漿砌石-混凝土新型組合壩結構加固技術及應用研究
——以深圳市赤坳水庫為例

陳 譽，陽秀春，杜佳鍇，徐夢華*

(1.深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東 深圳 518011；2.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510640)

不同于新建大壩，對于已建大壩的加固不僅要考慮除險加固后功能或應對設計標準的提高，而且要考慮已有大壩的材料和結構特性，釆用適宜的加固方案，經濟合理、安全高效地實現加固目標。它需要結合已有的壩工建筑物，充分考慮現有工程的地形、地質及結構特性等邊界條件，結合工程除險加固、提標改造等新的需求，開展基于現狀施工條件如建筑材料、建設工期等進行的深入分析和研究。

大壩除險加固時，對已建大壩的加高加厚是最為常見的工程措施，加固大壩往往新舊壩體采用不同建筑材料，形成新的大壩類型——不同材料復合壩[1]。這種壩型由于兼具了2種或以上壩體的特點，在實現預定功能的基礎上，能夠較好地利用當地較為經濟、可用的壩體材料，能夠充分發揮經濟性。組合壩的加固形式在國內外均有一定的工程實例[2-11]，國內的如位于云南省華坪縣與四川省攀枝花市交界處的觀音巖水電站，該電站左岸為RCC重力壩右岸為心墻堆石壩，兩壩體間由“軟接頭”的形式連接，重力壩可用于泄洪，堆石壩可節省造價。新疆山口水電站的大壩也是采用混合壩，由心墻土石壩和RCC重力壩組合而成。國外同樣也有不少復合壩[12-15]，其中美國的普布羅壩就為支墩壩-土石壩的混合壩形式；日本宮川壩也是混凝土壩-心墻土石壩組合壩。在這些組合壩中，混凝土壩既可以作為土石壩中的心墻防滲體，又能起到擋水壩的作用。

本文結合深圳赤坳水庫實際情況，針對主漿砌石大壩存在的整體抗滑穩定安全裕度不足以及左壩肩存在滲漏的問題，提出“漿砌石-混凝土”組合壩的新型大壩結構加固方案，并通過計算分析其技術可靠性，為大壩加固優化設計提供一種新方案的參考。

1 大壩加固方案

深圳市赤坳水庫(圖1)位于深圳市坪山區坪山河上游支流金龜水上。赤坳水庫始建于1978年，1983年開始蓄水運行，1985年正式竣工驗收。經過30多年的運行，赤坳水庫功能發生轉變。赤坳水庫建庫時主要功能是灌溉、發電及防洪，現在水庫已轉為集防洪、供水、調蓄為一體的城市供水水庫。

圖1 加固典型橫剖面(mm)

赤坳水庫加固前大壩為漿砌石重力壩，大壩壩高39.1 m，壩長(含溢流壩長)195 m，壩頂高程85.1 m，壩頂寬度4.0 m，壩頂設置防浪墻，防浪墻頂高程86.1 m，主河槽段基礎位于微風化花崗巖層上。根據赤坳水庫安全鑒定結論，水庫大壩存在以下問題：主漿砌石大壩整體抗滑穩定安全裕度不足，不能滿足作為城市型水庫大壩的安全設計標準，對水庫下游安全和供水安全都存在一定的風險，而且大壩左壩肩存在壩肩滲漏問題。需要通過除險加固措施，提高和確保大壩結構安全。壩址區呈現對稱河谷，兩邊山體相對渾厚陡峻，不宜完全拆除，因此根據水利行業相關規范，進行加固是有意義和必要的。

庫區兩岸山體雄厚，右岸坡角50～60°，左岸地形坡度較緩，坡角為25～35°，該河谷呈左緩右陡形態。壩址區巖石較為堅硬，左岸壩址區存在裂隙，但無緩傾結構面，無斷層，無軟弱夾層，壩址地質狀況良好。赤坳水庫大壩工程壩址地質條件良好，且強風化層厚度較薄，巖體均一性較好，兩壩肩未發現軟弱泥化夾層及對壩肩穩定嚴重不利的結構面組合，仍適宜維持重力壩型式。

由于赤坳水庫工程區內石料場的石料不能滿足已有的漿砌石大壩的加固需求，壩址區具有較為便利的商品混凝土釆購渠道，且其混凝土骨料質量較好，可滿足壩體加固的需求。因此，本文突破常規釆用物理力學性能較接近的同種材料加高培厚的水庫大壩加固方式，即采用當地較為經濟的工程材料混凝土，未采用現狀條件稀缺但與現有壩體物理力學特性接近的規整石料砌筑。提出“漿砌石-混凝土”新型組合壩結構，以實現工程的技術可行性與經濟合理性的綜合平衡。

1.1 加固方案一

本方案通過釆用在壩前新建防滲墻，墻體內設廊道，對壩基進行帷幕灌漿，新設排水孔等措施，減少壩體滲漏，減小壩體揚壓力，增加壩體自重，增加壩體抗滑穩定。

防滲墻體釆用C30防滲混凝土，墻頂厚1.0 m，凈高39.1 m，墻體上部坡度為1.00∶0.15，57.0～65.0 m高程段坡度為1.0∶0.5。防滲墻底部至57.0 m高程墻厚8.5 m，墻體內部設防滲檢修廊道，廊道尺寸為2.5 m(寬)×3.0 m(高)，廊道釆用矩形結構，廊道底部高程51.0 m，廊道底距基巖面厚5 m，以保證灌漿壓力要求。廊道上游壁距上游側面距離為3.0 m(約0.08倍作用水頭)，以保證滲徑要求。廊道上游側設帷幕灌漿孔2排，孔距3.0 m。下游側設排水孔，孔距2.5 m。廊道下游側設排水溝，通過排水管道將廊道內滲水排至壩體之外。在廊道內部新設壩基揚壓力監測設施，并通過光纜與中控室連接，實現觀測自動化。防滲墻底基礎設在微風化花崗巖層，底高程為46.0 m。

1.2 加固方案二

本方案通過壩肩帷幕灌漿，減小壩肩滲漏。壩后坡釆用C25混凝土墻加厚，增大壩體抗滑力，提高壩體穩定性。

1.2.1右壩段加固

右壩段加固典型斷面見圖2。右壩段加固長度為57.0 m，加固后壩頂高程85.1 m，寬度8.0 m，下游加固后為折面型式，折坡點高程為82.24 m。加固高度為16.0～39.1 m，加固墻體釆用C25混凝土結構(表面配溫度筋)。右壩肩20 m范圍內采取帷幕灌漿處理，防止壩肩新填土與原有填土之間接觸不密實形成繞壩滲漏。灌漿深度18.20～24.66 m，進入中風化巖層深度不小于5.0 m。帷幕灌漿采用雙排孔，孔距及排距均釆用2.0 m。

圖2 右壩段加固典型斷面(mm)

1.2.2中間非溢流壩段加固

中間非溢流壩段位于溢流壩左右兩側，總長度為41.0 m，其中溢流壩右側長31.0 m，溢流壩左側長10.0 m。中間非溢流壩段加固高度為39.1 m，加固后壩頂高程85.1 m，寬度8.0 m，下游加固后為折面型式，折坡點高程為82.24 m。 中壩段在58.0 m高程處設平臺，寬9.69 m。 加固墻體采用C25混凝土結構(表面配溫度筋)。中間非溢流壩段共設3道變形橫縫，寬20 mm， 縫間填設聚氨醋嵌縫。加固典型斷面見圖3。

圖3 中間非溢流壩段加固典型斷面(mm)

1.2.3溢流壩段加固

溢流壩段總長度為29.0 m，加固高度為39.1 m，加固后壩頂高程85.1 m，壩頂寬度6.0 m。加固后堰型為WES堰，堰頂高程82.0 m，鼻坎挑角θ為20°，鼻坎頂端高程55.5 m，反弧半徑采用R=16.0 m。溢流堰段采用C30鋼筋混凝土結構，兩側采用C25鋼筋混凝土翼墻。

溢流壩段通過聯通橋與主壩左右段連接，聯通橋寬度6.0 m，聯通橋總長29.0 m，共5孔，單孔凈寬5.0 m，中間設隔墩，隔墩厚度1.0 m。加固典型斷面見圖4。

圖4 溢流壩段加固典型斷面(mm)

1.2.4左壩段加固

左壩段總長度為60.16 m，加固高度為6.0～39.1 m。加固后壩頂高程85.1 m，壩頂寬度8.0 m。下游加固后為折面型式，坡點高程為82.24 m。左壩段釆用C25鋼筋混凝土結構。

同時利用排水管通水、分塊澆筑等措施降低混凝土水化熱，防止大體積混凝土結構出現溫度裂縫等問題。由于壩后加固基巖較為堅硬，為減小開挖基巖對現狀壩體的影響，基巖開挖采用靜爆法。左壩肩40 m范圍內采取帷幕灌漿處理，加固主壩左壩段與壩基，減小主壩左壩肩與基巖之間的繞壩滲漏。灌漿深度9.95～19.96 m，進入中風化巖層深度不小于5.0 m。帷幕灌漿釆用雙排孔，孔距及排距均釆用2.0 m。加固典型斷面見圖5。

圖5 左壩段加固典型斷面(mm)

推薦方案二相對推薦方案一來說，在增加抗滑力、增加壩體穩定性和減少壩體滲漏的同時，有針對性地設置了壩肩防滲措施，顯著地減小了壩肩的滲漏，解決了壩肩滲漏較大的問題。因此經過比選，選定方案二作為最終方案。按推薦方案二除險加固前后情況見圖6、7。一般情況下，在壩肩滲漏較大的時候，壩后培厚加固法往往更為適用。此外，加固方案的優化總投資為17 404萬元，優化節省的投資達到了8 500余萬元，說明優化方案具有較好的經濟性。

圖6 除險加固前

圖7 除險加固后

另外，本文中新型組合壩由于結合了2種性能差異明顯的筑壩材料，因此在應力以及變形分析時要考慮不同材料接合面的處理，在這一點上，組合壩比較復雜。

2 加固方案的壩體穩定性分析以及滲流評估

2.1 壩體穩定性分析

采用4種工況對加固方案的壩體穩定性進行分析，4種工況分別為：正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位、正常蓄水位+地震。抗滑穩定計算主要核算壩體沿壩基面的滑動穩定性，按抗剪強度公式計算：

(1)

式中K——在抗剪強度計算中與抗滑穩定相關的安全系數；f——壩體材料與壩基接觸面的抗剪摩擦系數；∑W——壩體上作用的所有荷載(包括揚壓力)相對于滑動平面垂直的法向分量大小，kN；∑P——作用于壩體上所有荷載與滑動平面平行的切向分量大小，kN。

摩擦系數按最小值0.6，漿砌石壩體容重按最小值2.1 t/m3，計算結果見表1—4。

表1 方案一非溢流段穩定計算

表2 方案一溢流段穩定計算

表3 方案二非溢流段穩定計算

表4 方案二溢流段穩定計算

由表中可知，2種方案在各工況下，均滿足抗滑穩定要求，說明加固方案改進了抗滑穩定性能。

壩體抗滑穩定計算選擇典型剖面進行抗滑穩定計算，成果見表5。其中，新型組合壩體抗剪斷系數fi=0.8，基巖抗剪斷系數Ci=0.75 MPa，巖體容重為25.51 N/m3，滲壓系數取0.3。由表中的計算結果可以看出，在抗滑穩定方法計算當中，在壩體的左右兩岸，對于“正常水位+溫降”和“設計洪水+溫升”2種基本組合工況以及校核洪水+溫升的特殊組合工況中，安全系數均遠大于規范要求的3.0和2.5的允許安全系數，符合規范要求。

表5 荷載組合

2.2 滲流評估

2種加固方案最主要的作用是對壩體和壩肩的滲流問題進行了處理，因此，新型組合壩的加固方案需要對滲流進行評估。本文對2種方案的滲流結果進行了評估，評估結果見表6。

表6 加固方案的滲流評估

3 結論與展望

針對赤坳水庫大壩工程特點，提出了一種“漿砌石-混凝土”的組合壩型，討論了組合壩的地形適宜條件，以水利行業規范為標準，驗算評估了壩體的穩定性與防滲能力。

組合壩是一種十分復雜的壩體，結合本工程特性開展應用與研究，本文只是一種初步的探索，后續還有待進行深入研究。例如，可進一步通過有限元計算，分析組合壩的應力、變形，以及分析大壩與蓄水之間的流固耦合、地下水滲流與壩基巖體物理力學特性的耦合以及不同地基條件的地震振動特性效應分析等。