紫金縣中坑水庫大壩除險加固工程設(shè)計研究

張云輝

（河源市水利水電勘測設(shè)計院有限公司,廣東 河源 517000）

水庫是我國重要的水資源調(diào)節(jié)與利用工程,對保障人民生命財產(chǎn)安全和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要作用,但是目前有大量水利工程由于建設(shè)年代久遠(yuǎn),出現(xiàn)了開裂、剝落等老化現(xiàn)象,導(dǎo)致水庫大壩存在一定的安全隱患[1]。中坑水庫大壩是一座重要的水利工程,其建造年代較早,隨著時間的推移,大壩存在的安全隱患日益增加,如今水庫已運(yùn)行了60 多年,雖經(jīng)過一次加固維修,但至今仍存在水庫大壩壩頂泥結(jié)石路面凹凸不平、壩面緣墻部分出現(xiàn)開裂、壩頂寬度不符合規(guī)范要求等。水庫一旦發(fā)生事故,將會對周邊居民、灌溉設(shè)施以及交通道路產(chǎn)生威脅,甚至?xí)斐扇藛T傷亡、基礎(chǔ)設(shè)施毀壞等,危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的堤壩潰壩事故。故水庫在防洪保安方面具有十分重要的作用,水庫的除險加固工程勢在必行。

1 工程概況

中坑水庫位于紫金縣義容鎮(zhèn)大新村境內(nèi),水系屬東江一級支流義容河支流黃洞水,距離義容鎮(zhèn)約6 km,距離紫金縣城約53 km。壩址以上集雨面積0.5 km2,總庫容20.4 萬m3,正常庫容15.77 萬m3,擔(dān)負(fù)著大新村450 畝農(nóng)田灌溉用水的任務(wù),捍衛(wèi)下游耕地2000 畝,人口4000 人,是一座以灌溉為主,兼顧防洪的村管?。?）型水庫。水庫運(yùn)行60 多年來,在防洪、灌溉、等方面發(fā)揮了很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

主壩為均質(zhì)土壩,壩頂路面現(xiàn)狀為泥結(jié)石面寬3 m,最大壩高13.5 m,壩軸線長115 m,壩頂高程83.30 m,壩頂面部分長有較多雜草,水庫物業(yè)化管理中已除草。壩頂路面基本平整,為泥結(jié)石路面,局部凹凸不平,壩面緣墻局部砂漿壓頂脫落、老化；上游壩坡采用砼護(hù)坡,坡比為1∶2.5,護(hù)坡坡面完整；下游壩坡為植草護(hù)坡,坡比為1∶2.5,坡面完整,下游壩坡采用植草護(hù)坡,設(shè)有縱橫向砌石排水溝,結(jié)構(gòu)完好,壩趾設(shè)貼坡反濾排水,排水體外坡比為1∶2.5。

2 大壩除險加固工程設(shè)計

2.1 壩頂高程確定

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 189-2013）,壩頂高程在按下式計算確定[2]：

式中：Y 為壩頂超高,m；e 為壅高,m；R 為設(shè)計波浪爬高,m；A 為安全加高,m,正常運(yùn)用條件取A=0.5 m,非常運(yùn)用條件取A=0.3 m。

當(dāng)m=1.5~5.0 時,正向來波在單坡上的平均波浪爬高可按下式計算：

式中：Rm為平均波浪爬高；m 為單坡的坡度系數(shù)；KΔ為斜坡的糙率滲透性系數(shù)；KW為經(jīng)驗系數(shù),與W/ gH 的大小有關(guān),W 為風(fēng)速,H 為壩前平均水深。

風(fēng)浪壅高計算公式：

式中：K 為綜合摩阻系數(shù),K=3.6×10-6；β為風(fēng)向與壩軸線法線方向的夾角,β=0°；W 為水面上10 m 處的風(fēng)速,m/s；D 為吹程,m；Hm為水域的平均水深,m。

壩頂所需最小高程計算見表1。

由計算結(jié)果看出,水庫壩頂所需最大高程由設(shè)計洪水位工況控制為83.24 m。經(jīng)現(xiàn)場觀測,目前中坑水庫的大壩頂部高程83.30 m>82.24 m,比設(shè)計所需的壩頂高程大,因此目前壩頂高程符合設(shè)計要求。

2.2 壩頂寬度

壩頂寬度應(yīng)根據(jù)構(gòu)造、施工、運(yùn)行和抗震等因素要求確定,可采用4 m~6 m。中坑水庫大壩壩頂路面現(xiàn)狀為泥結(jié)石面,寬度為3 m,不滿足規(guī)范要求,本次除險加固后壩頂寬度的確定,結(jié)合考慮投資及現(xiàn)場地形擬定為4 m。

2.3 壩頂構(gòu)造

本次加固工程對壩頂進(jìn)行硬底化,采用砼結(jié)構(gòu)型式,加固后壩面寬4 m,主壩長115 m,副壩長66.7 m,面層為砼C30厚0.2 m、底層為碎石厚0.1 m、基層為壩體填筑土,間距5 m設(shè)置瀝青杉板伸縮縫止水。壩頂排水設(shè)縱、橫向側(cè)排水坡度2%,縱向?qū)⒂晁貕屋S線引入左右兩岸的下游坡,沿山邊墻豎向排水溝系統(tǒng)相連,橫向?qū)雾斢晁樌麑?dǎo)入上游壩坡砼護(hù)坡面。

水庫大壩壩頂路面現(xiàn)狀為泥結(jié)石,面層為砂礫石,基層為壩體填筑土,考慮到現(xiàn)狀壩面局部較多草根,局部坑洼積水、凹凸不平,平整度較差,且副壩壩頂?shù)缆芳孀鞣姥吹缆?為了大壩防汛車輛及平時通行安全,修復(fù)加固路面結(jié)構(gòu)型式,選用水泥砼路面和瀝青路面進(jìn)行方案比較見表2[3]。

表2 壩頂路面方案比選

由于水庫地處農(nóng)村,周邊道路均為水泥砼道路,通過方案比選,水泥砼道路造價較低,因此本次加固壩頂?shù)缆凡捎盟囗诺缆方Y(jié)構(gòu)型式。壩頂路面寬4 m,主壩長115 m,副壩長66.7 m,面層為砼C30 厚0.2 m、底層為碎石厚0.1 m、基層為壩體填筑土,路面間距10 m 設(shè)置瀝青杉板伸縮縫止水。

2.4 壩體滲流穩(wěn)定復(fù)核計算

大壩滲流計算應(yīng)考慮水庫運(yùn)行中出現(xiàn)各種不利情況,分析采用北京理正軟件設(shè)計研究所《理正巖土工程計算分析軟件6.0 版》的滲流分析計算軟件,采用滲流問題有限元由電腦分析計算,計算斷面選取大壩最大壩高斷面壩中處[4]。滲流穩(wěn)定計算結(jié)果見表3。

表3 滲流穩(wěn)定計算成果表

據(jù)巖土工程勘察報告,壩體主要為粉質(zhì)粘土,壩體滲透變形主要為流土型式。根據(jù)地質(zhì)資料,計算得知大壩填土為粘性土,孔隙率n=0.35,只發(fā)生流土型破壞根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2020）附錄C,壩體填土的臨界水力坡降參照以下公式確定：

式中：Gs為比重,γs=1.92 g/cm3；n 為孔隙率,填土n=0.35；J 為滲透坡降；KB為流土安全系數(shù),取1.5。

計算得：J允許＝0.40 計算得以上三種情況下J正常=0.16,J設(shè)計=0.234,J校核=0.264,均小于J允許,所以,不會發(fā)生流土破壞。

根據(jù)滲流安全計算成果,加固后水庫主壩和副壩計算工況下的滲流坡降小于允許最大值,故不會產(chǎn)生滲流破壞；根據(jù)現(xiàn)場察看,主壩趾反濾排水設(shè)施外觀基本完好,壩坡排水設(shè)施較為完善；副壩下游壩未設(shè)置沿山排水溝,未設(shè)置排水反濾體,長期運(yùn)轉(zhuǎn)對副壩滲流安全有一定影響,本次除險加固,新建副壩棱體排水反濾,完善后坡排水體系,不會產(chǎn)生滲流破壞。

2.5 加固后大壩穩(wěn)定分析

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2001）,壩坡的穩(wěn)定分析采用圓弧滑動條分法計算。圓弧滑動條分法計算簡圖見圖1,主要采用簡化畢肖普法,其穩(wěn)定安全系數(shù)按下列公式計算[5]：

式中：K 為安全系數(shù)；W 為土條重量；V 為垂直地震慣性力（向上為負(fù),向下為正）；u 為作用于土條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；b 為土條寬度；c'、φ為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩；R 為圓弧半徑。

圖1 圓弧滑動條分法示意圖

根據(jù)上述計算工況、計算方法和參數(shù),采用理正巖土計算6.5PB2 版對各種工況進(jìn)行穩(wěn)定分析,計算成果見表4。

表4 大壩抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)計算結(jié)果

計算結(jié)果表明：在正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位所產(chǎn)生的滲透作用下,庫岸后邊坡抗滑穩(wěn)定性最大值都能夠滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；而當(dāng)大壩上部邊坡處最差水位處于恒定滲透狀態(tài)時,大壩上游邊坡處的最大抗滑失穩(wěn)安全極限值仍然符合設(shè)計的規(guī)定。

3 結(jié)語

本工程通過對水庫大壩構(gòu)筑物和運(yùn)行等設(shè)施存在的問題針對性采取除險加固工程措施,完成水庫除險加固任務(wù),消除水庫安全隱患,夯實水庫安全基礎(chǔ),確保水庫運(yùn)行安全和長期發(fā)揮效益,保障群眾生命財產(chǎn)安全。工程完建后,該方案在提高大壩安全性和穩(wěn)定性的同時,也具備了實用性、經(jīng)濟(jì)性和可行性,能保障當(dāng)?shù)厣钌a(chǎn),促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展,可為類似工程提供參考和借鑒。未來還應(yīng)建立完善的大壩安全監(jiān)測和管理機(jī)制,及時發(fā)現(xiàn)和解決大壩存在的安全問題,確保水利工程的安全運(yùn)行。