龍頸下水庫大壩除險加固工程設計分析

閆苗祥

（中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司,廣東 中山 528400）

1 項目概況

2 大壩安全問題分析

①龍頸下水庫防洪標準不滿足現行國家標準,現狀壩頂路面高程為59.92 m～60.09 m,靜水位60.03 m,低于規范要求；②上游壩坡在正常蓄水位驟降到死水位工況下抗滑穩定不滿足規范要求；下游壩坡在校核洪水位穩定滲流期和設計洪水位穩定滲流期兩種工況下安全系數均不滿足規范要求；西溢洪道邊墻高度不滿足規范要求,東溢洪道基底應力不滿足規范要求,大壩結構安全評定為C級；③壩體實際滲流并未在下游壩坡出溢,有跡象表明存在繞壩滲流現象,但不影響大壩的安全,大壩的滲流性態基本安全,滲流安全評定為B級；④大壩抗震穩定最小安全系數為1.09,略大于《碾壓式土石壩設計規范》的規定值,但其抗震措施不夠完善,故大壩抗震安全評定為B級。

3 大壩加固設計分析

3.1 壩頂高程復核

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）,壩頂超高由波浪爬高、風雍水面高度和安全加高確定[1-2]。計算公式如下：

式中：y為壩頂超高,m；R為最大波浪在壩坡上的爬高,m；e為最大風壅水面高度,m；A為安全加高,m,設計A=0.7 m,校核A=0.4 m。壩頂高程復核計算結果見表1。

表1 壩頂高程復核計算成果表 單位：m

龍頸下水庫現迎水側設有防浪墻,墻頂高程為61.24 m～61.49 m；本次計算壩頂高程最大值為61.08 m,小于現狀防浪墻頂高程,滿足規范要求。但現狀壩頂路面高程為59.92 m～60.09 m,本次復核校核工況下靜水位為60.03 m,大于現狀壩頂路面高程,略低于規范要求,大壩須加高。

3.2 壩頂改造

根據本次壩頂高程復核,確定壩頂高程須不小于60.03 m?，F狀壩頂高程大部分在59.92 m～60.09 m高程左右,相差不大?，F狀壩頂寬約5 m,路面為混凝土路面,現狀路面裂縫較多,且壩頂道路與下游坡面交界處有明顯的開裂,因大壩上下游壩坡坡度較小,使得現狀大壩的抗滑穩定在部分工況下不滿足規范要求,本次考慮對前后坡進行培厚放緩坡比,并且結合管理人員現狀使用情況的需求,壩頂寬度加寬至5.5 m。

壩頂結構設計：拆除現有壩頂路面,重新做瀝青混凝土路面,路面高程（壩頂高程）為60.20 m,寬5.5 m,路面結構自上而下分別為瀝青層,300 mm厚6%水泥穩定碎石基層（分二層碾壓）,300 mm厚級配碎石底基層,路面按2%坡比下游壩坡排水。現狀大壩防浪墻結構為在最初建設采用的三合土防浪墻基礎上加固的漿砌石防浪墻,因現狀防浪墻有表面破損,開裂現象。本次設計對其拆除重建,結構為C25鋼筋混凝土防浪墻,頂高程為61.40 m。重建防浪墻每12 m分縫,結構縫寬20 mm,以聚乙烯閉孔泡沫板填縫,表面用聚硫密封膏封口。

3.3 上下游壩坡改造

大壩現狀上游壩坡為漿砌石護坡,上部坡比1∶1.9,下部坡比1∶2.4；坡面漿砌石護坡凹凸不平,部分壩面砌石縫隙的水泥砂漿剝蝕、局部破損,坡面縫隙生有雜草。大壩現狀下游壩坡為草皮護坡,分為兩級,在高程47.00 m設有寬2 m的馬道,上部坡比1∶1.8（本次測量數據）,下部坡比1∶2.5；下設排水棱體,頂部寬度1 m（高程33.00 m）,背水坡坡比1∶1.5。

本次設計對上游壩坡進行護坡改造,根據已建類似工程經驗,并考慮沉降及受力不均勻等因素采用C25砼護坡,厚度取0.2 m,下設0.15 m厚砂碎石墊層和一層土工布,在坡腳設一道砼齒墻,尺寸為寬0.8 m,深1.2 m。

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3.4 防滲加固方案比選

（1）劈裂+帷幕灌漿法

本方案沿原壩軸線58.09 m高程處設一平臺,首先對壩基及左右壩肩巖石采用帷幕灌漿防滲。后對壩體進行劈裂灌漿,壩體劈裂灌漿以上回填粘土。水泥粘土砂漿與壩體劈裂灌漿和壩基帷幕灌漿形成連續的防滲體。本次設計帷幕灌漿與劈裂灌漿共用一孔,布置3 排（位于壩軸線上游側）,排距2.0m,孔距3 m,梅花形布置。

（2）砼防滲墻

混凝土防滲墻軸線位于壩軸線上游0.45 m處,與壩軸線平行,防滲墻軸線長207.5 m,防滲面積6424.6 m3,其中塑性混凝土防滲墻進入壩體粘性土土層,面積4920.8 m3,剛性混凝土防滲墻進入壩基強風化巖土層,面積1145.7 m3,墻體厚度600 mm。防滲墻厚度T按下式計算：

式中：ΔH為防滲墻承受的上下游最大水位差；[J]為砼防滲墻允許水力坡降,按有關資料[J]取80。

（3）高壓噴射灌漿防滲墻

自壩頂軸線方向布置高壓擺噴防滲墻,防滲墻頂部高程60.00 m,底部進入壩基線以下2 m。防滲墻平均深度45 m,總進尺12416 m。

（4）方案比選

綜合上述三個方案技術和經濟比較結果（見表2）,考慮大壩土質條件及壩高因素,根據當地其它水庫除險加固防滲加固情況及經驗,本次設計推薦采用方案一,即劈裂+帷幕灌漿方案。壩基及左、右壩肩進行帷幕灌漿,要求透水率小于5 Lu,灌漿孔深入5 Lu線不小于5.0 m。壩體填土或全風化巖層進行劈裂灌漿。為降低工程造價,將帷幕灌漿孔與劈裂灌漿孔結合,灌漿孔沿壩軸線上側共布設3 排,孔距3.0 m,排距2.0 m,先進行壩基帷幕灌漿,再進行壩體劈裂灌漿。

表2 大壩防滲方案比較表

3.5 加固后大壩滲流穩定分析

（1）正常運用條件

①正常工況：上游水位為正常蓄水位54.50 m,下游壩后地面高程。

②設計工況：上游水位為設計洪水位57.44 m,下游壩后地面高程。

（2）非常運用條件

①校核工況：上游水位為校核洪水位60.03 m,下游壩后地面高程。

②庫水位非常降落1：上游水位從校核洪水位60.03 m驟降至正常蓄水位54.50 m處；下降時間T=16 h。

③庫水位非常降落2：上游水位從正常蓄水位54.50 m驟降至死水位34.92 m。下降時間T=100 h。

計算結果見表3,由計算結果可知,壩體經過加固及劈裂灌漿處理后,壩體在不同水位及工況時,下游壩體浸潤線降落明顯,浸潤線高程大大低于未進行劈裂灌漿時的高程,下游逸出點均位于排水棱體內。壩體滲漏量減少明顯,均滿足規范要求。大壩在正常蓄水位時,其滲透逸出比降最大值J=0.003,小于J允許=0.41,壩體不會產生滲透破壞。

表3 加固后大壩滲流計算成果表

4 結語

現狀壩頂路面高程為59.92 m～60.09 m,本次復核校核工況下靜水位為60.03 m,大壩須加高處理。因此,本次設計加固大壩,結構為C25鋼筋混凝土防浪墻,頂高程為61.40 m,并采用現澆砼護坡方案對上下游壩坡改造,通過方案比選,確定劈裂+帷幕灌漿的防滲加固方案,核算得知加固后壩體不會產生滲透破壞,水庫的安全性得到了提高,實現了防滲加固的預期目標。通過探討合理的水庫加固設計方法,提出有效的技術方案,為實際工程提供理論依據和實踐指導。