水庫應急水源土壩的加固設計方案分析

摘要：應急水源能保證在發生突發事故時水庫也能正常給城市提供干凈的水源，對應急水源土壩進行有效的加固是保證城市供水的重要工作。本文以某市的應急水源土壩加固設計為例，分析了該工程的現狀以及任務要求，闡述了大壩加固設計的方案，使用了有效且合適的材料和方法進行加固，使應急水源土壩更加穩定。

關鍵詞：應急水源;土壩加固;壩坡穩定;復合土工膜;防滲

隨著我國城市發展進入了前所未有的局面，人們對水資源的需求也在日益增長，水庫的興建進程越來越快。但是在今天水庫的安全性仍不高，容易發生污染等安全事故，因此應急水源對于城市供水來說顯得十分重要，如何使應急水源的壩體更加安全和牢固也成為了人們關心的問題。下面就這方面進行討論分析。

1 工程概況

1.1 工程現狀及任務要求

某水庫壩址以上控制集水面積16.0km2。現狀的樞紐建筑物包括大壩（均質土壩）、溢洪道和壩下涵管等。大壩現狀為均質土壩，壩體土質較好，為含砂低液限（粉）粘土和粉土質砂，但不均勻，碾壓質量和壓實較差。

水庫現狀正常蓄水位為156.54m，興利的庫容量為34.5萬m3。通過對中心城區近期50萬人口應急供水需求的分析，應急供水保證庫容為59萬m3，需增加水庫興利庫容約20萬m3。因此，正常蓄水位需由現狀的172.25m提高至175.25m，現狀大壩須進行加固擴建。

加固擴建后水庫總庫容89萬m3，是一座以城市應急供水為主，兼有城市日常供水等綜合效益水利樞紐工程。

1.2 大壩工程質量與地質條件評價

1.2.1 壩基地質條件評價

壩基巖石巖性有中粗粒黑云母花崗巖、變質砂巖和混合巖，屬中硬巖類。大壩左岸壩體填筑在強風化花崗巖巖體上，右岸壩體填筑在強風化變質砂巖上，河床段壩體填筑在強～弱風化花崗巖與變質砂巖上。壩基巖體節理裂隙發育，強弱風化巖基均可滿足大壩承載要求，壩基穩定。

1.2.2 原壩體填筑質量分析

大壩填筑土料來源于壩區附近山坡上的坡殘積土，土質以棕黃、棕紅色為主，夾灰、淺黃、灰黃色，土質為含砂低液限（粉）粘土和粉土質砂，干燥～濕，大部分呈可塑狀或呈稍密狀，土芯以柱狀為主，局部土質結構松散或呈軟塑狀。

2 大壩加固設計

2.1 加固方案確定

根據安全超高計算，壩頂高程為179.00m，因此，須對大壩進行加高培厚處理。經方案比選，本工程加固方案為在大壩上游新加壩體，將大壩加高加厚，上游壩坡坡比1：3;下游上部壩坡削坡成1：2.5，下部增加壓坡和排水棱體。

2.2 新加壩體材料和壩體防滲設計

作為應急供水的水源工程，本工程大壩的運行方式和一般的土壩有所不同。一般的土壩對水庫水位的降落速度有嚴格的控制，主要是為了防止因水庫水位驟降引起大壩壩坡的失穩。本工程水庫按照每天10萬m3的供水量，水位從正常蓄水位175.25m降落到死水位163.50m，降落的最快速度為每天3.47m，見表1。

表1 水庫水位降落速度表

為了保證水庫水位驟降時的壩坡穩定，設計著重從控制上游新加壩體的滲透系數和加強防滲以降低現有壩體的浸潤線兩方面來考慮。

2.2.1 控制新加壩體的滲透系數

壩體浸潤線下降的速度，一般決定于庫水位下降的速度V、土壩壩體的滲透系數k以及土體的給水度u等因素，與壩體的結構形式特別是壩體及地基上游面的排水條件也有很大關系。其中土體的給水度u表示單位體積土體在飽和含水情況下水位下降后排出的水量，又稱土體的排水孔隙率。其值大小取決于土的性質、密實程度以及排水的時間等因素，可由實驗或根據經驗確定，經驗公式：u=0.117×k1/7。

根據對上游壩坡排水條件不好的均質土壩和心墻砂殼壩的分析計算結果，可以確定：

（1）k/（uV）<0.1時為驟降，此時壩體內滲流自由面在庫水位降落后仍保持有總水頭的90%左右，故可以近似認為壩體浸潤線基本保持不變，這種情況對上游壩坡的穩定最為不利，為偏于安全可以按照庫水位開始降落前穩定滲流的浸潤線位置進行壩坡穩定分析。

（2）k/（uV）>60時為緩慢下降，此時壩體自由面保持有總水頭的10%以下，已不致影響壩坡，因此一般不需要進行不穩定的計算。

（3）0.1

本工程庫水位下降的最快速度V為3.47m/d，k/（uV）=0.1時相應的k=8.93×10-6cm/s，k/（uV）=60時相應的k=1.56×10-2cm/s。因此，新加壩體的滲透系數應大于1.56×10-2cm/s，根據附近料場的情況，本階段設計采用透水性強的石渣作為新加壩體的填筑材料，滲透系數大于1.56×10-2cm/s。

2.2.2 防滲設計

防滲方案選擇采用PE復合土工膜防滲。復合土工膜是一種新穎的工程材料，它是由土工織物、土工膜、土工織物三層組成，積聚了土工織物和土工膜的優點，具有質輕、防滲性能好，有較好的延展性、適應變形、施工簡單和造價低等特點，是一種理想的防滲材料。

土工膜厚度根據承受水壓力、墊層土料粒徑和土工膜物理力學指標確定，采用《土壩安全與加固》（牛運光編著）中的公式4-9計算：

式中：δ─土工膜厚度，mm;

γ─水的容重，kN/m3;

H─鋪設薄膜范圍內的最大水頭，m，H=26m;

d─墊層土壤最大粒徑，mm，d=50mm;

[σ]─膜的允許拉應力，kPa，[σ]=12×103kPa;

E─薄膜的彈性模量，kPa，E=70×103kPa。

經計算，δ=0.0019mm。參考廠家資料，選用兩布一膜的PE復合土工膜（300g/m2/PE0.5/250g/m2），其物理力學指標為：抗拉強度19kN/m，延伸率53.6%，CBR頂破強度3.41kN，垂直滲透系數4.76×10-13cm/s，幅寬4.0m。由于本工程為城市供水的水源水庫，PE土工膜應符合《食品包裝用聚乙烯成型品衛生標準》（GB9687-88），所用原材料應符合《食品包裝用聚乙烯樹脂衛生標準》GB/T5009.58-2003，其他輔助材料應符合相應的國家現行有關標準的規定。

新加壩體沿土工膜抗滑穩定分析，防滲體滑動指土工膜與保護層及膜與下墊層之間的滑動，土工膜沿墊層滑動可通過在壩坡面設防滑鋸齒槽來解決。上游新加壩體沿土工膜滑動需進行抗滑穩定計算。當上游新加壩體透水性良好，庫水位降落，浸潤面與庫水位同步下降時，可用《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》（SL/T225-98）附錄A公式計算材料間的平面滑動穩定安全系數：

式中：Fs─抗滑穩定安全系數;

W1、W2—主動楔ABCD和被動楔CDE的單寬重量，kN/m;

C1—沿BC面防護層（上墊層）土料與土工膜之間的粘著力，kN/m2;

φ1、φ2—內摩擦角;

C2—防護層土料的粘聚力，kN/m2;

α、β—坡角;

L1、L2—BC和CE的長度，m。

由于上游新加壩體和防護層為透水材料，故本次計算取C1=C2=0;經計算，Fs=2.39，滿足要求。新加壩體沿土工膜抗滑穩定計算簡圖見圖1。

圖1 新加壩體沿土工膜抗滑穩定計算簡圖

2.3 加固設計（如圖2所示）

圖2 大壩加固橫剖面圖

（1）加高后大壩壩頂高程為179.00m，壩頂寬度為5m，最大壩高26.50m，加固設計如圖2所示。

（2）上游新加壩體填筑前，先清除現有的塊石護坡及墊層。上游新加壩體采用透水性較好的風化料和石渣填筑，底部最大寬度約32m，頂部寬度3m，填筑后上游坡坡比1：3。

（3）壩頂加高部分采用粘土填筑，粘土壩體底寬3m，上游坡比1：1，下游壩坡坡比1：2.1。

（4）下游壩體169.00m高程以上進行削坡，削坡后下游壩坡坡比1：2.1。169.00m高程設2m寬的馬道，馬道以下用風化料進行壓坡，壓坡后下游壩坡坡比為1：3。

（5）下游壩腳加設排水棱體，棱體頂高程160.00m，寬3m，棱體下游坡比1：1.5。

（6）在上游新加壩體與老壩體及粘土壩體之間設復合土工膜防滲。復合土工膜放在整平的老壩體及粘土壩體上，復合土工膜與岸坡及壩腳采用砼齒槽相接。復合土工膜上設0.3m厚的粗砂保護層。為增加復合土工膜與壩體的抗滑性能，在原壩體上游坡面設四道抗滑齒槽，齒槽間距10m。

（7）大壩上游采用砼預制塊護坡，護坡厚度0.12m，護坡下設0.15m厚的礫石墊層和0.15m厚的砂墊層。下游壩坡采用草皮護坡。

3 結語

綜上所述，水庫的應急水源的重要性越來越高，對于土壩的加固設計重點要從控制上游壩體的滲透系數和降低壩體的浸潤線來進行思考，通過實地考察水庫的實際情況，來制定有效的加固方案，并采用高效的材料，使水庫應急水源土壩的穩定得到提高，創造更好的社會效益。

參考文獻：

[1]SL274-2001，碾壓式土石壩設計規范[S].

[2]SL/T225-98，水利水電工程土工合成材料應用技術規范[S].