基于實例分析的大壩工程除險加固設計

廖航兵

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣州510635)

1 工程概況

某水庫采用土石混合壩，最大壩高20 m，由于建設年代較早、缺乏后期改建或擴建，水庫大壩的部分指標已經無法滿足現行標準和規范的要求，并且長期處于帶病運行的不良狀態。為確保大壩的安全穩定運行，管理部門會同相關單位對大壩進行了一次全面檢查，證實大壩目前主要存在著以下問題:①防洪能力無法滿足現行標準和規范的要求;②缺乏消能設施:在建設之處，大壩溢洪道下游就未設置消能防沖設施，其后也未進行增設;③坍塌與變形:壩體黏土斜墻存在局部坍塌的問題，左壩段反濾層存在局部滲透變形問題;④設備老化:放水涵洞進水口的閘門啟閉機年久失修，已無法正常運作。

參照現行標準和規范的要求，該水庫的設計洪水為50a 一遇，校核洪水應為500 a一遇，但實地檢查結果顯示，壩頂、防浪墻高程、斷面抗滑系數(各工況條件下)均未達到標準要求、結構穩定評級B 級。同時，大壩滲流比降些許超高，滲流量較小，局部存在集中滲漏的問題，反濾層局部存在滲透變形，大壩穩定評級C 級。

2 除險加固方案

鑒于迎水坡面的護坡塊石已經嚴重風化，本次出現加固工程需以鋼筋混凝土板或瀝青護坡代替原有的塊石護坡;鑒于壩體防滲斜墻局部存在填筑壓實度、滲透性低于規范要求的情況，應采用灌漿或復合土工膜的方式對壩體防滲斜墻進行加固。

為實現以上目標，設計人員在初期設計階段共形成了以下8 種備選方案:

方案1:進一步提升壩頂高程，直至滿足現行標準和規范的要求。該方案實施后，水庫上游的部分村莊將被淹沒，政策處理方面難度較高。

方案2:于壩體右肩新建溢洪道。雖然右岸山體滿足新建溢洪道的條件，但左壩肩已有溢洪道，新開溢洪道容易帶來大壩失穩的問題。

方案3:將新開溢洪道(長度251.3 m)的位置選在大壩右岸公路邊埡口處，同時設置自控翻板閘門。溢洪道的泄水槽、出水渠、進口及控制段分別為130.3 m、84 m、37 m，采取面流消能，消力池高1.8 m、長32 m。

方案4:在不改變水庫正常蓄水位的同時，充分利用自控閘門的性能，在溢洪道堰體上直接開鑿門槽，隨后沿溢洪道軸線方向安裝自控翻板閘門，閘門前布置三道移動式攔污柵欄。

方案5:于側槽左肩山體處開鑿正槽，同時對側槽堰頂進行整理，提升流量系數至0.45;重建溢流壩段，新設5×5 m 閘門作為非常溢洪道。施工結束后，自由溢流堰頂前沿長50 m，正、側槽分別為15 m、35 m，流量系數0.45。雖然該方案同樣涉及山體爆破施工，但范圍相對較小，在全面、充分的保護措施的支持下，壩體穩定性就不會受到來自爆破作業的影響。

方案6:拆除左肩壩體約15 m、拆除全部側槽，新建平行于壩軸線方向的溢流堰，同時，設置6×3.5 m的閘門三扇，閘頂、底高程分別為286.9 m、283.4 m。該方案的資金需求較多，而且后續的運行管理工作難度較高。

方案7:左肩山體開鑿正槽前沿至23 m，同時整理堰頂。施工結束后，流量系數應為0.407，正常蓄水位應為286.1 m。該方案涉及山體爆破施工，而且爆破施工的范圍較大，存在著威脅壩體穩定與安全的可能性。

方案8:將溢流堰左肩正槽段寬度增加至15 m，將側槽溢流前沿長度增加至53 m，同時整理堰頂。施工結束后，側槽溢流堰堰頂高程應為285.9 m，流量系數應為0.502。該方案同時涉及小范圍爆破保護以及溢流堰整理，在綜合比對各方案優缺點的基礎上，最終確定方案八為本次除險加固工程設計方案。

3 除險加固實施

3.1 工程布置與結構型式

加固后，壩頂長、寬、高程分別為65.0 m、3 m、288.1 m，設置于壩頂上游的L 型防浪墻(高1.3 m、厚30cm、墻頂高程289.4 m)采用C15 混凝土現澆。由于壩頂混凝土路面、下游漿砌石塊石防浪墻的風化破損問題非常嚴重，因此將其全部拆除，按標高288.1 m、寬2.6 m 的規格重新澆筑C15 混凝土路面層。壩體采用土石混合壩，壩坡、護坡、防滲斜墻、下游壩坡堆石體均在本次加固范圍之內。

鑒于上游壩坡存在著嚴重的滲漏和塌陷問題，設計人員采用了全部拆除原有壩坡干砌石再新鋪預制塊混凝土護坡(厚度10 cm)的方法，以此提高其抗沖刷的能力。以馬道為界，將上游壩坡分為上下兩段，坡比分別為1∶2、1∶2.5。砌石選擇花崗巖，塊石長度0.8 ～1.2 m，短邊≥40 cm，單塊重約300 kg。堆石所用石料單塊重約100 kg，孔隙率35%，設計容重1.65 t/m3。

在查明防滲墻運行情況的基礎上，擬將原防滲體挖除約3 m，各滲漏點均接受開挖、回填處理并夯實至開挖線。隨后，填筑防滲斜墻至大壩設計斷面，以庫區內的黏壤土填作為筑材料(粒徑＜2cm，礫石含量5 ～25%，土層滲透系數3.95×10－7～2.55×10－4cm/s)。反濾層底部、頂部厚度分別為1.0 m、0.6 m［1］。

3.2 泄水建筑物加固

在本次除險加固工程中，設計人員為泄水建筑物制定了以下處理措施:①減少正常蓄水位至285.9 m;②對溢洪道進行相應處理，提升流量系數至0.502;③溢洪道正槽段向左側山體開挖，提升溢流前沿寬度至53 m。

側槽為開敞式，基巖以弱防滑凝灰巖為主，巖體工程地質類別為Ⅰ類，堅硬致密，節理裂隙不發育，巖體完整性較好，裂隙面有鐵錳質渲染。溢洪道由三部分組成，分別為正槽段(長12.66 m)、側槽段(長36.05 m)、圓弧段(長4.29 m)，堰型均為WES實用堰。

開挖原溢流堰至283.4 m以下，堰身、溢流面分別采用C20 混凝土、C25 鋼筋混凝土。重新開挖泄槽，使底坡坡降達到10.82%，底坡、邊坡護面均采用C20 混凝土(厚20 cm)。采用長度8 m、直徑28 mm的隨機錨桿進行側槽山體邊坡支護。對于泄水槽末端被裂縫貫穿的巖石，工作人員采取了全部挖除并以混凝土回填、鋼筋錨固的處理辦法，以便使消能設施恢復至原狀。采用挑流效能的方式，同時結合相關標準、規范的要求得出理論計算結果，在下游河道設置沖刷坑，以便使可能存在的安全隱患得到徹底消除。

4 結 語

除險加固處理前，水庫大壩存在著壩頂、防浪墻高程、斷面抗滑系數(各工況條件下)均無法滿足標準要求等一系列問題。結合除險加固工程的主要任務以及水庫大壩的實際情況，設計人員在對比多項方案的基礎上最終采用了第八套設計方案，即拓寬溢流堰左肩正槽段至15 m，延長側槽溢流前沿總長至35 m，減少側槽溢流堰堰頂高程至285.9 m，增加流量系數至0.502。

綜上所述，本次研究針對某水庫大壩當前存在的病害問題，提出了相應的除險加固策略，這些策略的實施將使水庫大壩的運營情況得到明顯改觀，希望本次研究對于相關除險加固方案的分析和討論能夠為實際工作的有效開展提供思路上的參考與方法上的借鑒。

［1］戴成宗.華山水庫除險加固大壩計算分析［J］.黑龍江水利科技，2014，42(10):44－47.