花馬沖水庫除險加固工程大壩穩定性分析

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

花馬沖水庫地處龍里縣北部三元河上游左支流大竹河上，水庫原校核洪水標準為300年一遇，設計洪水標準為30年一遇。大壩為黏土斜墻堆石壩，即上游部分為黏土夾碎石，作為大壩防滲體，下游部分為人工堆石體，作為大壩的排水體，大壩最大壩高19.50m，壩頂長度108m，壩頂最大寬度16m，壩頂高程1486.73m，大壩迎水面為干砌石護坡，坡度為1∶2，大壩背水面為干砌塊石，坡度為1∶1.1，分別在1479.86m和1478.04m高程處設有2m寬的馬道；溢洪道布置在大壩的左岸，為正槽式溢洪道。堰頂高程為1483.95m，溢流堰型為開敞式寬頂堰，堰寬8m、堰長約為25m，后接坡度約為1∶3的泄槽段；放水涵洞布置在大壩的右側，屬于壩下埋管，為漿砌石箱涵，共長80m，進口底板高程為1474.95m，出口底板高程為1474.75m，斷面尺寸為0.8m×0.8m，設計過水流量為1m3/s，在取水口處設有一個直徑為30cm的雙向轉動閘門，涵洞出口接灌溉渠道。水庫設計正常蓄水位為1483.95m，興利庫容為107萬m3,水庫總庫容為125萬m3。花馬沖水庫是一座以農田灌溉為主兼有防洪功能和水產養殖等功能的小(1)型水庫工程。

2 大壩安全復核及規模確定

安全復核時，根據大壩壩頂高程和溢洪道的現狀，對大壩防洪標準重新進行復核，將該水庫防洪標準提高到500年一遇校核，50年一遇設計。相應水庫總庫容為159萬m3；正常蓄水位1483.95m，相應庫容為122萬m3；死庫容為3.60萬m3，防洪庫容為37萬m3，興利庫容為118.4萬m3。該水庫庫容系數為0.54，為多年調節水庫。

3 除險加固設計

3.1 設計依據

a.《龍里縣花馬沖水庫大壩安全評價報告》

b.《水利水電工程等級劃分和洪水標準》(SL 252—2000)

c.《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》(SL 189—2013)

d.《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》(SL/T 225—1998)

e.其他有關國家、行業標準和規范

3.2 大壩滲流及穩定計算

3.2.1 大壩滲流計算

a.計算目的。確定壩體浸潤線及其下游出逸點位置，核算大壩穩定和分析滲流穩定；確定壩體滲流量，估計水庫滲漏損失。

b.計算原則。大壩為黏土斜墻堆石壩，上游面防滲黏土滲透系數為2.1310-4～2.1710-5cm/s，計算時取平均值為8.510-5cm/s。壩后堆石體作為大壩排水體，具有排水能力。另外，由于大壩清基不徹底，壩基基巖與壩體之間普遍存在一層厚0.20～1.40m的河沙，加之壩基及兩壩肩基巖表層強風化帶(深約為7.5m)，其呂榮值大于5lu，滲透系數為4.4×10-4cm/s，故該壩基強風化帶部分可看成透水地基。綜上，本工程大壩的滲流計算按有限深透水地基上下游有排水設備的土壩進行計算。

根據《小型水利水電工程碾壓土石壩設計規范》(SL189—2013)的規定，滲流計算應考慮水庫運行中的各種不利情況，需計算上游正常蓄水位與下游相應最低水位、上游校核洪水與下游相應最高水位組合。

c.滲流計算及成果分析。根據相關資料，通過壩身和壩基的單寬滲流量計算結果見表1。

表1 滲流計算成果

從計算成果看，通過壩身的滲透水量不大，其計算出的滲透坡降也小于黏土的允許滲透坡降4～6，屬于穩定滲流，但對于由于清基不徹底而在壩基基巖與壩體之間普遍存在的一層河沙，已遠大于其發生管涌的允許滲透坡降0.2，致使大壩發生滲漏破壞，故必須對壩基滲漏問題進行處理。

3.2.2 大壩穩定計算

大壩為土石混合壩，其下游坡度的穩定一般由下游堆石的內摩擦角決定。由于現在沒有條件測出下游堆石的內摩擦角，考慮到大壩建成以來下游坡在目前的坡度下一直保持穩定，且下游坡面有干砌石護坡，并設有兩級馬道，故認為下游堆石坡度是穩定的。下面僅針對大壩上游黏土坡進行穩定計算。

a.計算工況及安全系數。根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》(SL 189—2013)上的規定和本工程實際情況。需計算正常運用條件下庫水位正常降落期的上游壩坡、非常運用條件下庫水位非常降落期的上游壩坡工況。

本工程為Ⅳ等工程，土壩為4級建筑物，根據規范，采用瑞典圓弧法，壩坡抗滑穩定最小安全系數為：正常運用條件1.15，非常運用條件1.05。

如采用簡化畢肖普法，壩坡抗滑穩定最小安全系數為：正常運用條件1.27，非常運用條件1.16。

b.壩體物理力學指標確定。大壩為土石混合壩，上游壩黏土的物理力學指標根據土工試驗和《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》(SL189—2013)規定，按表2取值。該階段土工實驗有天然狀態快剪、天然固結快剪、飽和快剪、飽和慢剪。規范規定水位降落期采用直接固接快剪強度指標(或三軸固接不排水剪總強度指標)，故采用天然固接快剪強度指標。

表2 黏土物理力學指標

c.穩定計算及結果分析。大壩壩坡穩定計算按剛體極限平衡理論法計算，具體計算時用土質邊坡穩定分析程序進行計算，在水庫降落期的計算時假定水位降落前后浸潤線不變，用總應力法計算。輸入數據后，利用該程序計算出結果見表3。

表3 水庫降落期的上游壩坡穩定系數K

根據以上壩坡穩定計算成果，可見其K值在正常運用條件時大于1.27，非常運用條件時大于1.16，均滿足規范要求，證明壩坡是穩定的。

4 水庫安全評價結論

通過對水庫的大壩、溢洪道及放水涵洞進行安全評價，得出如下結論：水庫大壩實際抗洪能力滿足《防洪標準》(GB50201—2014)和《水利水電工程等級劃分和洪水標準》(SL252—2017)規范要求；工程地質及水文地質條件滿足花馬沖水庫建庫要求，無法發揮應有的灌溉效益。

水庫建成至今，出現多次右壩肩上游巖溶塌陷和壩體沉險的險情，并且大壩下游滲漏嚴重，放水涵洞內壁滲漏嚴重，危及大壩的安全；大壩地基處理不到位，且右壩肩巖溶塌陷使大壩防滲斜墻發生變形破壞，致使大壩出現壩基滲漏和滲透破壞；涵洞基礎處理、防滲處理不到位，導致涵洞局部受拉裂變形破壞，影響了對下游渠道的供水。

5 除險加固施工

除險加固的主要內容為：對大壩進行防滲處理，即在壩上游壩腳開挖至基巖增設混凝土截流墻，并在該截流墻上進行帷幕灌漿。以解決壩基滲漏和因此而引起的大壩滲透破壞。另外在截流墻以上的上游壩坡鋪設土工膜防滲，以解決壩身滲漏。

對大壩進行整治，即對壩坡、壩頂外觀進行整治回填，對右壩肩上游的巖溶洞穴進行開挖回填以堵塞進水通道；在大壩右岸新建引水隧洞，同時封堵壩下放水涵洞；對溢洪道進行開挖回填整治。

對進庫公路進行維修改造；維修管理房屋；完善防汛通訊和照明設施；增設自動化監測系統。

5.1 帷幕灌漿施工

帷幕灌漿線沿齒墻布置，左岸跨過溢洪道延伸到左岸山體約12m，右岸延伸到右岸山體約30m。除右岸坡有一段為雙排布置外，其余均為單排布置。帷幕灌漿總進尺為2430m，其中有效進尺為1900m。帷幕灌漿采用自上而下分段灌漿法，分序逐漸加密的原則。選用YQ-100型潛孔鉆造孔，BW-200電動雙缸臥式灌漿機孔內循環法灌漿。

5.2 引水隧洞施工

引水隧洞位于右岸，洞長180m，襯砌斷面為φ1.90m的圓形，開挖斷面為2.5m×2.5m的圓形，進口底板高程為1474.95m。隧洞開挖采用鉆爆法施工，光面爆破，一次成型。出碴采用小型機動車洞內運輸至棄碴場。隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，鋼筋制作在洞外進行，機動車運進洞內后人工就位并綁扎立模。混凝土在洞外拌和，機動車運進洞內后人工澆筑。

5.3 大壩整治施工

大壩整治土方開挖采用1m3挖掘機挖裝自卸汽車運輸，土方填筑采用人工配合小型壓實機械碾壓。

上游壩面經開挖填筑等修整后即鋪設防滲復合土工膜。首先將卷成捆的土工膜沿壩坡由下而上縱向鋪放，同時，周邊用V形槽形式埋固好。鋪膜時不能拉得太緊，以免受壓破壞。回填保護層要與土工膜鋪設同步進行；保護層采用沙壤土或沙，厚度不小于0.50m；先回填防滑槽，再填坡面，回填邊壓實；保護層上面再按設計恢復原有護坡。

右壩肩上游巖溶塌陷坑處理采用人工施工。

5.4 溢洪道整治施工

溢洪道整治施工主要包括土石方開挖、混凝土回填、漿砌石砌筑等，均為人工施工。

6 結 語

花馬沖水庫經除險加固后，防滲處理效果良好，有效提高了大壩運行安全可靠性，保證了下游農田得到正常灌溉，確保下游生命財產安全，經濟效益和社會效益顯著。