某水庫(kù)除險(xiǎn)加固溢洪道下游消能防沖段加固處理

李 華，唐 宏

(1.江西省大余縣水利局，江西 大余 341500；2.江西省大余縣水庫(kù)工程管理局，江西 大余 341500)

1 工程概況

某水庫(kù)是一座以灌溉為主兼有發(fā)電、防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù)[1]。工程由水庫(kù)樞紐和灌區(qū)兩大部分組成，水庫(kù)現(xiàn)狀總庫(kù)容1552.2萬(wàn)m3，其中興利庫(kù)容1206萬(wàn)m3，為年調(diào)節(jié)中型水庫(kù)。水庫(kù)現(xiàn)狀設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇設(shè)計(jì)，1000 a一遇校核，校核洪水位為363.24 m，水庫(kù)正常蓄水位為360.00 m。水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積1.02萬(wàn)畝，灌溉保證率90%。保護(hù)下游人口0.96萬(wàn)人，耕地1.7萬(wàn)畝。水庫(kù)于1980年6月建成開(kāi)始蓄水運(yùn)行，至今已運(yùn)行30余年，發(fā)揮了巨大的工程效益。2015年6月8日以來(lái)，水庫(kù)內(nèi)連降大雨和暴雨，6月11日因大量洪水沖刷導(dǎo)致水庫(kù)溢洪道底部靠廠房側(cè)山體產(chǎn)生大面積滑坡，嚴(yán)重影響了大壩和電站的安全。為確保水庫(kù)的安全運(yùn)行，充分發(fā)揮水庫(kù)的灌溉、防洪、發(fā)電等綜合效益，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行應(yīng)急除險(xiǎn)加固。本文主要進(jìn)行溢洪道存在的問(wèn)題、工程地質(zhì)條件分析以及溢洪道消能防沖復(fù)核，并進(jìn)行溢洪道下游消能段除險(xiǎn)加固。

2 溢洪道存在的問(wèn)題

水庫(kù)溢洪道位于大壩南側(cè)，與壩肩相鄰，溢洪道沿左岸渾厚的山體斜坡布置，溢洪道全長(zhǎng)176 m。溢洪道目前存在的主要問(wèn)題有：(1)溢洪道陡坡段末端右岸山體出現(xiàn)滑坡(1#滑坡)，面積約250 m2。陡坡段末端左岸出現(xiàn)滑坡(2#滑坡)，面積約600 m2；(2)溢洪道樁號(hào)0+105～0+113 m樁號(hào)處為F1斷層，斷層寬6 m～8 m，與溢洪道呈大角度相交，經(jīng)多次泄洪沖刷，現(xiàn)狀已形成深3.5 m的沖刷坑；(3)溢洪道陡坡段末端右側(cè)邊坡沿F1斷層方向完全被沖毀，并在北西側(cè)形成5 m～6 m深的沖刷坑。

3 工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

水庫(kù)庫(kù)區(qū)屬構(gòu)造侵蝕的中低山坡陡地貌，地面呈波狀起伏，溝谷發(fā)育，地表高程一般在300 m～600 m之間。庫(kù)周兩岸山坡坡度一般為25°～35°，靠近大壩地段岸坡坡度約30°，水庫(kù)區(qū)河床較窄，河谷呈“U”字型，庫(kù)盆較平緩，庫(kù)前地形開(kāi)闊。庫(kù)區(qū)內(nèi)出露的地層巖性主要有：晚侏羅世下渡組(Jxd)紫紅色流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r，第四系沖洪積砂礫卵石層(Qal+pl)、第四系含碎石坡殘積層(Qdl+el)粘土等。庫(kù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，以斷層和節(jié)理裂隙為主，無(wú)區(qū)域性大斷裂構(gòu)造帶通過(guò)。庫(kù)區(qū)巖體風(fēng)化作用強(qiáng)烈，地表巖石多為強(qiáng)至全風(fēng)化，全風(fēng)化層厚度一般為0.8 m～3.5 m，局部達(dá)到4 m以上。第四系殘坡積層遍布庫(kù)周山體，其厚度一般為0.6 m～1.5 m，最厚可達(dá)2 m以上。庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，地下水主要來(lái)源于大氣降水，根據(jù)含水層性質(zhì)、地下水埋藏條件，本區(qū)地下水含水層為：孔隙性含水層和裂隙含水層。工程區(qū)場(chǎng)地類(lèi)型屬堅(jiān)硬～中硬，場(chǎng)地穩(wěn)定性較好，測(cè)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度小于0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，相應(yīng)地震基本烈度小于6度。

溢洪道下游段0+105 m～0+113 m底板為F1斷層，斷層被弱至全風(fēng)化輝綠玢巖脈(βμ)充填，全風(fēng)化輝綠玢巖脈浸水易軟化、崩解，抗沖刷能力差，經(jīng)多次泄洪沖刷，該地段已形成深3.5 m的沖刷坑，并導(dǎo)致溢洪道右側(cè)邊墻失穩(wěn)坍塌，且有進(jìn)一步加深沖刷的趨勢(shì)，該段溢洪道存在地基穩(wěn)定性差的工程地質(zhì)特性，巖體基本質(zhì)量等級(jí)屬Ⅴ類(lèi)，物理力學(xué)性能差。

4 溢洪道消能防沖段加固處理

4.1 溢洪道消能防沖復(fù)核

陡槽段末端采用挑流鼻坎進(jìn)行消能，鼻坎頂高程348.37 m，挑射角25°。挑流計(jì)算采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的計(jì)算公式，即：

(1)

式中：L為自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m；θ為挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角25°；h1為挑流鼻坎末端法向水深，m；h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差，m；V1為鼻坎坎頂水面流速，m/s，可按鼻坎處平均流速V的1.1倍計(jì)，以上參數(shù)值見(jiàn)表1。

沖刷坑最大水墊深度計(jì)算公式：

T=Kq0.5Z0.25

(2)

ts=T-z

(3)

式中：T為自下游水面至坑底最大水墊深度，m；ts為沖坑深度，m；q為鼻坎末端斷面單寬流量，m3/s·m；Z為上下游水位差，m；z為下游水深，m；k為綜合沖刷系數(shù)，選用k=1.40。

挑流計(jì)算復(fù)核根據(jù)規(guī)范要求采用30 a一遇洪水復(fù)核，計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 挑流消能復(fù)核成果表

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)挑流消能的安全挑距的規(guī)定，應(yīng)不影響壩趾基巖穩(wěn)定，沖坑最低點(diǎn)距壩趾的距離應(yīng)大于2.5倍的坑深。水舌入水寬度應(yīng)不影響沖坑兩側(cè)岸坡或其他建筑物的穩(wěn)定。從表1可知水庫(kù)的消能防沖滿(mǎn)足要求。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和工程地質(zhì)評(píng)價(jià)，在溢洪道樁號(hào)0+105 m～0+113 m(挑流沖坑位置)斷層位置，溢洪道存在地基穩(wěn)定性差的工程地質(zhì)特性，因此需對(duì)沖刷坑進(jìn)行處理。

4.2 消能防沖段加固方案比選

本次溢洪道消能防沖段加固依據(jù)泄水消能后行洪線(xiàn)路，擬選用兩種方案進(jìn)行比較分析。

(1)方案一

恢復(fù)原溢洪道行洪線(xiàn)路方案，新建溢洪道右側(cè)墻，對(duì)沖刷坑進(jìn)行回填、護(hù)砌，拓寬修整溢洪道出水渠，具體建設(shè)內(nèi)容為：

對(duì)1#沖刷坑采用C25埋石砼填筑，并在面層設(shè)C25鋼筋砼護(hù)坦，護(hù)坦長(zhǎng)10 m，寬14.5 m～16 m，厚1 m，面層設(shè)φ14鋼筋網(wǎng)，間距200 mm。護(hù)坦設(shè)DN100PVC排水管，間距2 m×2 m，梅花型布置。

對(duì)2#沖刷坑由下至上分三級(jí)填筑。第一級(jí)為2#沖刷坑回填，填筑材料為C25埋石砼，填筑最低高程319.6 m，頂部高程324.5 m～326.0 m。第二級(jí)為新建側(cè)墻基礎(chǔ)，采用C25埋石砼填筑，高程326.0 m～333.0 m。呈臺(tái)階狀，每級(jí)臺(tái)階寬0.5 m，高1 m。第三級(jí)為C25埋石砼側(cè)墻填筑。側(cè)墻頂寬0.8 m，底寬2.6 m～3 m，高4 m～5 m，擋墻內(nèi)側(cè)坡比1∶0.05，外側(cè)坡比1∶0.45，擋墻設(shè)置范圍為溢洪道樁號(hào)0+103.5～0+131.5，總長(zhǎng)28 m。

樁號(hào)溢0+96.5～0+103.5，新建右側(cè)導(dǎo)墻，導(dǎo)墻高2.5 m，頂寬0.5 m為C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)。導(dǎo)墻基礎(chǔ)采用臺(tái)階式開(kāi)挖，每階寬1 m。設(shè)有一排Φ25錨筋與墻身鏈接，錨筋長(zhǎng)2 m，間距1 m，深入巖基1.5 m。

樁號(hào)溢0+131.5～0+176.0，對(duì)出口段巖體進(jìn)行開(kāi)挖平整拓寬，開(kāi)挖平整后底高程為333.0 m，左側(cè)開(kāi)挖邊坡為1∶0.5。

(2)方案二

維持現(xiàn)有溢洪道行洪線(xiàn)路，在2#沖刷坑區(qū)域新建消力池，并對(duì)沿線(xiàn)岸坡進(jìn)行護(hù)砌，出水渠段突出的阻礙行洪的巖體進(jìn)行挖除。具體建設(shè)內(nèi)容為：

對(duì)1#沖刷坑采用C25埋石砼填筑。并在面層設(shè)C25鋼筋砼護(hù)坦，護(hù)坦頂高程332.0 m，厚1 m，面層設(shè)一層φ14鋼筋網(wǎng)，間距200 mm。護(hù)坦設(shè)DN100PVC排水管，間距1 m×1 m，梅花型布置。

對(duì)2#沖刷坑采用C25埋石砼回填，填平至324.5 m，上部新建C25鋼筋砼消力池，消力池長(zhǎng)10.5 m，寬10 m～12 m，厚0.8 m。池底高程325.5 m，設(shè)雙層φ16鋼筋網(wǎng)，間距200 mm。池底底設(shè)φ100PVC排水管，間距2 m×2 m，梅花型布置。消力池后設(shè)有C25鋼筋砼消力坎，坎頂高程327 m，消力坎后是布置10 m長(zhǎng)的海漫。

新建C20埋石砼擋墻56.5 m，擋墻布置在行洪渠道兩側(cè)受洪水沖刷嚴(yán)重的區(qū)域。擋墻高3 m～4 m，頂寬0.5 m，外坡坡比1∶0.05，內(nèi)坡坡比1∶0.3.5。

對(duì)溢洪道沖刷坑后樁號(hào)0+131.5～0+176.0處，突出阻礙行洪的巖體進(jìn)行拓寬平整處理。

(3)對(duì)比分析

分別對(duì)兩種方案的地形地質(zhì)條件、工程布置、施工條件、主要工程量、施工進(jìn)度、工程投資等進(jìn)行分析整理，綜合匯總兩方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行比較，見(jiàn)表2。

從表2看出，兩種加固方案均能起到消能防沖效果，對(duì)溢洪道末端及兩側(cè)岸坡均能起到較好的保護(hù)作用，施工工藝與施工條件均較為成熟方便。方案一投資較高，巖體開(kāi)挖方量較多，但溢洪道保持原有的行洪線(xiàn)路，不會(huì)生產(chǎn)新的沖刷隱患。方案二投資較小，較好利用了現(xiàn)有的地形條件，減少巖體開(kāi)挖量。但因其改動(dòng)了原來(lái)的泄洪渠道，會(huì)對(duì)兩岸產(chǎn)生新的沖刷安全隱患，并對(duì)下游產(chǎn)生一定的影響。

表2 加固方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件比較表

綜合比選，方案一工程投資略高于方案二，但該方案治理效果較好，滿(mǎn)足溢洪道泄洪消能的要求，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生新的安全隱患，因此本次溢洪道消能防沖段加固擬采用方案一。

4.3 滑坡體治理加固方案

4.3.1 滑坡成因分析

從總體上來(lái)看，造成滑坡的成因主要有以下幾點(diǎn)：

(1)在F1斷層處，溢洪道邊坡受斷層影響，邊坡穩(wěn)定性差，曾沿F1斷層方向發(fā)生滑坡，目前該邊坡已基本穩(wěn)定；

(2)連續(xù)暴雨是滑坡產(chǎn)生的直接誘因；

(3)溢洪道的邊坡開(kāi)挖改變了坡體的原始地形，對(duì)坡體前緣卸荷，減小了滑體阻滑力，從而降低滑坡的穩(wěn)定性，是形成滑坡的另一重要因素。

4.3.2 滑坡治理方案確定

(1)1#滑坡體

現(xiàn)場(chǎng)檢查1#滑坡體滑移面裸露，為巖質(zhì)邊坡，坡面基本穩(wěn)定。1#滑坡體位于陡坡段末端左側(cè)山上，其位置對(duì)下游溢洪道泄洪安全影響較小。因此，本次應(yīng)急加固不對(duì)其進(jìn)行加固處理，僅在邊坡坡頂設(shè)截水溝，加以襯砌，以防止地表水注入滑坡體，影響滑體穩(wěn)定性，截、排水溝采用梯形截面，C20砼結(jié)構(gòu)。

(2)2#滑坡體

2#滑坡體滑移面裸露，為巖質(zhì)邊坡，坡面平順光滑，已處穩(wěn)定狀態(tài)，本次應(yīng)急加固對(duì)坡面殘余滑坡體進(jìn)行清除，沿滑坡體后緣設(shè)置截水溝，截水溝結(jié)構(gòu)形式同上。

5 結(jié)論及建議

該水庫(kù)于1980年6竣工投入運(yùn)營(yíng)，至今已運(yùn)行30余年，工程效益顯著，為發(fā)展該地的地區(qū)經(jīng)濟(jì)，提高人民的生活水平和質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。除險(xiǎn)加固為水庫(kù)的正常運(yùn)營(yíng)，地區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全提供了安全保障。工程于2018年完成除險(xiǎn)加固，除險(xiǎn)加固后水庫(kù)正常運(yùn)行，建議水庫(kù)溢洪道除險(xiǎn)加固后在運(yùn)行中要加強(qiáng)管護(hù)和觀測(cè)，防微杜漸，避免造成損失。