水庫大壩除險加固設計探析

劉玄

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙410000）

0 引言

近些年，我國不少水庫在實際運行過程中因受到滲漏、大壩變形、壩體結構穩定性較差等安全隱患的影響，不僅無法發揮出其實際應有的效果，而且對人民的生命財產安全產生了嚴重的威脅。因此，加強水庫病險問題與除險加固研究具有重要意義，本文主要圍繞除險加固設計問題展開論述。

1 我國水庫發展現狀

水庫對防汛減災、供水保障和農業灌溉等至關重要。而我國現有水庫大多數修建于上世紀50 至70 年代，雖然近年來已對近7.2 萬座病險水庫進行除險加固，但隨著歲月推移，仍有許多水庫陸續進入病險行列。究其原因，我國20 世紀六七十年代興建的水庫多數為“邊勘測、邊設計、邊施工”，由于缺乏施工、管理、技術等經驗，普遍存在穩定性差、防洪效果差、破損嚴重等問題，產生了不同程度的病險。

大多數病險水庫不能安全穩定運行，水庫調蓄能力有限，能發揮水庫工程應有的效益，長時間帶病運行也使保護范圍內人民群眾的生命財產安全面臨巨大威脅，因此做好水庫大壩除險加固工作十分重要。

2 水庫大壩病險原因分析

據調查，水庫產生病險的原因比較復雜，往往是一種或幾種因素共同作用的結果，且以多種險情并存為主，原因可以歸納為以下幾種：

①防洪標準低。頂高、壩坡坡比及溢洪道斷面達不到規范要求是主因。若壩頂高和溢洪道斷面不足極易在特大暴雨時漫壩漫溢洪道導致壩坡與溢洪道擋墻被洪水沖刷崩塌潰壩倒墻。若壩坡過陡，因穩定不夠而引起壩體滑坡等破壞。

②施工質量差。水庫病險大壩較多為均質土壩，大多土料不達標，人工夯填不實，防滲層薄，塊石硬度及大小不足，防雨與排水不及時，施工質量把關不嚴，施工質量差。

③清基不到位。病險大壩多建于軟土地基，軟土層相對較厚，多數未清基至相對不透水層，土壩完工后沉陷大，常引發壩體局部變形、坍塌。

④壩頂壩周無排水溝。遇短歷時大到暴雨，洪水順壩面漫流，沖刷成溝成渠，導致壩表土松散、滑塌。

⑤管理不善。水庫無專人巡庫，無管理房，發現工程問題處理不及時；閘門、拉桿與啟閉機不配套、銹蝕重且設備老化更換不及時；閘門變形、涵洞漏水處理不及時；啟閉房破舊漏水修繕不及時；缺少專業技術人員、除險資金嚴重不足、缺乏防汛物資，加固及維養計劃工作難開展。

針對水庫存在的病險問題，必須開展針對性的除險加固設計，由此方可確保水庫安全和效益的充分發揮，對地方經濟和社會發展具有十分重要的意義。

3 實例探析水庫大壩除險加固設計方案

3.1 項目概況

本文僅以某病險水庫大壩為例展開分析，水庫工程等別Ⅱ等，控制流域面積1782km2，現狀總庫容5.28 億m3，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發電、養殖等功能的大（2）型水庫。水庫樞紐由土壩、漿砌石壩、溢洪道（閘）、放水洞及壩后水電站等建筑物組成。水庫擋水建筑物全長2216.2m，最大壩高33.65m。水庫灌溉面積48.7 萬畝，壩后電站總裝機容量5640kW。

3.2 水庫大壩病險問題

大壩滲漏方面的問題主要表現在以下幾個方面：

①大壩接高部分斜墻壤土：滲透系數值1.2×10-4～1.3×10-3cm/s，為中等透水層，不滿足規范要求。

②大壩下部心墻壤土：壤土平均壓實度0.95，達不到現行規范要求。心墻土滲透系數范圍值 4.2×10-5～1.4×10-4cm/s，不滿足規范要求。

③截滲槽齒墻壤土：壤土平均壓實度為0.96，達不到現行規范要求。齒墻土滲透系數為5.6×10-5cm/s，不滿足規范要求。

④西副壩壩體寬心墻壤土：壩體壓實度為0.88～0.90，不滿足規范要求。大壩填筑質量不均勻，勘察過程中多產生不同程度的漏漿現象。滲透系數范圍值為1.8×10-4～2.5×10-3cm/s，具有中等透水性，不滿足規范要求，壩體質量差。

⑤東副壩壩體寬心墻壤土：壓實度為0.74～0.99，不滿足規范要求。滲透系數 6.9×10-5～1.2×10-3cm/s，具有中等透水性，不滿足規范要求，壩體質量差。

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3.3 滲流加固設計方案

3.3.1 加固前滲流計算分析

綜合大壩分區分帶性結合重點部位分析，選取大壩0+290 斷面進行二維滲流分析。計算程序選用巖土計算仿真軟件GeoStudio2007 中的Seep/W（地下水滲流分析軟件）模塊。依據地勘建議綜合歷次勘探成果結合測壓管觀測反演調整，選定大壩各分區土料滲透系數。其中，主壩上部壤土滲透系數根據注水試驗情況估算所得。滲透系數選取值見表1。

表1 大壩滲透系數選取值

表2 各計算斷面控制部位計算比降及滲漏量

3.3.2 計算工況

根據水位組合確定計算工況如下：

工況1：正常蓄水位：上游水位：176.27m，下游水位：平壩后地面；

工況2：設計洪水位（p=1%）：上游水位：178.22m，下游水位：平壩后地面；

3.3.3 計算成果

正常運用條件下，心墻出逸點、齒墻、壩坡出逸點比降均滿足規范及運行要求，由于防滲體滲透系數偏大致使壩體單寬米滲漏量較大。非常運用條件下，水流繞過心墻從上部斜墻出逸，出逸比降大于壤土允許值極易產生滲透破壞，浸潤線及壩坡出逸點較高對下游壩坡穩定不利，齒墻接觸面水平比降臨界于允許值容易產生沖刷破壞，壩體單寬米滲漏量大。

3.4 防滲加固設計方案比選

根據現狀結合水庫除險加固的建設性質，大壩防滲加固宜采用垂直截滲措施，即塑性混凝土防滲墻截滲方案。

根據防滲體的位置及擋水要求，初步擬定復合土工膜及粘土斜墻兩個方案。結合大壩上部防滲體的擋水要求確定大壩上部加固采用粘土斜墻方案，即防滲斜墻位于上游壩坡的棱錐體壤土斜墻處，為挖除原壤土置換為粘土方案。根據現有壩型情況，比選上游壩肩及壩前原心墻中心線兩條軸線，軸線Ⅰ上游壩肩處、軸線Ⅱ上游壩坡原心墻中心線處，從便于施工操作減少工程影響，盡可能保留現有大壩上部完好的護坡，降低工程總體造價，選用軸線Ⅰ上游壩肩處。

3.5 加固后滲流計算分析

防滲加固后計算斷面控制部位計算比降及滲漏量見表2。

經防滲加固后，防滲效果明顯，壩體滲流流態及滲漏量較現狀有了顯著的改善。主壩段各計算工況下壩后浸潤線已降至砂層，齒墻、防滲墻、壩后坡出逸比降均顯著降低滿足土體允許要求；大壩滲漏量較加固前減少63%，截滲效果明顯，水頭消減大于80%，壩后浸潤線明顯降低，證明防滲方案合理可行。

4 結語

綜上所述，我國不少水庫經過長期運行，病險問題越加嚴重，落實水庫除險加固工程具有重要意義。針對水庫實際情況，需科學開展除險加固設計，滿足水庫防洪等相關標準，徹底消除大壩不穩定隱患，保證工程安全運行，保障庫區流域人民的生命財產安全。