五華縣巖前水庫大壩穩定性分析及加固設計

江鑌斌

（五華縣水利水電建設中心,廣東 五華 514400）

巖前水庫1966 年4 月建成投入運行,位于五華縣河東鎮大嵩存巖前自然村,大壩為均質土壩,是一座以灌溉為主結合防洪、發電綜合利用的的中型水庫。水庫主體工程現有攔河土壩1 座、溢洪道1 座、電站輸水涵管1 條及發電站廠房等。

水庫于2015 年完成了大壩安全鑒定工作,被評定為三類壩,處于帶病運行狀態。2020 年5 月現場檢查沒有發現有危及安全的變形或裂縫,但是大壩下游壩坡滲漏量較大（低水位狀態下時）。在正常蓄水位以上時,大壩計算浸潤線在下游壩坡出逸,雖然大壩出逸點實際水力比降小于所在部位壩坡全風化土砂質粘性土允許比降[J]=0.421,但出逸點位置偏高（在二級壩后坡以上）,對壩體穩定不利。為了確保水庫后期的運行安全,本文針對巖前水庫大壩進行了穩定性分析。

1 工程現狀

巖前水庫總庫容為1863 萬m3,水庫特征水位表見表1。大壩現狀壩頂高程（珠基,下同）211.22 m~212.63 m,壩頂設有漿砌石防浪墻,防浪墻頂高程212.48 m~213.41 m,最大壩高 32.4 m。壩頂路面采用泥結石路面,壩頂寬6.5 m~7.3 m之間；壩頂左低右高。壩體上游坡坡比從上至下依次為1∶2.5、1∶2.75及1∶3,壩坡采用厚度為 30 cm的干砌石護坡；下游坡坡比從上至下依次為1∶2.3、1∶2.4、1∶3.56,壩坡186.61 m高程以下塊石棱體坡比為1∶1.35；壩下游底部設有水平褥墊排水。

表1 水庫特征水位表

2 大壩現狀穩定性分析

2.1 壩頂高程復核

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）規定,壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和。按下式計算：

式中：A為安全加高,m；e為最大風壅水面高度,m；R為最大波浪在壩坡上的爬高,按莆田試驗站公式計算,采用累計頻率為1%的波浪爬高值,m。

壩頂超高及壩頂高程計算結果見表2,計算壩頂高程為212.867 m。大壩實測現狀壩頂防浪墻高程212.48 m~213.41 m,存在部分防浪墻不夠高,現狀大壩部分壩段高程不滿足設計要求。

表2 壩頂高程計算成果表

2.2 邊坡安全復核

（1）計算工況

1）正常運用條件

①正常蓄水位207.32 m,相應下游無水時穩定滲流期的上下游壩坡穩定；

②設計洪水位210.37 m,相應下游水位182.86 m時穩定滲流期的上下游壩坡穩定。

③水庫水位由校核水位211.62 m降落至堰頂202.0 m時（歷時33 h）,水庫水位降落期的上游壩坡穩定。

2）非常運用條件

①校核洪水位211.62 m,相應下游水位183.84 m時穩定滲流期的上下游壩坡穩定；

②水庫水位由校核水位211.62 m降落至死水位187.25 m時（歷時437 h）,水庫水位降落期的上游壩坡穩定。

（2）壩坡抗滑穩定最小安全系數

按碾壓式土石壩設計規范第8.3.10 條規定,采用計及條塊間作用力的計算方法時,壩坡抗滑穩定最小安全系數,對3 級工程：在正常運用條件下,安全系數k≥1.30；在非常運用條件Ⅰ下,k≥1.20。

（3）計算成果

現狀大壩加固前壩坡抗滑穩定最小安全系數計算成果見表3,從表3 可看出,在設計洪水位與校核水位降落至死水位工況,現狀大壩壩坡抗滑穩定最小安全系數均不符合規范要求。

表3 現狀大壩穩定計算壩坡最小安全系數及滲流量成果表

2.3 滲流安全復核

（1）計算采用程序和計算工況

大壩滲流分析計算方法采用有限元法。

大壩滲流計算的主要工況有：

1）正常蓄水位207.32 m,相應下游無水時的滲流計算；

2）設計洪水位210.37 m,相應下游水位182.86 m時的滲流計算；

3）校核洪水位211.62 m,相應下游水位183.84 m時的滲流計算；

（2）計算成果

現狀大壩下游壩坡浸潤面最大滲透坡降計算成果見表4。從表4 可看出,在設計洪水及校核洪水工況下,現狀大壩下游壩坡浸潤面最大滲透坡降符合規范要求,但逸出點位于排水棱體以上,不滿足規范要求。

表4 現狀大壩穩定計算壩坡最小安全系數及滲流量成果表

3 大壩加固設計

依據安全穩定結果,采用上游壩坡加固方案,重建排水陵體,對大壩采取塑性砼防滲墻+防滲帷幕處理。

3.1 大壩頂高程計算

計算壩頂高程為212.867 m。本階段壩頂高程定為211.80 m,壩頂設1.1 m高的防浪墻,墻頂高程定為212.90 m。

3.2 壩頂結構

大壩壩頂現狀寬度為5.5 m,根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274 -2001）第5.4.1 條規定,壩頂寬度應根據構造、施工、運行和抗震等因素確定。結合本工程實際情況,大壩壩頂寬度仍定為5.5 m。

壩頂采用80 mm厚瀝青砼路面,其下設350 mm厚6%水泥石屑墊層及200 mm厚碎石基層,上游側設1.1m高砼防浪墻,下游側設擋墻。路面設傾向下游2%坡度的散水,防浪墻頂設置照明燈柱。

3.3 壩坡

（1）上游壩坡

現場檢查發現由于大壩前坡發生沉降、護坡局部存在砌石下陷、隆起現象,有較大拉縫,坡前雜草叢生。故采用對大壩前坡培厚,在上游193.0 m及189.5 m高程處各設反壓平臺,193.0 m高程平臺以上游壩坡坡比按原壩坡坡比進行修整（1∶2.1 及1∶2.7）,并設置120 mm厚六角形C20 砼預制塊護坡,六角形C20 砼預制塊與原砌石護面之間采用密實平整的砂石墊層,189.5 m高程反壓平臺以下壩坡坡比為1∶3.0,坡面采用120 mm厚六角形C20 砼預制塊護坡。壩頂高程211.80 m,壩頂寬度保持5.5 m不變（不含防浪墻）。

重建護坡形式采用120 mm厚六角形C20 砼預制塊厚度復核計算如下。

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274 -2001）,混凝土板在浮力作用下穩定的面板厚度可按下式計算：

式中：η為系數,對整體式大塊護面板取1.0,對裝配式護面板取1.1；hp為累積頻率為1%的波高,m；b為沿壩坡向板長,m；ρc為板的密度,t/m3。

計算成果見表5。

表5 大壩迎水坡護坡厚度計算成果表

坡面采用120 mm厚六角形C20 砼預制塊為保證水位驟降時壩體水順利排出,局部預制塊設置排水孔,排水孔采用φ50 PVC排水管（約@2.2 m）。為防止護坡面滑移,沿護坡分別在206.51 m和189.5 m高程設置砼防滑齒槽,在194.5 m高程設置干砌石防滑齒槽。

（2）下游壩坡

下游壩坡比按原壩坡坡比進行,從上到下分為3 級,依次為1∶2.35、1∶2.50、1∶3.50,各級分界高程分別為204.52 m、196.32 m、187.18 m,分界處設2 m~6 m寬馬道,馬道內側設排水溝。下壩坡均采用草皮護坡。

下游壩坡坡腳設排水棱體,排水棱體頂高程為187.18 m,頂寬2 m,外坡為1∶1.7,并于排水棱體頂部及底部各設置排水溝。

排水棱體與壩體及壩基接觸面鋪設500 mm砂墊層及500 mm厚碎石墊層作為反濾。

3.4 壩體及壩基防滲

（1）壩體防滲

壩體防滲采用防滲效果好、可靠性高的塑性混凝土防滲墻。沿壩軸線布置,墻體設計厚度0.8 m（設計厚度考慮了因施工允許偏差所需折減的墻體搭接厚度：施工允許0.5%的垂直度偏差,最大深度40 m）底部至相對不透水層。處理后,大壩壩體浸潤線能得到明顯的降低,有效解決壩體、壩基滲漏問題。

（2）壩基防滲

壩基Ⅴ全風化巖~Ⅳ強風化體滲透系數較大,對于基巖塑性混凝土防滲墻無法施工,故采用帷幕灌漿方案,帷幕灌漿孔距1.5 m,孔深至穿Lu5 以下3 m。

3.5 加固后土壩滲流及穩定計算

壩體填土及壩基各巖土層巖土物理力學指標見表6。

表6 巖前水庫大壩各土層主要物理力學參數建議值

根據地勘資料,對于大壩前坡新培厚填土系來自Ⅱ2料場,對應的干密度為1.53 g/cm3,大于控制干密度為1.51g/cm3（控制壓實度為0.96）,滲透系數平均為1.51×10-5cm/s,壓縮系數平均為0.137 MPa-1,土表現為中壓縮性和弱透水性,土的凝聚力Cq平均為26 kPa,摩擦角φq 平均為24.7°,由于該指標好于原壩體填土指標,最終保守地采用與原壩體填土相同指標參數。

（3）滲流計算

1）計算工況

大壩滲流分析計算方法采用有限元法。大壩滲流計算的主要工況同2.3。

2）計算成果

大壩加固后下游壩坡浸潤面最大滲透坡降及滲流量計算成果見表7,計算結果簡圖見圖1~圖4。從表7可看出,加固后,在各種設計工況下,大壩下游壩坡浸潤面最大滲透坡降均符合規范要求,且逸出點位于排水棱體內,滿足要求。

圖1 正常工況下浸潤線情況

圖2 設計洪水位工況下浸潤線情況

圖3 校核洪水工況下浸潤線情況

圖4 校核洪水降落工況下浸潤線情況（第473小時）

表7 加固后各工況下游壩坡浸潤面最大滲透坡降

（4） 穩定計算

采用簡化畢肖普法計算平面問題的土壩壩坡圓弧抗滑穩定安全系數,并在指定的范圍內尋找最危險的滑動圓弧。穩定滲流期土層抗剪力學指標采用有效應力法（三軸壓縮試驗固結不排水剪有效應力指標）,庫水位降落期用有效應力法和總應力法并以較小的安全系數為準。計算模型采用最大壩高斷面,模型模擬本次勘察揭露的實際劃分地質土層。浸潤線采用滲流計算有關成果。

大壩穩定計算的主要工況同2.2。

按碾壓式土石壩設計規范第8.3.10 條規定,采用計及條塊間作用力的計算方法時,壩坡抗滑穩定最小安全系數,對Ⅲ級工程：在正常運用條件下,安全系數k≥1.30；在非常運用條件Ⅰ下,k≥1.20。

大壩加固后壩坡抗滑穩定最小安全系數計算成果見表8。從表8可看出,加固后,在各種設計工況下,大壩壩坡抗滑穩定最小安全系數均符合規范要求。

表8 水庫加固后大壩穩定計算壩坡最小安全系數成果表

4 結語

大壩除險加固工程當前眾多,大壩安全關系到我國的千家萬戶的用水安全,需要不斷的維護才能確保可持續性的發揮社會及經濟效益。目前巖前水庫加固后運行穩定,依據巖前水庫的加固實例可知,水庫的加固必須要找到其實際存在的問題,并有針對性地采取相對應的措施對其進行除險加固,才能起到事半功倍的作用。