后龍河水庫大壩加固設計

董新美，段存珠

（1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013；2.青島市嶗山區水利局，山東 青島 266104）

后龍河水庫位于榮成市崖頭鎮西北4km的后龍河村北，沽河東支流中游。水庫樞紐由大壩、溢洪道、放水洞、水電站等組成，是具有防洪、灌溉、養殖、發電等綜合利用的中型水庫。水庫建成40余年來，發揮了巨大的社會經濟效益，然而，由于歷史的原因，并受建庫時技術經濟條件的限制，水庫設計標準低、施工質量差，使工程建設先天不足，加之后期維護加固資金投入不夠，目前水庫存在嚴重的安全隱患，是山東省進行除險加固的中型水庫之一。

大壩為粘土心墻砂殼壩，全長390m，最大壩高29.3m。壩頂高程59.60m，壩頂寬5m，并建有0.7m高的防浪墻和照明設施。上游壩坡高程51.80m以下壩坡為1∶2.15～1∶2.91，以上 1∶1.7～1∶2.2；下游壩坡高程49.0～49.4m處設有戧臺，戧臺平均寬3m，戧臺以下壩坡為1∶2.25～1∶2.85，以上 1∶1.94～1∶2.15。 上游壩坡高程 43.1m以下為亂石護坡，以上為砼框格護坡。背水坡為草皮護坡。

1 工程存在的主要問題

1）防滲體高程不滿足設計要求，大壩現狀的防洪能力僅達到五十年一遇的洪水標準，水庫的防洪能力達不到《碾壓式土石壩設計規范》SL274—2001要求（以下簡稱“規范”）。

2）壩坡抗滑穩定達不到規范要求。大壩填筑質量差，上游砂殼的相對密度為 0.47～0.56，不滿足規范要求。經核算，壩坡抗滑穩定安全系數小于規范允許值；地震工況下，上游砂殼、壩基砂存在液化現象。

3）上游護坡質量不滿足設計要求。護坡為砼框格結構，施工質量較差，水位變動區附近的砼護坡剝蝕嚴重，砼質量不滿足抗凍要求。

4）壩基基巖裂隙發育，0＋145～0＋250 壩段巖石透水率為0.84～131.5Lu，壩基存在滲漏現象。

2 水庫除險加固設計

2.1 抗震加固

通過多方案比選，確定抗震加固采用翻壓、振沖與壓重結合方案，即水上砂殼翻壓、砂殼補坡，水下砂殼振沖，壩腳塊石壓重。

由于工程現狀上游壩坡較陡，壩坡最陡處僅為1∶1.7，為確保工程安全，在對原砂殼進行翻壓、振沖加固的同時，適當放緩上游壩坡。根據壩坡抗滑穩定計算結果，加固后的上游壩坡在高程55.0m處設寬2m的戧臺，戧臺以上壩坡為 1∶2.5，以下 1∶2.75。 砂殼補坡采用中粗砂。上游砂殼翻壓需分段進行開挖，并分層填筑、壓實。上游砂殼翻壓及補坡加固后的相對密度要求不小于 0.75，滲透系數不小于 1×10-4cm/s。

上游砂殼振沖范圍為高程45.0～39.0m之間的砂殼。其中，0+210～0+330段，需將高程 44.0～45.0m之間的壤土挖除后回填中粗砂再振沖加固。振沖樁間距1.75m，梅花型布置，豎向最大振沖深度6m，振沖填料采用碎石。振沖加固后的砂殼相對密度要求大于0.75。

上游壩腳塊石壓重體為復式壓重體，頂部壓重平臺頂高程為47.6m，頂寬8m，壓重體坡腳邊坡 1∶2.75；底部壓重平臺頂高程為43.2m，頂寬18.5m，壓重體坡腳邊坡1∶1。壓重塊石應選用新鮮、堅實、粒徑較大、具有一定抗風化能力和抗水浸能力的石塊。

2.2 壩體防滲加固

根據地質勘察資料，高程55.8m以上的心墻頂部接高部分與底部心墻之間的接觸帶質量不均勻，含砂量較高，造成接觸帶滲漏嚴重，必須進行處理。壩體防滲加固采用挖除接高心墻、重建壤土防滲體方案。施工時將壩體頂部開挖至55.3m高程后，分層回填壤土并壓實。下游側開挖邊坡為1∶1，壤土心墻寬度不小于2.0m，兩側回填中粗砂。加固后的壤土心墻壓實度要求不小于0.97，砂殼相對密度不小于0.75。

2.3 壩基防滲加固

壩基防滲加固采用帷幕灌漿方案，灌漿范圍為樁號0+145～0+250壩段。灌漿帷幕共布置2排孔，排距2.5m，上游第一排孔中心線距上游壩肩1.25m；帷幕底高程35.9～41.8m。設計灌漿孔按三序孔布置，一序孔間距為12m，二序孔為6m，三序孔為3m。灌漿加固后基巖的吸水率要求不大于5Lu。

2.4 上游護坡加固

上游護坡現狀為砼框格結構，由于存在施工質量較差、砼強度低等嚴重的質量問題，加之上游砂殼補坡，上游護坡加固只能采用拆除重建方案。通過比較現澆砼板和砼預制塊護坡兩個方案，根據各方案的優缺點，按照技術上可行、經濟上合理的原則，確定加固設計采用現澆砼板護坡方案。護坡重建范圍為高程55.0m以上至壩頂的上游壩坡。經計算，現澆砼板的厚度為0.07m。綜合考慮施工、凍融及耐久性等各方面因素，現澆砼板平面尺寸確定為2m×2m，護坡厚度設計取18cm。砼標號C20，抗凍標號F150。反濾層設計采用兩層，自上而下分別為：第一層為碎石墊層，由厚度15cm、粒徑1～3cm的碎石構成；第二層為300g/m2的反濾土工布。

3 壩體穩定分析

大壩加固后，心墻與砂殼加固部分土料的物理力學指標發生了變化，必須重新進行壩體穩定分析。選擇壩高較大的0+304斷面為大壩加固后穩定計算斷面。

3.1 滲透穩定分析

計算工況僅考慮穩定滲流的興利工況,其上游興利水位54.0m,下游水位平地面。根據地質勘察報告,下游砂殼和壩基砂的滲透變形類型均為管涌,允許水力坡降分別為0.27、0.31。經計算,0+304斷面壩基砂的最大水力坡降為0.07,下游砂殼為0.09,最大水力坡降發生在壩腳處,其數值均小于允許坡降,故不會發生滲透破壞。心墻壤土的滲透變形類型為流土,允許水力坡降為4;經計算,心墻壤土的最大水力坡降為0.49,發生在齒槽底部,其數值小于允許坡降,也不會發生滲透破壞。

3.2 壩坡抗滑穩定分析

采用簡化畢肖普法進行壩坡抗滑穩定分析。按規范要求，選擇以下六種工況進行壩坡抗滑穩定計算：

1）上游水位54.0m（興利水位），下游水位平下游地面。2）上游水位56.67m（設計水位），下游水位平下游地面。3）上游水位為1/3壩高水位，下游水位平下游地面。4）上游水位由56.67m（設計洪水位）驟降至溢洪閘閘底板高程51.0m，下游水位平下游地面。5）上游水位54.0m（興利水位），下游水位平下游地面，同時遇7度地震。6）上游水位46.5m，下游水位平下游地面，計算施工期壩坡穩定。

0+304斷面各種計算工況下的壩坡抗滑穩定安全系數計算成果見表1。由表1知，大壩除險加固工程完成后，各種計算工況下的壩坡抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

表1 0+304斷面壩坡抗滑穩定計算成果表

3.3 抗震動力分析

根據中國地震動參數區劃圖GB18306—2001，后龍河水庫庫區所在地地震動反應譜特征周期為0.35s，地震動峰值加速度為0.1g，按7度地震設防。加固后大壩抗震動力分析選取壩高較大的0+304斷面為代表斷面進行。

目前，在通用的地震總應力分析中，一般只考慮水平向地震剪應力的作用，這是因為水平向地震剪應力是造成液化或破壞的主要因素。本計算采用了加里弗尼亞大學Seed教授建議的總應力動力分析方法，并結合中國科學院工程力學研究所的方法進行了液化判別。根據靜力計算得到各單元的靜剪應力比，在動力試驗有關資料中插值，求得各單元的抗液化剪應力比βc；根據動力計算得到各單元的地震應力比βe。Βc/βe為抗液化安全度，若抗液化安全度小于1.05，說明在地震時該單元土體處于液化狀態；若抗液化安全度大于或等于1.05，說明在地震時該單元土體不會液化。

經計算，大壩0+304斷面加固后上、下游砂殼及壩基砂的抗液化安全度均大于1.05，說明）滿足抗震穩定要求。

4 結 語

后龍河水庫長期帶病運行，不僅水庫的效益難以正常發揮，更重要的是水庫的安全得不到保障。在大壩除險加固設計中，根據現行的國家和部頒規范、標準，結合工程存在的主要問題，經過方案比較，精心論證，優化工程設計，提出了經濟上可行、技術上合理的除險加固方案。目前，水庫除險加固工程施工正在進行，工程竣工后，將徹底消除工程安全隱患，使水庫恢復正常運行，以充分發揮其經濟效益和社會效益。