水庫大壩迎水面邊坡破壞原因分析及加固措施

劉建

一、工程概述：

某水庫是一座為解決黃河斷流、凌汛、避沙峰期及農灌期不能引水和向城市常年連續供水的矛盾而修建的調蓄水庫，庫內面積14.422Km2總庫容1.4568億m3，圍壩長14.227KM，最大壩高15.24m，壩頂高程17.24m。近年來，由于受超設計風速影響，風浪淘刷對部分壩段干砌石內坡破壞嚴重，威脅水庫大壩的安全，影響了水庫的正常蓄水和送水，為了保證向城市的供水量，增強城市抵御干旱災害的能力，使城市國民經濟建設快速發展，必須保證水庫的安全可靠運行。因此必須對干砌石內坡的破壞部位進行加固處理。

二、大壩迎水面邊坡破壞情況及原因分析：

1、大壩迎水面邊坡原設計情況：

原設計大壩迎水面邊坡采用干砌方塊石護坡，塊石厚度為30cm，砌石下設有反濾層，從壩殼起沿垂直壩坡方向由下而上依次為：中粗砂15cm；0.5～2cm碎石15cm；2～4cm碎石20cm。

2、大壩迎水面邊坡破壞情況：

水庫自建成蓄水以來，每遇大風，迎水面邊坡都造成不同程度的破壞，特別是受春夏季東南風和秋冬季西北風影響，對大壩西北段和東南段砌石護坡的破壞就更加頻繁、嚴重。根據破壞時呈現的形式不同，可分為三種：一是水位變化區三角石數量較多，在風浪作用下，使其產生淘刷、翹起、松動和翻轉，使反濾料裸露后造成破壞；二是壩坡變形，干砌石架空，下面反濾料被淘空，并已沖刷壩殼，局部深達10cm左右，這種情況是運行和管理中不易被發現的危險；三是因反濾料未按設計要求鋪設而被淘空，壩坡形成塌坑，有的部位壩殼已被淘刷10cm以上，這種破壞有時較集中，面積較大。如1995年11月17日，一場風速為25.9m/s的大風造成東南壩段塌坑面積達1557m2。

水庫運行以來內坡塌坑破壞情況統計見表1：

時間（年） 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996

塌坑面積（m2） 2017 2263 13045 3304 1906 12339 2180

3、大壩內坡破壞原因分析：

原設計標準偏低。水庫原設計風速為20m/s，該水庫在這幾年的運行中，據當地水文檢測單位提供的風速值顯示，最大風速可達25.9m/s，已超出原設計值的5.9m/s，且多次超過原設計風速值20m/s，持續時間較長，以原設計風速20m/s和實測最大風速25.9m/s計算波浪對壩面的沖擊力，采用下式計算：

PⅠ=K1K2K3γwh

式中：PⅠ——波浪對壩坡的沖擊力，t/m2

K1——系數

K1=0.85+4.8h/λ+m（0.028-1.15h/λ）

h——浪高，m；h=0.0208V5/4D1/3

V——風速，m/s；D——吹程，KM；

m——壩坡坡度系數，本壩m=2.5；

λ——波長，λ=0.304VD1/2；

K2——系數，查表2；

K3——最大相對波壓力系數，查表3；

γw——水的容量，t/m3；

表2 系數K2

λ/h 10 15 20 25 35

K2 1 1.15 1.3 1.35 1.48

表3 最大相對液壓系數

計算波高（m） 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 ≥4

K3 3.70 2.80 2.30 2.10 1.90 1.80 1.75 1.7

經計算，結果為：V=20m/s時，Pz=3.9t/㎡；V=25.9m/s時，Pz=4.95t/㎡。通過比較得知，最大風速值比原設計風速值形成的對壩坡浪壓力每平方米增大1.05t，所以，設計風速偏低是造成內坡破壞的原因之一。

護坡施工質量差。設計要求的內坡干砌石厚度為30cm，塊石兩邊接觸面的尺寸不得小于25cm，砌筑時，錯縫豎砌，緊靠密實，塞墊穩固。但由于任務重、工期緊，迎水面邊坡施工在14.227㎞的圍壩上全面展開護坡砌筑施工，在施工中對塊石規格尺寸及砌筑質量把關不嚴，三角石數量較多，砌筑質量也達不到有關技術要求。有的部位反濾料混摻，未按設計要求鋪設。經有關部門調研認為：水庫圍壩干砌石護坡砌筑質量較差，塊石合格率僅為32%，砌縫合格率僅為40%左右，這是造成大壩內坡破壞的主要原因。

三、大壩內坡加固措施：

1、加固方案：

由于混凝土的強度和抗沖刷能力較強，采用現澆混凝土板進行加固。設計風速及設計混凝土板厚確定。設計風速值按多年最大風速值25.9m/s的1.2倍即31.08m/s計算，經計算混凝土板厚度t=0.15m。

混凝土原材料及配合比。水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，砂子采用經過篩選的優質天然河砂，碎石粒徑1～2cm占35%，2～4cm占65%，混凝土設計標號為200號。配合比為：水泥：砂：水（重量比）=1：2.35：4.01：0.49，水灰比為0.49；混凝土抗凍標號為M150；抗滲標號為S8；外加劑摻用量為：木朽占水泥重量的0.25%，PC—2占水泥重量的0.3/萬.

2、迎水面邊坡加固施工方案

本水庫受西北風和東南風影響強烈，造成大壩西北段和東南段內坡破壞較為嚴重、頻繁，現只對東南和西北壩段破壞較為嚴重的水位變化區進行加固。在原干砌石面上用15cm厚現澆200#鋼筋混凝土板進行加固，配筋為縱橫向的冷拔絲，混凝土板沿壩坡方向長10.8m，中間設一道橫向伸縮縫，水平方向每8m設一道縱向伸縮縫。為使混凝土與內坡干砌石牢固結合，防止混凝土板下滑，在每層板的頂部和底部各拆除一行干砌石做混凝土齒墻，與混凝土板一起澆注并用長的鋼筋做錨固筋，鋼筋間距2mx2m，呈梅花瓣形布設，下部插入干砌石縫中，上部澆于混凝土中，以增強混凝土板的抗滑力。

四、水庫大壩加固后的使用效果：

經過對該水庫大壩的加固處理，保證了水庫的正常蓄水和送水，保證了該水庫向城市的供水量，增強了城市抵御干旱災害的能力，從而使城市國民經濟建設快速發展。