劉口水庫大壩加固設計與穩(wěn)定性分析

胡建平

(夏邑縣水利局,河南 夏邑 476400)

1 工程概況

劉口水庫防洪作用非常重要，保護區(qū)有國家主要鐵路干線隴海鐵路、濟廣高速、105國道、商丘市區(qū)，保護人口70萬人、耕地面積23 333.33 hm2。同時劉口水庫向下游石莊灌區(qū)供水，設計灌溉面積733.33 hm2。但鑒于歷史原因，水庫沒有按照基本建設程序進行勘測、設計和施工，施工質(zhì)量較差，工程存在問題較多，一直帶病運行。一旦因病險問題出現(xiàn)潰決，將會給保護區(qū)帶來嚴重威脅。2009年5月經(jīng)河南省水利廳核查，水庫大壩為三類壩，屬病險水庫，急需進行除險加固，徹底解決水庫的安全隱患。劉口水庫初建時，防洪設計標準較低，設計洪水不足10年一遇標準，校核洪水不足20年一遇。劉口水庫現(xiàn)狀主要建筑物有大壩、溢洪道、分水閘和灌溉閘各1座。

2 大壩工程存在的問題

2.1 壩體存在的問題

劉口水庫壩體存在幾方面的問題：現(xiàn)狀大壩為均質(zhì)土壩，壩體填土主要為輕粉質(zhì)壤土、局部為粉砂，設計干密度16.50 kN/m3。壩體實測資料：①壩體壓實干密度<16.50 kN/m3的占試驗總數(shù)的100%，不合格率達100%。②壩體滲透系數(shù)平均為2.08×10-4cm/s。③壩體無防滲體，下游壩腳處無反濾層。

2.2 壩基存在的問題

壩基存在的問題：劉口水庫興建于1958年大躍進年代，受當時生產(chǎn)力、技術(shù)條件等諸多因素的制約，大壩壩基處理沒有正規(guī)的設計，也沒有按國家規(guī)范進行施工；壩基為粉砂，滲透系數(shù)平均為8.06×10-3cm/s；大壩壩基未作任何防滲處理。

2.3 壩坡存在的問題

壩坡存在的問題：大壩上游為草皮護坡，受風浪淘刷，護坡塌陷，壩腳有部分沖坑，不能起到防沖、防滲作用；大壩下游為草皮護坡，無排水體，無縱橫排水溝，破壞嚴重，抗沖性差，沖溝較多。

3 大壩滲流計算分析

3.1 計算方法和工況

滲流計算采用水力學法求解滲流場。

根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》SL274-2001(以下簡稱《規(guī)范》)，壩體滲流計算工況為：興利水位滲流計算；設計水位滲流計算；校核水位滲流計算；校核水位驟降到興利水位滲流計算。

3.2 計算方法及結(jié)果

滲流計算采用有限元二維滲流方法，土層滲透系數(shù)按各向同性考慮。按不透水地基上，設貼坡排水，下游無水情況。壩體浸潤線及單寬流量計算公式如下：

(1)

L1=L-m1h1

(2)

L2=εmH+tm

(3)

(4)

(5)

式(1)(2)(3)(4)(5)中：h1—浸潤線在下游坡逸出點的高度(m)；L—下游壩腳至坐標軸Oy的距離(m)；H—壩前水頭(m)；q—壩體單寬流量(m3/d/m)；K—壩體土壤的滲透系數(shù)(m/d)；L1—坐標原點到浸潤線在下游坡逸出點的距離(m)；h2—浸潤線在壩頂上游邊線位置的縱坐標(m)；t—水面距壩頂?shù)木嚯x(m)；L2—縱坐標到壩頂上游邊線的距離(m)；ε—經(jīng)驗系數(shù)，一般取0.35。

給出不同的X值(每隔1～5 m)求出不同的y值，繪出h1到h2之間的浸潤線。下游壩坡逸出段滲流最大坡降按下式計算：

(6)

按照《規(guī)范》規(guī)定，允許滲透坡降為：

(7)

式(6)(7)中：Gs—壩體土的土粒相對密度，取2.68；n—壩體土的孔隙率，按照地質(zhì)勘察報告提供的孔隙比e=0.646，計算的孔隙率n=e/(1+e)=0.39；K—安全系數(shù)，取1.50～2.00，此次取1.75。[J]=(2.68-1)×(1-0.39)/1.75=0.58。

通過計算，可得壩體浸潤線逸出點、滲流量和壩體浸潤線坡降見表1、表2。

表1 上下游壩坡分別為1∶4、1∶3時滲流穩(wěn)定計算成果表

表2 上下游壩坡分別為1∶4.50、1∶3.50時滲流穩(wěn)定計算成果表

4 大壩穩(wěn)定復核

4.1 筑壩材料各項指標

劉口水庫始建于大躍進年代，施工前未做全面規(guī)劃和完整設計。由于當時施工技術(shù)力量薄弱，條件限制，施工質(zhì)檢資料基本沒有。大壩穩(wěn)定分析計算所需要的筑壩材料相關指標，主要根據(jù)地質(zhì)勘探成果中各項指標分析選用，見表3。

表3 劉口水庫大壩穩(wěn)定計算主要參數(shù)表

4.2 大壩抗滑穩(wěn)定計算條件

根據(jù)規(guī)范要求，分別對大壩正常工作條件及非常工作條件下的各種危險組合進行穩(wěn)定計算分析。計算工況分以下幾種：正常工作條件。①水庫水位處于正常蓄水位(55.35 m)與下游相應水位之間的穩(wěn)定滲流期。②水庫水位處于設計水位(56.16 m)與下游相應水位之間的穩(wěn)定滲流期。非常工作條件。①水庫水位的非常降落(由校核洪水位56.95 m降落至正常蓄水位55.35 m)。②正常水位+地震。由于劉口水庫位于Ⅵ度地震區(qū)，不再復核抗震穩(wěn)定。

大壩抗滑穩(wěn)定計算。劉口大壩抗滑穩(wěn)定計算采用《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274-2001)中介紹的不計條塊之間作用力的瑞典圓弧法。計算簡圖見圖1。

圖1 抗滑穩(wěn)定計算圖

穩(wěn)定滲流期的安全因數(shù)，由下式確定：

(8)

式中：b—條塊寬度；W1—在壩坡外水位以上的條塊實重；W2—在壩坡外水位以下的條塊實重；Z—壩坡外水位高出條塊底面中點的距離；u—穩(wěn)定滲流期或水庫水位降落期壩體或地基中的孔隙壓力；β—條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；γW—水的密度；C—有效強度指標，土體粘聚力；φ—有效強度指標，土體內(nèi)摩擦角。

通過計算，兩種壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)見表4、表5。

表4 大壩穩(wěn)定計算成果表(上下游壩坡分別為1∶4、1∶3)

表5 大壩穩(wěn)定計算成果表(上下游壩坡分別為1∶4.50、1∶3.50)

由計算結(jié)果表4和表5可見，當上下游壩坡分別為1∶4.50、1∶3.50時，大壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)在正常運用期及非常運用期均大于規(guī)范要求的抗滑安全系數(shù)；當上下游壩坡分別為1∶4、1∶3時，大壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求。因此，大壩壩坡選用上游壩坡1∶4.50，下游壩坡1∶3.50。

5 大壩加固設計

5.1 壩頂工程設計

壩頂寬度的確定。大壩壩頂作為防洪搶險的主要通道，現(xiàn)狀壩頂寬5 m。根據(jù)《碾壓土石壩設計規(guī)范》，中、低壩壩頂寬5～10 m，壩頂寬滿足要求。

現(xiàn)狀大壩殘缺不全，壩頂?shù)缆纷鳛榇髩畏篮閾岆U的主要通道，現(xiàn)路面寬5 m，土質(zhì)路面，現(xiàn)有壩頂路面高程不能滿足設計要求，設計需覆土筑壩至壩頂高程56.95 m，并在上游壩肩增設防浪墻至墻頂高程57.60 m，墻厚0.20 m。加固后壩頂寬5 m，鋪筑0.20 m厚的泥結(jié)碎石路面，路面寬3 m，路面橫坡為2%，單面向下游排水。下游壩肩處布置路沿石，路沿石斷面尺寸為0.15 m×0.50 m，單塊長度0.80 m。

5.2 上游護坡工程設計

上游護坡工程設計采用現(xiàn)澆混凝土板護坡。

護坡厚度計算按下式計算:

(9)

式中：η—系數(shù)，整體式大塊護坡板取1；hp—累積頻率為1%的波高，m；Lm—平均波長，m；m—上游壩坡坡率；b—沿壩坡向板長，m；ρc—板的密度，ρc=2.40 t/m3；ρw—水的密度，ρw=1 t/m3。計算結(jié)果見表6。

表6 現(xiàn)澆混凝土護坡厚度計算表

根據(jù)以上計算結(jié)果，確定現(xiàn)澆混凝土護坡厚t=0.10 m。

現(xiàn)澆混凝土板護坡施工較為簡單，質(zhì)量易保證，工期短、維修管理較方便，優(yōu)點與干砌混凝土塊基本相同，工程造價低于干砌混凝土塊和干砌塊石造價。

5.3 大壩防滲設計

劉口水庫大壩無防滲體，下游無反濾設施。本次除險加固需覆土筑壩，筑壩土料主要為輕粉質(zhì)壤土，由土料重塑土物理力學實驗成果知，壩體滲透系數(shù)平均值為6.93×10-5cm/s，壩體粘粒含量為4.40%～9.00%，平均值為6.70%，和規(guī)范要求粘粒含量10%～30%相比偏低。壩基為粉砂，屬中等透水層，滲透系數(shù)平均值達8.06×10-3cm/s，不滿足《規(guī)范》規(guī)定均質(zhì)壩防滲土料滲透系數(shù)≤1.00×10-4cm/s的要求。因此需對大壩壩體及壩基進行垂直防滲處理，根據(jù)劉口水庫大壩壩體及壩基的土質(zhì)，大壩防滲采用聚氨酯防滲墻。

聚氨酯防滲墻是一種新型防滲材料。它的技術(shù)原理是根據(jù)堤壩防滲設計要求，在需要防滲加固的堤壩段內(nèi)，利用靜力壓入設備，將特制成孔鉆具壓入堤壩中，形成連續(xù)的超薄型孔模。按照一定高聚物漿液配比，通過注漿管向孔模內(nèi)注射雙組份高聚物材料。高聚物材料發(fā)生化學反應后體積迅速膨脹，填充滿孔模并固化，高聚物材料與孔模周圍土體緊密膠結(jié)在一起，將相鄰孔模交叉搭接或連續(xù)搭接，注漿后形成連續(xù)超薄高聚物防滲帷幕或防滲墻，從而達到提高堤壩防滲性能的目的。

5.4 下游壩坡工程設計

下游壩坡高程54.50～56.80 m采用草皮護坡，高程54.50 m至壩腳采用貼坡排水，貼坡排水優(yōu)化方案選擇干砌塊石和干砌混凝土預制塊兩種類型，從經(jīng)濟和技術(shù)上進行比選后，最終確定下游壩體護坡材料的類型。

干砌混凝土預制塊結(jié)構(gòu)。干砌混凝土預制塊0.12 m厚，下鋪0.15 m厚碎石墊層和250 g/m2土工布。

經(jīng)計算，大壩干砌混凝土預制塊護坡每平方米工程量為：混凝土預制塊0.12 m3，碎石墊層0.15 m3，土工布1 m2，投資為：126.35元。

干砌混凝土預制塊方案施工簡單，質(zhì)量易保證，工期短、維修管理方便，但造價高于干砌塊石護坡。

5.5 排水設施設計

現(xiàn)狀大壩下游沒有縱橫向排水溝，雨水在下游形成面流，對壩坡的沖蝕較為嚴重。劉口大壩除險加固在壩腳設縱向排水溝一道；橫向排水溝每間隔50 m設1道，大壩兩端各設1道，高程自壩頂至壩腳，縱橫排水溝連通。排水溝斷面為0.20 m×0.50 m，采用現(xiàn)澆C20混凝土0.20 m厚。

6 結(jié)語

劉口大壩除險加固設計為徹底解決滲透問題，截斷滲透通道，設置大壩防滲墻來解決大壩的防滲問題。防滲墻采用聚氨酯注漿方式，底部深入相對不透水層以下≥2 m。防滲墻頂高程55.55 m，底高程42.85 m，墻深12.70 m。