淺談水庫大壩滲漏除險加固設計

大埔縣縣城堤圍保護所 廣東大埔 514200

摘要：隨著水庫運行時間的增長，水庫暴露出來的安全隱患也逐漸增多，為了確保水庫的安全穩定運行，及時進行除險加固設計就顯得尤為重要。本文結合施工案例，首先對水庫大壩滲漏的原因以及大壩的穩定進行了探討，并詳細闡述了水庫大壩的除險加固設計，以期為類似水庫的除險加固提供參考。

關鍵詞：大壩；滲漏；原因分析；結構設計；校核；工程質量

水庫大壩在防御洪水災害和保障國民經濟建設上發揮了不可替代的作用，但是由于使用的時間及水庫的老化還有本身施工質量的不理想等原因，使其出現滲漏等問題，導致水庫的整體安全性、適用性和耐久性下降，功能得不到正常發揮，可能會對下游廣大人民的生命財產安全造成威脅。因此，我們必須及時采取相應的除險加固措施，以確保水庫大壩的安全運行。本文結合具體的施工案例，對水庫大壩滲漏原因進行分析，并針對存在的問題提出了一套水庫大壩除險加固設計，以期對加強我國的水庫大壩安全事業貢獻一份綿薄之力。

1 工程概況

大埔縣某水庫大壩采用粘土斜墻進行防滲，壩體為壤土、砂礫料混合壩，壩長90m，壩頂高程410.5m，壩頂寬5.5m，最大壩高25.546m。溢洪道位于大壩左端，為開挖山體形成的開敞式溢洪道，堰體為a型駝峰堰。輸水洞位于大壩左側，為鋼筋混凝土圓形有壓隧洞。洞內徑0.8m，全長146m，（其中主洞126m，發電支洞20m）。

通過現場調查、勘探、測量得知，水庫大壩壩體為壤土、砂礫料混合壩，壩長90m，壩頂高程410.5m，壩頂寬5.5m（含防浪墻0.5m），最大壩高25.546m，粘土斜墻頂高程為408.052m，防浪墻為漿砌石結構，頂寬0.5m，頂高程411.627m，防浪墻經過2次加高，現有15條縱向裂縫，且無止水，不能起到防水作用。實測大壩上游壩坡（自上而下）坡比為1∶2.5、1∶3.0、1∶2.0，實測下游壩坡（自上而下）坡比為1∶1.85、1∶1.93、1∶2.4，上游壩坡為干砌石護坡，下游坡為碎石護坡，壩腳處設置貼坡式排水體。

2 大壩滲漏原因分析

水庫大壩已運行30多年，對其進行安全評估后發現存在以下問題：

（1）根據地質勘察，水庫正常蓄水情況下，左、右壩端山體風化帶存在繞滲，需采取防滲處理。

（2）大壩下游壩坡穩定系數小于允許值。上游壩坡干砌塊石塊徑小，厚度不夠，多為片石，需拆除重修。

（3）大壩沒有任何觀測設施，需對水庫配置觀測設備。

（4）粘土斜墻頂高程408.052低于設計洪水位408.407，不滿足規范要求。防浪墻為漿砌石結構，并沒有止水，起不到擋水作用。

由于大壩心墻高度較小且大壩建筑質量較差，此處容易形成滲流通道。1970年修筑壩體心墻時沒有控制土料質量，根據鉆孔測量發現填土的成分為砂壤土、壤土、砂礫料，整體結構松散，易出現塌孔漏水。此外，壩體內的白蟻巢穴較多，如果蟻穴穿透心墻，將形成很多微小滲流通道。

此處的地層為片麻巖，壩基處的巖石風化嚴重，施工時清除強風化層并不徹底，導致仍存在厚度2m左右的強風化層。根據壓水試驗數據，強風化層的透水率為15Lu左右，弱風化層的透水率為8Lu左右。特別是右壩肩處有明顯裂隙發育，甚至出現繞壩滲漏現象，亟需加固處理。

3 大壩穩定分析

取大壩最不利斷面（0+180m）進行穩定計算，容重取其平均值，滲透系數取其試驗參數的大值均值，抗剪強度指標取其試驗值的小值均值，穩定計算中的飽和容重根據各項試驗值采用下式計算[5]：

（1）

式中：G為土粒比重；r為天然容重，kN/m3；W為天然含水量，%；Rw為水的容重，kN/m3。穩定計算出的大壩土料性能指標見表1。

表1 水庫大壩土料性能指標

位置干容重

g/cm3濕容重

g/cm3飽和溶重

g/cm3滲透系數

cm/s內摩擦

角度凝聚

力kPa

粘土斜墻1.4841.8991.941.308×10-510.519.38

壤土1.5251.9071.961.503×10-520.511.5

砂礫料1.791.932.131.966×10-430.00

按混合式土石壩進行穩定計算，采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧法，計算壩坡抗滑穩定安全系數。根據大壩現狀的實際環境條件和水位參數，計算正常運行條件下和非常工作條件下的邊坡穩定系數，計算成果見表2。

表2 邊坡穩定系數計算結果

計算工況瑞典圓弧法

K計K允

正

常

工

況正常高水位上游坡穩定滲流期1.2381.2

正常高水位下游坡穩定滲流期1.181.2

設計洪水位上游坡穩定滲流期1.2921.2

設計洪水位下游坡穩定滲流期1.181.2

1/3水位上游坡穩定滲流期1.2761.2

1/3水位下游坡穩定滲流期1.1761.2

非常

工況校核洪水位上游坡穩定滲流期1.2381.1

校核洪水位下游坡穩定滲流期1.0561.1

由表2看出，下游坡安全系數小于允許安全系數，所以土壩下游坡是不穩定的，不滿足規范要求，需進行加固處理。

4 大壩除險加固設計

4.1 大壩結構設計

壩頂高程維持原高程410.5m，防浪墻頂高程411.5m，斜墻頂高程408.6m。本次加固設計將壩頂寬度設置為5.5m（含防浪墻），壩頂路面為7cm厚瀝青路面，墊層為15cm厚水泥穩定土基礎和20cm厚砂礫料，路面下游側設15cm寬路緣石。原粘土斜墻頂高程為408.052m，設計粘土斜墻頂高程為408.6m，頂部水平寬度為4.0m，施工時要與原粘土密切銜接好。將原漿砌石防浪墻拆除，新建C25鋼筋混凝土防浪墻。防浪墻后移1.5m，頂高程為411.5m，根據結構要求，防浪墻底寬取1.8m，頂寬取0.45m，高為2.9m，每20m設一道伸縮縫，防浪墻底坐落在粘土斜墻上，見圖1。

圖1 防浪墻結構示意圖

4.2 護坡設計

上游坡坡比維持現狀不變，坡比為1∶2.5、1∶3.0、1∶2.0（自上而下），高程391.5m和399.5m處設3.5m和1.5m寬戧臺。上游坡高程391.5m以上部分，由于干砌塊石徑偏小，厚度不夠，塊石多為片石，因此水位波動較大，冬季產生冰凍破壞較嚴重。本次設計從391.5m高程以上拆除干砌石，重新鋪設30cm厚干砌石，干砌石下新鋪設10cm厚碎石墊層。

下游坡原坡比為1∶1.85、1∶1.93、1∶2.4（自上而下），壩坡穩定系數沒有達到設計規范要求。需要用砂礫料將坡體補至設計壩坡，設計坡比為1∶2.25、1∶2.5、1∶2.5（自上而下）。下游壩坡采用20cm厚的干砌

石護坡，利用大壩上游坡拆除下來的塊石護砌下游壩坡，在高程400.0m處設2m寬戧臺。

將下游坡原貼坡排水體拆除，建新排水體。根據下游坡壩腳水位：391.4m+0.6m，將校核水位定為392.0m。后壩坡設2道寬為1m的上壩踏步，6道縱向和2道橫向排水溝。

4.3 土壩滲流計算

根據地質數據可知，粘土的滲透系數為1.308×10-5cm/s，壤土的滲透系數為1.503×10-5cm/s，砂礫料的滲透系數為1.966×10-4cm/s。滲透流量計算公式：

q=q1+q2 （2）

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