)算如式（1）。

式中：Jck—壩體土的臨界水力坡降，依據(jù)地勘資料Jck=0.94；K—安全系數(shù)，取2.00。

經(jīng)計(jì)算，容許水力坡降［J］=0.47。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 滲流計(jì)算成果表

通過對(duì)大壩滲流計(jì)算，各工況下游壩坡、壩基出逸點(diǎn)比降均小于容許水力坡降，不會(huì)發(fā)生滲透變形，滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

通過安全隱患治理工程后，水庫大壩工程的安全隱患得到了進(jìn)一步的消除，確保了水庫大壩的安全，同時(shí)保證了水庫下游防洪保安任務(wù)、人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)、公路、鐵路的安全，保證了白沙水庫下游灌區(qū)糧食的增產(chǎn)增收，進(jìn)一步改善人民群眾的生活條件，社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益顯著。