小型土石壩排水體除險加固方案研究

□劉 克（鄭州市水利建筑勘測設計院）

0 引言

隨各地氣候、地形、地質條件不同，修建的大壩類型也不相同，具有區域性的特點，土石壩是其中重要壩型。在我國，平原區和淺山丘陵區的中小型水庫中以土石壩居多，其中碾壓式土石壩應用最廣泛。眾多的小型土石壩經長年運行，存在不同程度的問題。在所有壩型中，土石壩在出現險情時，對下游的影響是最為嚴重的。為保證庫區群眾人民生命財產安全，我國對小型水庫全面除險加固十分必要。

排水體是土石壩的重要設施，是為了降低壩體浸潤線，減小壩體空隙水壓力，提高壩坡穩定性；控制滲流，防止滲透破壞，保護壩坡土，防止凍漲破壞。其對合理確定壩體尺寸，節約工程投資，保證壩體滲流穩定具有重要作用。我國修建于上世紀50-70年代的小型水庫土石壩，受建設歷史條件影響和長年運行，各設施不同程度出現問題，排水體作為土石壩的主要組成部分，常出現的問題是下游壩坡坡腳排水體缺失或排水體損壞等引起水庫蓄水期間下游壩坡滲流溢出點偏高，極易發生滲透破壞，導致大壩不能正常蓄水使用。

采用現行規范和計算方法對上世紀建設的土石壩進行分析時，往往發現這些小型土石壩并不完全滿足采用現行規范穩定安全系數要求，或者一些下游壩坡排水設施缺失。與新建土石壩設計不同，完全挖除壩體，修復或完善設施后重新回填，尤其是對于相對較高的小型土石壩除險加固來說，顯然不經濟。文章以某鎮小型土石壩排水體除險加固方案選擇為例，闡明小型土石壩除險加固工程設計方案選擇思路。

1 工程概況

某小型水庫興建于上世紀70年代，由于受歷史條件的影響及施工條件的制約，加之各方面的條件限制，施工機具又極其落后，所以水庫存在著許多質量問題，運行過程中出現了幾次險情，經及時處理及限制水位運行，險情基本得到控制，但不能正常發揮效益，需除險加固。壩體排水棱體除險加固是其中主要內容之一。

水庫是一座以防洪、農業灌溉和供水為主的小Ⅱ型水庫，主要建筑物有大壩、溢洪道和放水管。大壩為均質土壩，壩長218m，高30.16m，壩頂寬3.40m，防浪墻平均高1.10m。設計標準為20a一遇設計，300a一遇校核，興利庫容21.34萬m3，總庫容30.95萬m3，可灌溉43.33hm2土地。壩體主要為壤土，土質不均勻，含風化巖屑及小礫石，下游壩腳有排水棱體。放水管為漿砌石城門洞型無壓洞，斷面尺寸1.00m×1.70m，洞長99.00m，最大泄量1.50m3/s。放水管進口有閘門控制；下游出口有一灌溉支洞，現已封堵廢棄。溢洪道位于大壩右壩頭，距壩頭約10.00m，溢洪道底寬11m，下游接陡坡泄流。

水庫位于低山區，兩岸山坡較陡，上部基巖裸露，下部多被第四系坡洪積覆蓋，庫內河谷呈“V”字型，河床寬100～150m,河床零星分布有殘留一級階地，且分布不對稱。壩址區出露的基巖為震旦系石英砂巖和前震旦系絹云母片巖。河槽部分壩基巖層主要為絹云母片巖，裂隙發育，巖體較破碎，表層多具強風化，具弱透水性。兩壩肩基巖均為絹云母片巖，局部有石英砂巖。壩體填土巖性以壤土為主，粘粒含量為24%，土質不均勻，局部填土為砂壤土且含有小礫石及風化巖碎屑，取樣室內試驗滲透系數為4.50×10-5cm/s具弱透水性。

查看本水庫原始設計資料，得知原設計為均質土壩，壩體下游壩坡采用棱體排水的結構形式。但對比水庫原始設計資料和實測大壩斷面，發現原設計的排水棱體在現狀壩體下游坡腳以外部分缺失，并不完整。經現場開挖探坑發現，現狀壩體僅在主河槽及左岸灘地段有排水棱體，但中部棱體高，兩側棱體低，立面大致呈“U”型分布，排水棱體頂高程425.45m，底高程422.35m，壩軸線方向僅長約23m；壩體在河道主河槽右岸灘地段坡腳為土體，無排水棱體，壩基礎局部出露基巖。

2 除險加固設計

按此水庫除險加固地勘資料，對大壩各典型斷面進行滲流分析和穩定分析。設計壩坡穩定分析采用河海大學編制的autobank6.1程序，按瑞典圓弧法計算，采用有限元法計算。壩體穩定滲流期和上游水位降落時的滲透壓力采用近似法計算，即計算滑動力矩時，浸潤線以下、靜水位以上的土體采用飽和密度γs；計算抗滑力矩時，浸潤線以下靜水位以上的土體用浮密度γb（當計算上游坡穩定時，以上游靜水位為準；計算下游坡穩定時，以下游坡靜水位為準）；浸潤線以上土體，不論計算滑動力矩及抗滑力矩，均用濕密度γw；對于上、下游靜水位以下的壩殼部分皆采用浮密度γb計算。土料強度浸潤線以下采用飽和固結快剪小值平均值，浸潤線以上采用原狀土不飽和快剪小均值。計算斷面采用實測壩體斷面。各工況，壩體上下游邊坡穩定分析成果見表1。

表1 復核大壩穩定安全系數計算成果表

根據上述分析計算結果，下游壩坡在設計水位條件下穩定不滿足規范要求，為此需對壩體采取除險加固措施。綜合分析各工況計算結果及試算過程，分析得出壩體下游壩坡不穩定原因是滲流浸潤線位置偏高。

2.1 除險加固方案

針對灘地段壩體無排水棱體和有排水棱體段壩體有不穩定的工況，分析可采用以下2種思路對壩體排水體采取工程措施，確保壩體穩定：①通過降低浸潤線及其下游壩坡溢出點的方式來滿足壩體穩定,②下游坡面增設貼坡排水體，加固壩坡。

為保證主河槽段壩體正常排水，保證下游壩坡抗滑穩定安全，初步考慮3種方案，對比分析后選擇切實可行的加固方案，各方案如下：方案一是恢復原設計棱體排水方案。對灘地段壩體下游坡腳開挖后布設棱體排水，對大壩下游坡高程432.48m至高程426.67m范圍內培土放緩坡比至1：2.50;高程426.67至坡腳421.66范圍內，恢復加固排水棱體，頂寬1m，內坡比1：2.50，外坡比1：3。排水體在干砌石之下采用;方案二是增設貼坡排水體方案。對現狀下游壩按1：1坡削坡后，在坡腳增設貼坡排水體，在設計水位滲流溢出點以上高程433.48m處至坡腳421.66m范圍內增設貼坡排水體，邊坡1：2.50。在有排水棱體段，對現狀排水棱體表面干砌石拆除，清除淤積后，繼續砌筑貼坡排水體；在無排水棱體壩段，新鋪設貼坡排水體，壩坡清基后依次鋪設15.00cm的粗砂墊層和15.00cm礫石墊層和干砌塊石；方案三是增設橋式濾水管輔助排水方案。在現狀下游壩坡腳局部開挖后，對出露壩體斷面順水平方向鉆孔并埋設橋式濾水管，共布置兩排，最底一排距河床地面1m，排水反濾管在開挖坡面上呈梅花狀布置，水平向間距2m，豎向間距均為1m，底層水平向孔長約13.20m，頂層水平向孔長約10.10m。排水花管下游接本次翻修加固的排水棱體。各方案簡圖見圖1、圖2、圖3。

圖1 下游坡腳排水體除險加固方案一簡圖

圖2 下游坡腳排水體除險加固方案二簡圖

圖3 下游坡腳排水體除險加固方案三簡圖

2.2 方案分析與選擇

方案一是按照新建土石壩的思路，恢復完善排水棱體，方案實施后的優點是排水效果好，可有效降低壩體內浸潤線。缺點是，排水棱體需開挖下游坡腳土體后鋪設排水棱體，土方開挖量大，對原壩體擾動大，現有棱體拆除翻修量大。

方案二是按照現狀大壩下游邊坡需要的穩定斷面尺寸與壩體下游排水設施相結合的思路，增設貼坡排水體，加固壩體。優點是現狀下游坡腳壩體結合削坡，可翻修現狀排水棱體中表面已淤塞部分，且整體土方開挖量少，對原狀壩體擾動小，壩體下游坡抗滑穩定和滲流穩定可同時滿足規范要求，缺點是貼坡排水體砌石量較大。

方案三是按照恢復排水棱體排水功能的思路，在無排水棱體的壩段增設水平向橋式濾水管，達到排水棱體同樣排水效果的目的。優點是砌石量較方案二少，對現狀壩體擾動小，缺點是水平向濾水管需水平向鉆孔，施工工序復雜，尤其上排水平相濾水管孔鉆孔距離地面高差4m，水平鉆孔施工難度大，需要墊土作為鉆孔平臺，工期較長。

以上三方案，經分析均可滿足壩體滲流及穩定要求，但投資和工期不同，考慮本工程距離城區遠，但石料豐富，且為小型土石壩工程，長年沉降已穩定，本著盡量減少對壩體擾動，充分利用當地材料和有限投資的原則，最終選定方案二作為壩體下游坡排水體除險加固方案。

3 結語

建國以來，我國在土石壩建設及運行維護過程中，積累了極其豐富的經驗。我國小型土石壩有其自身的建設歷史條件，在除險加固工程設計中，應根據小型土石壩其自身的建設條件、工程現狀條件和小型水庫除險加固工程規模小、投資較少的特點，按照維修加固的思路選擇切實可行的加固方案，盡量減少對現狀壩體的擾動破壞，發揮工程效益。