病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)研究

劉厚云

(貴州省遵義市習(xí)水縣水務(wù)局,貴州 遵義 564600)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口的增長,土木工程和水資源管理的需求不斷遞增,使水壩的建設(shè)與維護(hù)成為重要領(lǐng)域[1-2]。尤其在水壩的長期安全和穩(wěn)定性維護(hù)方面[3-4],早期修建的水壩壩體由于安全性不足、滲水等問題,可能影響到水庫的正常運(yùn)行和周邊地區(qū)的安全[5]。如何解決并克服這些問題,確保水壩的穩(wěn)固性和安全性,是當(dāng)前的主要關(guān)注點(diǎn)[6-8]。

本次研究的對象——習(xí)水縣塘房水庫,存在一些功能性問題,如壩體高度不足、滲水以及下游排水結(jié)構(gòu)堵塞。其中,壩體高度不足問題刻不容緩,因?yàn)樗赡軐Υ笥旰蟮暮樗狗艓砝_[9];滲水問題可能影響壩體的穩(wěn)定性;下游排水結(jié)構(gòu)堵塞問題可能影響水庫的運(yùn)行和下游地區(qū)的安全[10]。本次研究將對這些問題進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究,并尋找合理的加固方法。

1 習(xí)水縣病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

1.1 習(xí)水縣塘房水庫工程概況與水文地質(zhì)條件分析

塘房水庫位于習(xí)水縣大壩村,是具備供水和農(nóng)灌功能的小(Ⅰ)型水利樞紐工程,修建于1958年,1972年開始蓄水。經(jīng)過幾次修復(fù)、加固和改造,該水庫盡管存在一定安全問題,但基本能夠正常運(yùn)行。由于下游有大量人口和土地,水庫安全至關(guān)重要。2018年,習(xí)水縣水利水電技術(shù)工作站委托遵義水利水電勘測設(shè)計(jì)院進(jìn)行了安全評估,并于2019年完成復(fù)核報(bào)告。該報(bào)告顯示,水庫大壩存在壩頂灌木凹凸不平、頂高不足、抗洪能力不足、大壩與基礎(chǔ)滲漏、隧洞圍巖穩(wěn)定性較差等問題。

在水庫運(yùn)行管理現(xiàn)狀方面,雖有專門管理機(jī)構(gòu)及人員,但存在一些管理上的問題[11-13]。如無管理房、通訊設(shè)施差、缺少工程安全監(jiān)測設(shè)施等。滲漏和設(shè)施老化成為主要問題,給水庫運(yùn)行帶來安全隱患。

塘房水庫坐落于赤水河二級(jí)、臨江河一級(jí)支流——兩叉河上,兩叉河流域面積12.5km2,塘房水庫壩址以上流域面積6.36km2。該區(qū)地形以溶蝕、侵蝕構(gòu)成的中山地貌為主,流域植被良好,水土流失較少。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,濕潤溫和,有明顯的氣候垂直變化和強(qiáng)對流天氣。根據(jù)習(xí)水氣象站統(tǒng)計(jì),年降水量為667.5～1 396.7mm,汛期降雨量占全年的76.5%,枯季降水量占23.5%,平均氣溫13.5℃。該區(qū)主要自然災(zāi)害包括干旱、倒春寒、暴雨、冰雹、凝凍等。

在水庫相關(guān)的水文條件計(jì)算方面,首先計(jì)算徑流。根據(jù)習(xí)水氣象站1961-2017年的降水資料進(jìn)行頻率計(jì)算,設(shè)計(jì)流域的多年平均降雨量為1 050mm。貴州省徑流系數(shù)圖表顯示,該區(qū)徑流系數(shù)為0.58,因此設(shè)計(jì)流域多年平均徑流深為610mm。塘房水庫流域多年平均徑流量計(jì)算結(jié)果388×104m3。加固后的水庫蓄水位正常,庫容155×104m3,興利庫容149×104m3。長系列調(diào)節(jié)計(jì)算涵蓋了塘房水庫壩址處1961-2017年的水量平衡分析計(jì)算?？紤]到生態(tài)水量、蒸發(fā)和滲漏損失,水庫多年平均可供水量為231×104m3。根據(jù)水量設(shè)計(jì),該庫供水設(shè)計(jì)流量0.089m3/s、日變化系數(shù)1.3、多年平均供水量216×104m3。

該設(shè)計(jì)流域位于一般暴雨區(qū),暴雨通常發(fā)生在5-8月份,最大日暴雨量181.2mm(發(fā)生于1968年5月21日)。該地區(qū)洪水以高峰值和集中的洪量為特點(diǎn),洪水漲勢兇猛且通常在一天內(nèi)結(jié)束。根據(jù)測站的暴雨資料,計(jì)算出24h暴雨量為93.4、77.4和89.5mm。綜合等值線圖的結(jié)果,設(shè)計(jì)流域最大24h暴雨估計(jì)在80mm左右?；诹?xí)水氣象站暴雨和區(qū)域暴雨分布規(guī)律,確定設(shè)計(jì)流域暴雨值為90.0mm。根據(jù)短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式,最大1h暴雨量S為41.0mm。

塘房水庫附近沒有歷史洪水?dāng)?shù)據(jù),但根據(jù)2019年的洪水調(diào)查,水庫每年都會(huì)排洪,最高水位超過堤頂約0.5m。根據(jù)流域洪水特性和施工期的安排,提出在不同期間進(jìn)行洪水計(jì)算的方案。分期設(shè)計(jì)洪水采用雨洪法計(jì)算,C1取0.34～0.50,分期設(shè)計(jì)暴雨及分期設(shè)計(jì)洪水成果見表1。

表1 氣象站分期設(shè)計(jì)暴雨頻率計(jì)算結(jié)果

在泥沙與淤泥方面,實(shí)測塘房水庫淤積高程約1 381.65m?？紤]到未來50年的運(yùn)行,預(yù)計(jì)淤積高程增至1 383.12m。為了應(yīng)對這種情況,放水口和死水位的高程將分別提升至1 383.00和1 384.00m,以滿足運(yùn)行需求。

在工程地質(zhì)方面的計(jì)算,測區(qū)位于云貴高原黔北山地與四川盆地過渡地帶,最高點(diǎn)為電廠山,高程1 661.2m;最低點(diǎn)為二郎河河床,高程628.0m。區(qū)內(nèi)以碳酸鹽巖和碎屑巖為主,碳酸鹽巖區(qū)域呈現(xiàn)巖溶地貌,而碎屑巖地區(qū)則為構(gòu)造侵蝕地形。主要河流有赤水河支流——臨江河及其支流。塘房河為臨江河的支流,其兩岸有沖洪積地貌。水庫區(qū)域內(nèi)的地層情況見表2。

表2 水庫區(qū)域內(nèi)地層劃分表

在地層方面,震旦系至二迭系均有出露,巖性主要是灰?guī)r、白云巖等。地質(zhì)情況顯示,水庫1998年曾因滲漏進(jìn)行了帷幕灌漿處理,之后滲漏量減少。多年后,左岸再次出現(xiàn)滲漏,且隨著庫水位上升,滲漏增加。鉆探和物探結(jié)果顯示,原有塌陷處以及其他地方均存在滲漏現(xiàn)象。庫區(qū)主要問題是左岸庫首的滲漏,因其影響了水庫的蓄水能力,需要進(jìn)行防滲處理。

1.2 習(xí)水縣塘房水庫除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)

針對習(xí)水縣塘房水庫的現(xiàn)狀和周邊水文地質(zhì)情況,設(shè)計(jì)針對性的除險(xiǎn)加固方案。該水庫大壩為四級(jí)建筑物,根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001),最小安全系數(shù)取1.15。根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015),該水庫工程屬于地震基本烈度Ⅳ等,大壩建筑物為第4級(jí),大壩抗震設(shè)防類別沒達(dá)到丁類,不需單獨(dú)設(shè)計(jì)抗震加固。設(shè)計(jì)中用到的技術(shù)規(guī)范包括《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)、《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)、《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253-2000)、《水工混凝土施工規(guī)范》(SL 677-2014)、《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 303-2017)、《土壩灌漿技術(shù)規(guī)范》(SL 564-2014)。設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)見表3。

表3 水庫除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

續(xù)表3

在大壩方面,大壩的安全問題如下:當(dāng)前高程和超高均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),防洪能力不足。壩基漏水約0.3L/s,對大壩安全構(gòu)成威脅。同時(shí),下游存在路況和魚塘導(dǎo)致排水棱體排水不暢的問題,阻礙了大壩排水。針對上述問題,提出以下解決措施:上游按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)新建防浪墻,墻頂應(yīng)高出壩頂1.0～1.2m;對壩基采取防滲帷幕灌漿處理,以應(yīng)對壩基透水率較大問題。針對壩體滲透系數(shù)較大問題,壩面高程1 385.00～1 398.35m段采用壩面土工膜防滲,高程1 385.00m以下壩體采用充填灌漿,基礎(chǔ)采用帷幕防滲處理。針對上游壩坡干砌塊石護(hù)坡不滿足規(guī)范要求問題,拆除原有石護(hù)坡,置換成砼預(yù)制塊護(hù)坡,并夯實(shí)補(bǔ)齊壩體土料,灌注砼為C20;在排水體下游新建排水盲溝,以解決排水不暢問題。

關(guān)于溢洪道,主要問題在于溢流堰存在滲漏和泄水建筑物無法滿足規(guī)范,同時(shí)消力坎破壞嚴(yán)重,存在出水直沖河岸的情況。改造措施如下:對壩頂進(jìn)行整治(包括增設(shè)防浪墻和整平壩頂),以滿足規(guī)范;加固側(cè)墻抗沖耐磨性能,其中提出的最佳方案為拆除已有建筑后,采用C30砼澆筑,底板厚30cm,側(cè)墻厚20cm;對破損的消力坎進(jìn)行修復(fù);清淤溢洪道并設(shè)置灌漿孔,同時(shí)拆除溢洪道附近的居民住宅,根據(jù)水流流態(tài)調(diào)整和拓寬側(cè)墻。

在放水建筑物方面,存在的問題包括滲漏嚴(yán)重,滲漏量隨庫水位上升而增大,對大壩安全有害;取水口高程不滿足未來50年的泥沙淤積要求;雖然雙向轉(zhuǎn)動(dòng)閘門能夠正常啟閉,但由于使用年限長,出現(xiàn)銹蝕;啟閉房布局不合適,占據(jù)了大部分壩頂,導(dǎo)致沒有防洪搶險(xiǎn)通道。為了解決上述問題,計(jì)劃進(jìn)行以下改進(jìn):調(diào)整取水口高程;使用DN300PE管進(jìn)行整修,加設(shè)蝶閥和閘閥室;采用C20砼封堵滲漏位置;更換雙向轉(zhuǎn)動(dòng)閘門與進(jìn)口攔污柵;對啟閉房進(jìn)行重建,確保壩頂留出防汛搶險(xiǎn)通道。

上面除險(xiǎn)加固方案中,需要詳細(xì)闡述的是滲流穩(wěn)定安全評價(jià)計(jì)算方法。按太沙基公式,計(jì)算滲流作用下土體發(fā)生滲透破壞的水利臨界坡降,具體公式如下:

icr=(Gs-1)/(1+e)

(1)

式中:icr為臨界坡降;Gs為土粒相對密度;e為土孔隙比。

壩體的實(shí)際滲透坡降J按式(2)計(jì)算:

式中:△h為水流測點(diǎn)與水面的高度差,m;L為混凝土水平方向上的長度,m。

即壩體計(jì)算出的實(shí)際坡降小于臨界坡降,認(rèn)為壩體滲流穩(wěn)定安全;反之,則認(rèn)為滲流穩(wěn)定具有風(fēng)險(xiǎn)。

2 習(xí)水縣病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固工程評價(jià)

按照設(shè)計(jì)的除險(xiǎn)加固方案,對習(xí)水縣塘房水庫壩體進(jìn)行處理加固后,針對除險(xiǎn)加固后的水庫安全性、防滲能力等進(jìn)行驗(yàn)證。首先驗(yàn)證除險(xiǎn)加固后的壩坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,將本次收集和計(jì)算的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水文地理數(shù)據(jù),按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)開展工況計(jì)算,結(jié)果見表4。由表4可知,在各種水文工況中,加固除險(xiǎn)后的瑞典圓弧法壩坡最小安全系數(shù)均明顯大于上述規(guī)范設(shè)定的1.15閾值,表明大壩在各工況下的抗滑穩(wěn)定性均滿足要求。

表4 壩坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

在除險(xiǎn)加固方案施工中,混凝土材料的抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果見圖1。圖1中,橫軸為試塊在除險(xiǎn)加固工程中的取樣位置,橫軸標(biāo)注的數(shù)字后綴代表該位置試塊的混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;縱軸為對應(yīng)的單軸抗壓試驗(yàn)測出的抗壓強(qiáng)度。由圖1可知,壩體、側(cè)墻、壩頂、放水建筑物、上游壩坡、排水盲溝的混凝土試塊7與28天齡期抗壓強(qiáng)度分別為26.18、38.62、26.59、26.48、39.18、17.74MPa及32.58、50.49、33.69、32.88、49.23、24.61MPa,均大于對應(yīng)的設(shè)計(jì)值20、30、20、20、30、15MPa。

圖1 除險(xiǎn)加固方案混凝土材料抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果

分析有抗?jié)B作用的水泥材料的抗?jié)B能力,并進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖2。圖2中,不同圖線代表不同的水壓力。由圖2可知,在水壓低于1.0MPa時(shí),在側(cè)墻和上游壩坡的試件隨著時(shí)間的滲水速度始終為0L/s;當(dāng)水壓為1.0MPa后,兩位置出現(xiàn)數(shù)值處于0.2～0.4L/s范圍的滲水。之后隨著水壓增加,兩位置試塊滲水速度整體繼續(xù)增加。由此可見,除險(xiǎn)加固方案的材料抗?jié)B等級(jí)達(dá)到W8級(jí),能滿足該工程的改造需求。

圖2 水泥抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

最后驗(yàn)證加固后的水壩滲透坡降,計(jì)算結(jié)果見圖3。圖3中,橫軸為混凝土水平方向上的長度也即水壩的寬度,縱軸為滲透坡降,實(shí)線、點(diǎn)劃線分別為實(shí)際坡降和臨界坡降,按式(2)、式(1)計(jì)算得到。由圖3可知,隨著水壩寬度的增長,計(jì)算出的臨界坡降不斷降低。當(dāng)水壩寬度為習(xí)水縣塘房水庫的寬度3m時(shí),計(jì)算出的實(shí)際坡降為0.34,遠(yuǎn)小于0.90的臨界坡降。

圖3 加固后的水壩滲透坡降驗(yàn)證

3 結(jié) 論

此次設(shè)計(jì)的除險(xiǎn)加固方案測試結(jié)果顯示,在各種水文工況中,處理后的壩坡最小安全系數(shù)均明顯大于規(guī)范設(shè)定的1.15閾值。壩體、側(cè)墻、壩頂、放水建筑物、上游壩坡、排水盲溝試塊7與28天齡期抗壓強(qiáng)度分別為26.18、38.62、26.59、26.48、39.18、17.74MPa及32.58、50.49、33.69、32.88、49.23、24.61MPa,均大于對應(yīng)的設(shè)計(jì)值20、30、20、20、30、15MPa。在水壓低于1.0MPa時(shí),側(cè)墻和上游壩坡的試件隨著時(shí)間的滲水速度始終為0L/s。當(dāng)水壩寬度為習(xí)水縣塘房寬度3m時(shí),計(jì)算出的實(shí)際坡降為0.34,遠(yuǎn)小于0.90的臨界坡降。研究表明,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的加固除險(xiǎn)方案,能夠有效增強(qiáng)水壩的整體穩(wěn)定性、抗?jié)B水能力和抗洪能力。