南山園水庫除險加固工程關鍵技術研究

秦 曉，李文龍

（山東省臨沂水利工程總公司，山東 臨沂 276000）

在水利基礎設施中，水庫占據重要地位，其具有防洪、灌溉等多重功能。當前，很多水庫防洪能力不滿足規范要求，存在一定質量問題，嚴重威脅到下游居民的生命財產安全。為充分發揮水庫效益和保障防洪安全，開展水庫除險加固是必要且迫切的。

1 基本情況

1.1 工程概況

南山園水庫地處臨沂市沂水縣北部，位于馬站鎮四山官莊村東0.9 km處，坐落于沭河流域上游，庫容21.1 萬m3。水庫建于2002 年3 月，主要功能為防洪排澇，兼顧農業灌溉及水產養殖等；下游涉及人口總數2 700 人、耕地面積413.33 hm2。水庫建成后，除了進行農業灌溉和減輕洪澇災害，還有效改善了當地農業生產條件，帶動了區域整體經濟發展。

1.2 存在問題

由于經濟、技術、管理等多方面限制，南山園水庫的施工標準低、質量差，達不到基本防洪能力標準，經濟社會效益均無法達到設計要求。水庫壩體分區概況如下。

1.2.1 接高壩體

后期加高培厚覆土巖性為礫石土。礫石土為風化山皮土，灰黃色，不均勻，含有風化巖塊，分布于頂部，厚度0.30～0.90 m，層底高程225.18～225.86 m。注水試驗漏水嚴重，1～2 min水位即降至該層底部，滲透系數3.2×10-3～2.1×10-2cm/s，屬于中等偏強透水性材質，滲透系數等指標不符合規范要求。

1.2.2 壩體

壩體填土類型為壤土和砂壤土，并含有部分礫石，鐵鍬不易挖動，通過現場注水試驗得出壤土滲透系數1.5×10-5～4.6×10-5cm/s，呈弱透水性，其余各項指標符合一般土防滲料質量基本要求；壓實度0.85～0.95，相對低于一般土填筑標準要求，詳見表1。

表1 南山園水庫壩體土物理指標

1.2.3 壩前區

壩前表層為干砌塊石護坡，經過多年運行，部分護坡石已發生松動，出現缺失及塌陷等損壞現象。護坡石主要為花崗巖和花崗閃長巖，巖石的大小、厚度均不符合規范要求，且護坡石的平整度、砌縫寬度不達標，砌筑質量一般。在護坡石下墊有一層碎石，其厚度不均勻，粒徑大小不統一，未能達到規范反濾層料基本質量要求。

1.2.4 壩后區

壩后區護坡為自然草皮，坡面呈現高低不平態勢，設有條石砌筑形式的排水溝，但因內部連接處部分砂漿老化，有斷折損壞跡象。

2 除險加固工程設計與關鍵技術

根據水庫現場勘察結果，分析工程中存在的主要問題，通過方案比較，提出水庫的具體除險加固方案與技術。

2.1 除險加固工程設計

2.1.1 設計標準

依據相關防洪標準要求，確定水庫設計標準為20 a一遇、校核標準為200 a一遇。依據相關地震動參數區劃文件，水庫地震烈度為Ⅷ度。

2.1.2 工程布置及主要加固內容

大壩軸線走向與原壩體基本一致，大壩左端0+010—0+180 段大開挖填筑壤土防滲；迎水坡上部開挖部分塊石護坡，未開挖部分保留護坡亂石，以履帶式拖拉機碾壓振密壩坡，上部填筑方塊石護坡。

2.1.3 填筑標準

黏性土料的壓實干密度需用標準擊實儀試驗所得出的最大干密度乘以壓實度計算。理論上當壓實度≥0.95，填土含水量按最優含水量填充，允許偏差值為±3%。砂礫料的壓實標準通常用相對密度值控制，一般要求相對密度≥0.75。

2.1.4 壩體戧臺及邊坡

根據工程現狀，綜合考慮壩型、壩高以及壩基材料等因素，確定大壩背水坡與迎水坡不設戧臺。在背水坡壩腳處，設置坡式排水體，背水坡坡比為1∶2～1∶2.5，迎水坡坡比為1∶2.5。

2.1.5 大壩防滲工程設計

地勘資料顯示，樁號0+020—0+170段高程221.58～224.25 m 以上夾有厚度為0.6～1.1 m的砂壤土層，土體飽和軟弱，具中等透水性。水位上漲時，存在明顯滲漏、滲透變形等問題，嚴重威脅大壩安全，需對大壩樁號0+010—0+180段采取防滲措施。常用的防滲加固方法有開挖填筑、帷幕灌漿等。結合工程實際，經技術比較，確定采用大開挖重新填筑方案。

2.2 除險加固工程關鍵技術

2.2.1 工程開挖

大壩樁號0+010—0+180段開挖，清除砂壤土夾層重新填筑、壓實，填筑壩體設截滲槽，底寬3 m，深入壩體夾層以下2 m。首先進行大壩清表，拆除部分亂石護坡，再使用挖掘機及汽車搬運土方。回填土料應充分利用開挖土料，不足部分外運。筑壩土料依照最優含水量控制，允許偏差為±3%。嚴格把控填筑鋪土厚度，保證壓實度及干密度達到設計要求。

2.2.2 迎水坡石料填筑

目前，大壩護坡亂石質量較差，風化沖刷嚴重。保留大壩迎水坡護坡亂石，用履帶式拖拉機碾壓振密壩坡，以10～20 mm 碎石找平。對于現狀無護坡壩段和上部開挖恢復段，采用履帶式拖拉機削土或補土碾壓振密。

上游護坡加固設計與施工應遵循節約投資、安全可靠的原則，通常護坡采用干砌方塊石、混凝土現澆板、預制混凝土塊等型式，結合工程實際，經方案比選后采用方塊石護坡。

2.2.3 背水坡防護排水

根據相關設計規范，沿壩軸線布設橫向（垂直于壩軸線方向）排水溝5 道，分別位于大壩0+050、0+100、0+150、0+200、0+250 樁號處；背水坡排水體坡腳處設縱向（平行于壩軸線方向）排水溝1 道；兩端各設斜向排水溝1 道。排水溝采用漿砌料石（厚度為0.12 m）型式，下設厚度為0.15 m C25 混凝土基礎。為方便管理，在大壩0+037 樁號處設1 道料石踏步臺階，寬度為0.6 m，下設漿砌塊石基礎。

根據規范要求，大壩樁號0+026—0+090背水坡坡腳設貼坡式排水體，頂高程為223.0 m，外邊坡比為1∶2.5。排水體的布置以干砌方塊石為主，石料厚度為0.15 m，內側設反濾層，從內至外分別為中粗砂（厚度為100 mm）、反濾土工布（350 g/m2）以及粒徑20～40 mm中小石子（厚度為100 mm）。

3 壩坡穩定計算

3.1 大壩滲流穩定驗算

（1）選取斷面位置。將大壩最高處對應斷面作為典型斷面，對應大壩樁號為0+050。經計算需要的各類土的滲透系數，詳見表2。

表2 加固后南山園水庫大壩滲流計算滲透系數 cm/s

（2）工況計算。根據相關設計規范的規定，采用如下計算工況。工況1：上游興利水位，下游無水；工況2：上游設計水位，下游相應頻率洪水位；工況3：上游校核水位，下游相應頻率洪水位；工況4：上游1/3壩高水位，下游無水。

（3）滲流計算。一般采用二維有限元法計算相應的滲流量，使用AutoBank7.5.1 軟件分析數據。各種工況下的滲透流量均較小，滿足設計要求，具體計算結果詳見表3。

表3 南山園水庫大壩滲流計算結果 m3/d

3.2 壩坡抗滑穩定驗算

壩坡抗滑穩定性利用水工結構有限元分析（AutoBank）軟件，結合簡化畢肖普法及有效應力法計算；工程地震情況參照相關設計規范，采用擬靜力法計算。經計算，水庫加固后典型斷面的壩坡穩定性指標均滿足規范要求，具體計算結果詳見表4。

表4 水庫加固后大壩壩坡穩定計算結果

4 結語

南山園水庫除險加固工程實施后，將水庫防洪標準提升至200 a一遇，可削減洪峰40.16%，有效保護水庫周邊及下游413.33 hm2耕地、2 700余口人的防洪安全，減輕洪災損失。同時，可恢復增加有效灌溉面積，調節局部小氣候，增加旅游人文景觀，提升居民的幸福指數，以最大程度發揮水利工程的綜合效益。