論水庫大壩除險加固設計

潘世勇

(貴州省畢節市勘測設計研究院，貴州 畢節 551700)

論水庫大壩除險加固設計

潘世勇

(貴州省畢節市勘測設計研究院，貴州 畢節 551700)

紅陽水庫位于織金縣后寨鄉小橋村境內，地處三岔河流域大壩河上游一條小支流喇叭河上，屬長江流域烏江水系。水庫所在流域屬北亞熱帶，冬春半干燥夏季濕潤型，冬長而暖，夏短而涼。文章作者主要是根據自身多年工作經驗對水庫大壩的情況進行了分析。通過對紅陽水庫大壩加固前的安全復核相關計算，以及對大壩進行的除險加固設計的復核相關計算，分析比較了加固設計前后的水庫大壩的穩定性。對水庫的修建過程進行了一系列的詳細的規劃和設計，僅供同行參考。

水庫；大壩；除險；加固；復核

1 工程概況

紅陽水庫位于織金縣后寨鄉小橋村境內，地處三岔河流域大壩河上游一條小支流喇叭河上，屬長江流域烏江水系。

水庫所在流域屬北亞熱帶，冬春半干燥夏季濕潤型，冬長而暖，夏短而涼。年平均氣溫14.1℃，最冷月1月平均氣溫4.0℃，最熱月7月平均氣溫22.5℃，極端最高氣溫33.5℃，極端最低氣溫-12.1℃。平均無霜期為281.1d。年平均降雨量1392.7mm，集中于下半年。年平均日照數1172.2h。

工程樞紐主要由大壩、溢洪道等組成。大壩為表面土斜墻砌石壩，經安全復核，壩頂高程為1685.48m，最大壩高38.98m，最大壩寬為178.68m。壩頂為小型車輛通村交通路，路面為泥結石鋪墊。大壩上游為黏土填筑，馬道(1663.50m高程)以上坡比為1∶2.6，為前期灌漿平臺，寬2.3m壩面采用塑料薄膜進行防滲，C15混凝土預制塊加以保護；1659.25～1663.50m高程坡比為1∶3.2，1659.25設有一馬道，寬度為4.15m，壩面采用干砌塊石進行護坡。大壩下游采用干砌塊石砌筑，在1662.00m高程設有一馬道，寬2.2m，馬道以上壩坡坡比為1∶1，以下壩坡坡比為1∶1.1，坡度較陡。

2 大壩穩定安全復核

2.1 滲流計算

2.1.1 計算公式

滲透逸出水力坡降J=△h/b；土體破壞時臨界水力坡降[Jcr]=(Gs-1)(1-n)；土體允許水力坡降J=Jcr/K[1-2]。安全系數K取1.5～2.0，本工程取1.5，則壩體填筑黏土允許滲透比降J=Jcr/K=(2.7-1)(1-0.41)/1.5=0.67。紅陽水庫大壩為斜墻砌石壩，上游壩段采用均質黏土填筑，下游壩段采用干砌塊石砌筑，大壩塊石部分滲透比降很小，故只判別壩體填筑黏土的滲透穩定。

2.1.2 計算結果

除險加固后滲流計算結果如下：

1)正常蓄水位(1683.30m)+下游無水的情況下所形成的穩定滲流浸潤線見圖1。

壩體單寬滲流量為3.25×10-4m/s，壩體滲流寬度按105m計算，壩體總滲流量為0.034m3/s，即約34L/s。

壩體填筑黏土滲流逸出水力坡降為J=△h/b=0.71>[J1]=0.67，壩體滲流性態不安全。

2)校核洪水位(1685.40m)+下游無水的情況下所形成的穩定滲流浸潤線見圖2。

壩體單寬滲流量為3.43×10-4m3/s，壩體滲流寬度按105m計算，壩體總滲流量為0.036m3/s，即約36L/s。

壩體填筑黏土滲流逸出水力坡降為J=△h/b=0.72>[J1]=0.67，壩體滲流性態不安全。

3)水庫水位由正常蓄水位(1683.30m)驟降至死水位(1658.00m)時的不穩定滲流浸潤線見圖3。

圖1正常蓄水位時壩體穩定滲流浸潤線圖

圖2 校核洪水位時壩體穩定滲流浸潤線圖

圖3 水位降落期壩體浸潤線圖

水位降落期庫水位由正常蓄水位驟降死水位時壩體填筑黏土滲透逸出水力坡降為J=△h/b=0.512<[J1]=0.67，壩體滲流性態安全。

經以上計算，大壩滲流性態不安全。

2.2 穩定計算

主要包括2個方面的內容：

2.2.1 計算方法

計算采用瑞典圓弧法和簡化Bishop法，運用河海大學工程力學研究所編寫的AUTOBANK軟件進行運算[3]。計算時考慮大壩壩頂荷載對壩坡穩定的影響，荷載大小為20kN/m。

計算公式為：

v=kJ(達西定律)

(1)

(2)

(3)

式中：k為滲流系數，cm/s；J為滲流坡降；W為土條重量；Q、V分別為水平和垂直的地震慣性力，(向上為負，向下為正)；u為作用與圖條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c′φ、′為有效應力抗剪強度指標；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩；R—圓弧半徑。

2.2.2 計算結果

大壩穩定計算結果見表1。

表1 大壩穩定計算結果表

通過對紅陽水庫大壩進行滲流及壩坡穩定復核計算，結果表明，穩定滲流期大壩滲流形態不安全，非穩定滲流期大壩滲流形態安全。正常運用條件下大壩上游壩坡滿足穩定要求，下游壩坡不滿足穩定要求；非常規運用條件下上游壩坡滿足穩定要求，下游壩坡不滿足穩定要求。大壩結構存在安全隱患。

3 大壩除險加固設計

針對大壩現狀存在的安全隱患，本次除險加固考慮以下處理措施：大壩壩頂寬5.7m，壩頂凹凸不平，本次除險加固對壩頂進行整平，并滿足交通要求，先鋪設10cm厚碎石墊層并夯實，然后澆筑厚20cm C15混凝土，并每8m設置一道伸縮縫，壩頂向下游側按3%坡降放坡，外側修建一條30cm×30cm排水溝。拆除壩頂上游側鋼筋混凝土欄桿，新建防浪墻，寬20cm，采用C15混凝土結構，呈“L”型，墻頂高程為1686.48m。

經過比選與綜合分析得出，從大壩上游壩坡馬道以上至壩頂采用0.5mm厚PE復合土工膜防滲。先拆除原混凝土預制塊及干砌石護坡、原防滲塑料薄膜，清除壩面雜物，并對壩面基礎進行夯實。采用10cm細砂墊層找平壓實，鋪設0.5mm厚的PE復合土工膜，再采用10cm厚的細砂作PE復合土工膜保護層，保護層的鋪蓋速度應與鋪設土工膜速度相配合，最后用8cm厚的C15混凝土預制塊對上游壩面進行護坡，預制塊邊長為20cm的正六邊形，中間留2cm圓孔進行排氣。上游面每隔20m設置一道防滑槽，防滑槽共2道，槽內采用黏土回填。黏土回填必須過篩，其粒徑≤6mm，下落高度≤30cm，回填30cm松土層后方可用輕碾壓實，其壓實度應滿足設計要求。土工膜周邊設置防滲墻，防滲墻接合1988年施工的帷幕灌漿線布置，每隔10m設一道沉降縫，縫寬2cm，并用遇水膨脹定型橡膠止水，縫口用瀝青沙漿填縫。上游馬道處防滲墻寬2.3m，深0.6m，周邊防滲墻寬1.2m，深度≥1.5m。土工膜應嵌固于防滲墻和壩頂C15混凝土嵌固墻中或防浪墻中，嵌固墻及防浪墻中每隔10m設一道沉降縫，縫寬2cm，并用瀝青沙漿止水。馬道以下的上游壩面不作整治。

為防止防滲墻接觸帶滲漏，同時接合1988年施工的帷幕灌漿形成防滲帷幕，庫區左右岸的帷幕線布置抵岸坡，左岸沿伸至壩頂，右岸沿伸至1988年施工的帷幕線上，并作相應補強，同時對接觸帶進行防滲灌漿處理，灌漿采用單排孔布置，分三個次序孔施工，孔距3m，灌漿底界進入基巖或土體3m，帷幕線總長243m，造孔82個，工程造孔總進尺1653m，帷幕灌漿進尺1475m，防滲墻兼作土工膜的嵌固墻和灌漿平臺之用。

4 除險加固后復核評價

4.1 滲流計算

4.1.1 計算公式

滲透逸出水力坡降J=△h/b；土體破壞時臨界水力坡降[Jcr]=(Gs-1)(1-n)；土體允許水力坡降J=Jcr/K。

根據相關規定，安全系數K取1.5～2.0，本工程取1.5，則壩體填筑黏土允許滲透比降J=Jcr/K=(2.7-1)(1-0.41)/1.5=0.67。紅陽水庫大壩為斜墻砌石壩，上游壩段采用均質黏土填筑，下游壩段采用干砌塊石砌筑，大壩塊石部分滲透比降很小，故只判別壩體填筑黏土的滲透穩定。

4.1.2 計算結果

除險加固后滲流計算結果如下：

1)壩體單寬滲流量為2.95×10-5m3/s，壩體滲流寬度按105m計算，壩體總滲流量為0.003m3/s，即約3L/s。

壩體填筑黏土滲流逸出水力坡降為J=△h/b=0.41<[J1]=0.67，壩體滲流性態安全。

2)校核洪水位(1685.40m)+下游無水的情況下所形成的穩定滲流；壩體單寬滲流量為3.17×10-5m3/s，壩體滲流寬度按105m計算，壩體總滲流量為0.0033m3/s，即約3.3L/s。

壩體填筑黏土滲流逸出水力坡降為J=△h/b=0.43<[J1]=0.67，壩體滲流性態安全。

3)水位降落期庫水位由正常蓄水位驟降死水位時壩體填筑黏土滲透逸出水力坡降為J=△h/b=0.36<[J1]=0.67，壩體滲流性態安全。

經以上計算，除險加固后壩體滲流形態安全，浸潤線明顯降低。

4.2 穩定計算

4.2.1 計算方法

計算采用瑞典圓弧法和簡化Bishop法，運用河海大學工程力學研究所編寫的AUTOBANK軟件進行運算。計算時考慮大壩壩頂荷載對壩坡穩定的影響，荷載大小為20kN/m。

計算公式如下：

v=kJ(達西定律)

(4)

(5)

(6)

式中：k為滲流系數，cm/s；J為滲流坡降；W為土條重量；Q、V為分別為水平和垂直的地震慣性力，(向上為負，向下為正)；u為作用與圖條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c′、φ′為有效應力抗剪強度指標；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩；R為圓弧半徑。

4.2.2 計算結果

大壩穩定計算結果表見表2。

表2 大壩穩定計算結果表

5 結 語

通過計算，并且對上述數據研究，可發現除險加固后紅陽水庫大壩在3種工況下均滿足穩定要求。

[1]羅淑香.水庫除險加固措施探討[J].民營科技，2010(02)：138.

[2]傅忠友，吳雪雄.病險水庫除險加固項目管理[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[3]林永鋒，符興義.層次分析法在水庫除險加固效果評價中的應用[J].山西建筑，2010，36(05)：357-358.

1007-7596(2014)01-0120-04

2013-09-13

潘世勇(1981-)，男，貴州織金人，工程師，研究方向為水利水電工程設計。

TV697

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