小型病險水庫大壩除險加固方案比選

王 軍

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司）

1 工程概況

某水庫位于甘肅境內渭河支流的X河段，是一座以防洪減災、農業灌溉、縣城供水及南部農村供水為主的中小型水庫。該水庫總庫容為1 200萬m3，主要建筑物級別為3級，為中型Ⅲ等水利工程。水庫興利庫容150 萬m3，防洪庫容490 萬m3，死庫容100 萬m3。該水庫建于20 世紀70 年代初期，80 年代初水庫大壩上游壩坡發生滑坡后，及時完成修復；90年代末期對水庫進行了續建及除險加固，至現狀規模。該水庫主要由大壩、輸水泄洪洞、非常泄洪道、管理房及水庫自動化調度中心站等部分組成，自建成投運以來，對當地的農業生產起到了巨大的作用。但由于水庫當時的防洪標準、填筑質量、滲漏情況等問題，經有關部門進行現場檢測后，正式將其確定為病險水庫，決定對其進行除險加固。

2 大壩結構及防滲評價

該水庫壩體主要有粘土心墻、壤土壩殼、反濾層、排水棱體、壩坡干砌石護坡等組成。

其中：①粘土心墻：主要有第三系粘土巖碾壓填筑而成，位于前壩坡，其墻頂中心線距現壩軸線5 m，墻頂高程為2 022 m，頂寬3 m，底寬12 m，粘土心墻底部中間設置有砼齒墻，齒墻底高程為1 990.25 m，齒墻頂高程為1 994.25 m，心墻基礎置于弱風化花崗片麻巖上。在粘土心墻頂2 020 m高程至壩頂高程間，在前壩坡鋪設有土工膜進行防滲處理。②壩殼：均為壤土（重、中粉質黏土）填筑，上游壩坡自上而下為1∶2.80、1∶3.50、1∶3.50。2000 m高程以上采用干砌石護坡，其中在2 020～2 030 m高程間壩坡鋪設土工布防滲層。在2 015 m至2 000 m高程加設石渣混合料壓重體，邊坡為1∶7。下游壩坡自上而下為1∶2、1∶3、1∶2.50。在2 018 m至1 998 m高程，加設石渣混合料壓重體。2 010 m 高程以下采用干砌塊石護坡，護坡厚度30 cm，其下設厚50 cm反濾層，2 013 m高程以上采用草皮護面。③排水棱體：位于下游壩趾主河槽部位，排水體頂高程1 998 m，頂寬2 m，內坡1∶1.00，外坡1∶1.50，壩體與排水棱體接觸部位分別設置0.25、0.25、0.30 m 三層反濾層。壩后排水棱體有隧洞開挖棄料堆積，塊體直徑多為15 ～60 cm的不規則片麻狀花崗巖塊石堆積而成。

綜上所述，該水庫壩體粘土心墻頂高程為2 022 m 較原設計高程2 030 m低8 m，存在心墻防滲不完整、總體防滲體系較復雜等問題。

3 防滲加固方案比選

3.1 工程加固方案簡介

3.1.1 方案Ⅰ：“壩體防滲墻+壩體壓力充填灌漿+壩基、壩肩帷幕灌漿”加固

①壩體防滲墻：將壩頂臨時下挖3.10 m，形成12.0 寬的工作面（施工平臺，高程2 026.90 m），壩體設C15塑性混凝土防滲墻，墻底伸入基巖強風化層內1 m控制，防滲墻厚800 mm，最大深度40.85 m，加權平均深度26.73 m，墻長120 m，總面積3 207 m2。②壩體壓力充填灌漿：考慮沿壩頂布置四排灌漿孔，前兩排分別在壩軸線上游2.00 m和壩軸線下游2.00 m，第三排在壩軸線上游4.00 m，第四排在壩軸線下游4.00 m，按三序鉆灌，孔距2.00 m，河孔深至基巖。為使灌注的漿液析水固結后與原壩體充分結合，漿液材料選用原筑壩土料。③壩基、壩肩帷幕灌漿：帷幕設設一排，孔距2.00 m。因正常蓄水位為2 020.80，遠低于壩頂高程，設計采取壩頂高程2 030.00 m 與透水率（5≤q＜10Lu）防滲線相交的位置，深入相對不透水層以下5 m。最大灌漿孔深54.70 m，最小孔深4.10 m，加權平均孔深35.10 m。由于防滲墻高度較大，帷幕灌漿鉆孔垂直度不易控制，設計采用在防滲墻內預埋帷幕灌漿PVC管（Ф=110 mm）。

3.1.2 方案Ⅱ：“壩體上游壩坡復合土工膜防滲+壩體壓力充填灌漿+壩肩帷幕灌漿”

①壩體上游壩坡復合土工膜防滲：清除上游壩坡防護體及反濾層，壩體開挖1.00 m后鋪設土工布防滲層下延至淤積層2 015.00 m 高程以下3.00 m，黏土夯填至原淤積面高程，土工膜其黃土夯填1.00 m，再上部恢復防護體及反濾層。沿迎水坡壩面與岸坡接觸邊線開挖梯形固埋溝槽，然后將土工膜嵌入弱風化完整基巖。右壩肩開挖邊坡為1:0.75，底部設置混泥土基座（壓漿板），底寬2.00 m，厚0.80 m。帷幕設設一排，孔距2.00 m。因正常蓄水位為2 020.80，遠低于壩頂高程，設計采取壩頂高程2 030.00 m與透水率（5≤q＜10 Lu）防滲線相交的位置，深入相對不透水層以下5 m。岸坡開挖澆筑砼基座后用黏土回填。②壩體壓力充填灌漿：將壩頂臨時下挖3.10 m，形成12.00寬的工作面，壩頂向下壩體壓力充填灌漿，填堵裂縫和隱患為主，同時促進壩體沉陷變形穩定的壓力灌漿。沿壩頂布置四排灌漿孔。第一排在壩軸線上游2.00 m，第二排在壩軸線下游2.00 m，第三排在壩軸線上游4.00 m，第四排在壩軸線下游4.00 m，按三序鉆灌，孔距2.00 m，河孔深至基巖。③壩肩帷幕灌漿：對左右壩肩進行帷幕灌漿。左右壩肩自壩頂布置灌漿平硐，平硐斷面為城門洞型，尺寸為2.50 m×3.00 m（寬×高）。帷幕設設一排，孔距2.00 m。灌漿帷幕伸入兩岸的長度為正常蓄水位為2 020.80與透水率防滲線相交的位置；帷幕灌漿底部深入相對不透水層以下5 m。

3.1.3 方案Ⅲ：“壩體壓力充填灌漿+壩基、壩肩帷幕灌漿”加固

①壩體壓力充填灌漿：沿壩頂布置五排灌漿孔，第一排在壩軸線位置，第二排在壩軸線上游2.00 m；第三排在壩軸線下游2.00 m，第四排在壩軸線上游4.00 m；第五排在壩軸線下游4.00 m，按三序鉆灌，灌漿排距2.00 m，孔距4.00 m，孔深至基巖。為使灌注的漿液析水固結后與原壩體結合較好，具有相同的性質，適應壩體的沉陷變形，漿液材料選用原筑壩土料。②壩基、壩肩帷幕灌漿：壩體底部壩基單排帷幕灌漿，孔距2.00 m，孔深根據壩高按《碾壓土石壩設計規范》SL274—2001 的要求，以滲透率呂容值≤5 Lu 以下5 m 控制。對左右壩肩進行帷幕灌漿。

3.1.4 方案Ⅳ：壩體填筑+振沖碎石樁加固+壩體防滲墻+壩基、壩肩帷幕灌漿

①水庫淤積面以上重新填筑壩體：挖除壩體2 015.00 m高程以上壩體，按壓實度98%重新填筑壩體。②水庫淤積面以下壩體振沖碎石樁加固：大壩淤積面高程2 015.50 m以下壩體存在填筑質量差、壩體裂縫問題，對2 015.00 m 高程以下原松散壩體全壩面采用振沖碎石樁擠密加固，使樁體與壩體組成一個整體。樁身材料采用碎石、卵石，粒徑50 ～80 mm，樁徑1.00 m，樁中心距2.50 m，正方形布置。③壩體防滲墻：壩體設C15塑性混凝土防滲墻，墻底伸入基巖強風化層內1 m 控制，防滲墻厚800 mm，最大深度40.85 m，加權平均深度26.73 m，墻長120 m，總面積3 207 m2。④壩基、壩肩帷幕灌漿：防滲墻底部壩基單排帷幕灌漿，孔距2.00 m，孔深根據壩高按《碾壓土石壩設計規范》的要求，以滲透率呂容值≤5 Lu以下5 m控制。對壩基左右壩肩進行帷幕灌漿。

2.2 加固方案擇優分析

①方案Ⅰ：通過塑性混凝土防滲墻、帷幕灌漿重建壩體防滲體系，能解決壩體滲流問題，通過壩體壓力充填灌漿能解決壩體裂縫問題，是國內同類壩體除險加固常用方案；加固方案可比性投資為1 068.83萬元。②方案Ⅱ：通過上壩坡鋪設土工膜、帷幕灌漿重建壩體防滲體系，能解決壩體滲流問題，通過壩體壓力充填灌漿能解決壩體裂縫問題，土工膜防滲多用于低壩除險加固；加固方案可比性投資為745.40萬元。③方案Ⅲ：通過壩體填充劈裂灌漿、帷幕灌漿重建壩體防滲體系，劈裂灌漿處理后，在堤壩內形成了豎直密實連續的防滲體，增強壩體抗滲能力，改善堤壩滲透穩定和變形，從而達到除險加固的目的，但從全國來看，僅山東、湖南、四川三省發展較快，但壓力控制難度大，在灌漿過程中容易出現堤壩劈壞、堤壩本身失穩、滑坡等問題；加固方案可比性投資為661.12萬元。④方案Ⅳ：通過振沖碎石樁、淤積面高程以上壩體重新填筑，解決壩體填筑質量不滿足規范要求的問題及壩體裂縫問題，壩基、壩肩帷幕灌漿能防滲墻能解決防滲體系不完善問題。加固方案可比性投資為2 692.22萬元，投資巨大，國內采取此方案的同類工程很少。

4 研究結論

綜合上述四個方案的詳細闡述和對比分析，并根據病險水庫主壩除險加固具體情況，從工程量、施工難易度、防滲處理效果，可靠性和耐久性、經濟效益以及對水庫的影響，尤其是生態保護等多方面進行系統分析和比較，推薦采取“壩體防滲墻+壩體壓力充填灌漿+壩基、壩肩帷幕灌漿”加固方案進行除險加固。