七盞燈水庫安全評價與除險加固方案設(shè)計(jì)研究

余慕琴,夏麗佳

(1.廣州禺山水務(wù)勘測設(shè)計(jì)股份有限公司,廣州 511400;2.珠江水利科學(xué)研究院,廣州 511400)

0 引 言

由于當(dāng)時的經(jīng)濟(jì)社會環(huán)境、科學(xué)技術(shù)水平的局限,許多中小型水庫由于缺少有效的管理與維修,導(dǎo)致水庫的安全性無法得到充分的保障,無法充分利用其綜合優(yōu)勢。為此,加強(qiáng)水庫的滲漏檢測與安全性分析,深入研究水庫的病險情況,及時采取合理的除險加固方案,為確保水庫的正確運(yùn)營,推動當(dāng)?shù)氐目沙掷m(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這篇文章主要研究了水庫的滲漏情況以及其建筑物的穩(wěn)定性。

1 工程概況

位于廣州市番禺區(qū)市橋城區(qū)西大夫山森林公園的七盞燈水庫,坐落在一片山巒之中,其長度大概在400m,而其中的湖泊則有130m～155m的湖泊。位于西大夫山森林公園的壩址區(qū)是一片由沖積而成的山間盆地,其中的山峰海拔一般介于19.00～54.00m之間,其中,左岸的山峰海拔最高,達(dá)到110.00m,而右邊的山峰海拔則達(dá)到88.00m,山體的斜率介于5°～38°之間。

2 滲流安全評價

在對建筑物的滲流安全性進(jìn)行評估之前,必須先確保其壩基的穩(wěn)定性,因?yàn)樵跐B漏的情況下,不僅可能導(dǎo)致淹沒的問題,還可能引起嚴(yán)重的后果,如滑坡、管涌、流泥等,這些都將嚴(yán)重危害大壩的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了確保水庫工程的安全,對現(xiàn)存的防洪設(shè)施的安全性評估顯得尤為重要[1]。

2.1 滲透穩(wěn)定計(jì)算

2.1.1 計(jì)算程序

通過使用AutoBankv5.6軟件,我們可以對河海大學(xué)工程力學(xué)研究所的滲流系統(tǒng)進(jìn)行有效的研究[2]。該軟件利用二維有限單元法,可以把滲流系統(tǒng)劃分為若干有限單元,并依照其中的邊界水頭值,通過有限元法的基礎(chǔ),來確定每一處的水頭值,最終獲取整個滲流系統(tǒng)的水頭分布情況。

2.1.2 計(jì)算工況

在進(jìn)行滲流計(jì)算時,應(yīng)該充分考慮水庫運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的各種不利因素,并且要綜合考慮以下3種情況:

1)在工況1時,上游的正常蓄水位與下游的最低水位,這時壩內(nèi)的滲流會變得更陡,容易導(dǎo)致滲透變形。

2)在這種情況2中,上游的校核水位與下游的最高水位,此時的壩體的滲透率也是極其驚人的。

3)在工況3中,當(dāng)庫水位從預(yù)期的洪峰值下降到正常蓄水位時,會給上游的堤岸帶來嚴(yán)重的影響。

2.1.3 滲流控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》對水庫壩體的滲流情況進(jìn)行的評估,導(dǎo)致壩體滲透變形是由于含有礫石的壤土所導(dǎo)致的。因此,在對這一區(qū)域的滲透性進(jìn)行分析之前,必須確認(rèn)這一區(qū)域的具體狀態(tài)。

發(fā)生流土的臨界水力比降計(jì)算如下:

J=(Gs-1)(1-n)/K

n=e/(1+e)

(1)

式中:J為臨界水力比降;Gs為土的土粒比重;n為土的孔隙率;e為土的孔隙比;K為安全系數(shù),取1.5～2.0。

在進(jìn)行滲流分析時,應(yīng)當(dāng)結(jié)合壩體和壩基的主要土層特征,并結(jié)合地質(zhì)勘察報告中提供的大壩縱橫斷面地質(zhì)信息,進(jìn)行全面的綜合比較,以確定最佳方案。

在這項(xiàng)計(jì)算中,選擇了一個典型的斷面,它位于大壩的南部,距離溢洪道涵洞大約80m。由于這個斷面的主要成分是含礫粉的壤土,它代表了七盞燈水庫的典型斷面。我們還參考了地質(zhì)勘探報告中的橫斷面位置。

對壩體及其周圍的土壤進(jìn)行了詳細(xì)的物理力學(xué)分析,如表1所示。

表1 壩址區(qū)土層物理力學(xué)性質(zhì)及滲透系數(shù)取值

根據(jù)計(jì)算,當(dāng)安全系數(shù)K被設(shè)定為2.0時,礫石土和碎石土的臨界水力比降分別為Jcr1=0.429和Jcr2=0.444。

2.2 滲流分析

1)工況1:上游水位為正常蓄水位22.30m(溢洪道進(jìn)水口底),下游水位取下游蓄水塘常水位(蓄水塘溢流堰堰頂高程)14.00m。

采用AutoBankv5.6軟件進(jìn)行計(jì)算,我們將討論壩體的滲透情況。每天的平均滲透量為q=0.118m3/d,并將這個數(shù)據(jù)劃分成了兩部分。其中,一部分是在大壩的入口處的鋼筋混凝土防洪堤和斜坡混凝土防洪堤(代號T),而另外一部分是在防洪堤的底部[3]。我們將特別關(guān)注那些不屬于混凝土防洪堤的部分。在下游壩坡的滑動處,溢出的部分位于滑動的邊緣,海拔15.81m,溢出的部分的斜度為0.066。溢出的部分的斜度在0.00508～0.177之間,平均斜度為0.09104,因此沒有流動的情況。

2)工況2:上游為校核洪水為23.23m(P=2%),下游水位為下游蓄水塘的正常水位14.00m(堰頂高程)時。

采用AutoBankv5.6軟件進(jìn)行計(jì)算,每天的平均滲透量為q=0.135m3/d,防洪堤的底部下游壩坡的滑動處,滑動的斜度在0.021～0.179之間,平均斜度為0.100,因此沒有流動的情況。

3)工況3:上游校核洪水從23.23m(P=2%)回落到正常蓄水位22.30m時。

采用AutoBankv5.6軟件進(jìn)行計(jì)算。在這個過程中,我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)我們的水流開始變得平靜并且達(dá)到平衡狀態(tài)后,它的流速開始增加。我們將這個過程中的滲透情況劃分成了兩部分:一部分是在大壩的入口處的鋼筋混凝土擋板和斜坡混凝土防護(hù)層(代號T),另一部分是在這些部件的底部。我們將會特別關(guān)注這部分的滲透情況。當(dāng)水位急劇下跌,導(dǎo)致部分壩體的水從下方的坡度開始滲入,使得坡度從0.411下跌至2.33,這種情況下,這些滲入的水只是從混凝土的外壁開始,而沒有進(jìn)入壩體。

2.3 評價結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析以及滲流計(jì)算分析,該大壩滲流安全評價等級為“B級”。建議大壩后坡修復(fù)反濾體,清除壩后坡殘留的喬木樹根,清理坡腳擋墻位置的雜草,方便日常觀察,在汛期加強(qiáng)下游滲流情況監(jiān)測。

3 壩除險加固

3.1 壩防滲加固方案

鑒于當(dāng)前大壩存在的嚴(yán)重問題,為了提高其防滲性能,根據(jù)工程實(shí)際情況,我們提出了兩種不同的解決方案:一種是改變大壩的防滲形式,采用埋石混凝土壩體,并進(jìn)行灌漿以增強(qiáng)其防滲性能;另一種是繼續(xù)采用混凝土防滲面板,即在壩體上游面重新安裝一層防滲面板。

1)方案一:壩體充填灌水泥漿。

為了有效地阻止大壩的滲漏,我們在壩頂上安排了1排的垂直灌孔,每排的間距2m,以確保灌滿的水能夠達(dá)到q≤5Lu的標(biāo)準(zhǔn),并且在施工過程中,不需要移動壩頂?shù)南掠蝹?cè)的欄桿,以保證安全。在壩頂,有一個0.5m的鉆洞,它的長度為19.1m,并且鉆洞的底部位于壩的基礎(chǔ)之下0.5m。

2)方案二:重新加設(shè)上游防滲面板。

為了有效地改善大壩的防滲性能,本項(xiàng)目提出了一種全新的C25混凝土防滲面板,它將覆蓋整個大壩,從壩頂?shù)綁文_趾,從而有效地抵御外界的侵蝕。為此,我們將在大壩的上游,安裝一塊C25混凝土防滲面板,其中頂層厚度為0.4m,底層為1.0m,并且將其與原有的老壩體進(jìn)行綁筋,以確保其穩(wěn)固性,并且將Φ22的Ⅱ級錨筋嵌入其中,以確保其牢固性,最終實(shí)現(xiàn)完全的防滲效果[4]。錨筋的深度應(yīng)>1m,并且應(yīng)大于防滲層的厚度。錨筋的前部應(yīng)與防滲層相距10cm,并在其上焊接14個鋼筋網(wǎng)。錨筋的縱向間距應(yīng)為20cm×20cm,并在其上進(jìn)行C25混凝土的混凝土防滲層的建造。為了保證安全,在防滲層的每10m處應(yīng)設(shè)置一條橫向裂紋,用銅片阻擋水流。

3.2 大壩除險加固方案比選

經(jīng)過深入分析,我們發(fā)現(xiàn)兩種防滲方案的主要差異在于壩體的防滲類型。因此,我們將從地形條件、施工難易程度、加固效果、工程投資等幾個方面來進(jìn)行比較和選擇。

3.2.1 工程加固地形條件

針對不同的地形條件,兩種不同的加固方案都可以滿足不同的需求。例如,針對壩體的充填灌漿作業(yè),可以通過從壩頂和上下游壩面的開挖來完成,這種方法的優(yōu)勢在于可以清晰地定義加固的位置,同時也可以減少由于大壩的高度所帶來的安全隱患[5]。另外,針對已經(jīng)建成的拱壩,兩種不同的加固方案都可以滿足不同的需求,因此,它們都具備良好的可操作性和可靠的穩(wěn)定性。

3.2.2 工程施工條件及難易程度

根據(jù)施工導(dǎo)流和時間限制,我們發(fā)現(xiàn),在這種情況下,方案二不會對水庫的水位造成太大的影響,在使用時間上更靈活。其次,方案二的施工更簡單,因?yàn)樗粫χ苓叚h(huán)境造成太大的干擾。但同時方案二也有缺陷,由于不同的工序之間存在著一定的交叉影響,使得壩基灌漿的施工時間非常有限。

3.2.3 除險加固效果

方案一采用的是一種隱蔽的灌漿施工技術(shù),旨在通過填補(bǔ)壩體空隙來提高其防滲性能,但由于施工質(zhì)量難以控制,效果并不理想。相比之下,方案二的施工方式更加直觀可靠,施工質(zhì)量也更容易控制,防滲效果更加徹底,同時壩體厚度的增加也有助于提高壩體的安全性[6]。經(jīng)過改進(jìn),方案二采用了面板技術(shù),具有更優(yōu)越的防滲性能和更高的安全性。

3.2.4 工程投資

根據(jù)統(tǒng)一的估算,方案一的建安工程費(fèi)用為334萬元,而方案二的費(fèi)用為677萬元,方案一可以減少投資343萬元,經(jīng)濟(jì)上更有優(yōu)勢。

3.2.5 方案選擇

加固方案需從經(jīng)濟(jì)性,施工條件,施工效果等多個方面進(jìn)行考慮,雖然方案二具有施工更加簡單,質(zhì)量更容易控制等優(yōu)勢。但是相對于方案一,方案二的防滲效果提升不是很明顯,而目前方案一的施工技術(shù)已非常成熟,根據(jù)有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

綜上所述,筆者認(rèn)為從經(jīng)濟(jì)性方面考慮,在同等條件下,選擇方案一更具有優(yōu)勢,故建議選擇方案一的加固方案。

3.3 方案設(shè)計(jì)

綜合考慮,壩體充填灌漿技術(shù)具備良好的可行性,具備良好的施工可靠性,且施工成本低廉,但需要對灌漿效果進(jìn)行定期監(jiān)督,及時調(diào)節(jié)相關(guān)的施工參數(shù)。為了達(dá)到最佳的防滲效果,建議采取的措施為:首先,確保灌漿完成后,壩體的透水率q≤5Lu,以保證壩體的安全。為了解決大壩上游側(cè)的混凝土防水面板的局部裂紋,我們在這里提出了一種新的方法。我們將使用環(huán)氧砂漿來填充裂紋,以增加整體的穩(wěn)定性。

3.4 大壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)

由于目前的工程缺乏安全監(jiān)測設(shè)備,因此我們決定在這次設(shè)計(jì)中增加位移監(jiān)測和滲漏監(jiān)測設(shè)備。

1)在兩壩的壩肩處和壩的下游處,分別建立4個不同的水平和垂直位移監(jiān)控站,以便對壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行全面的監(jiān)控。

2)在大壩的頂部,安裝了4個水平位移測量儀,它們位于主體和支撐體的兩端。

3)在大壩的兩個壩端的下游,設(shè)置了一個位移標(biāo)點(diǎn),用來監(jiān)測拱頂?shù)淖冃吻闆r。

4)位移標(biāo)點(diǎn)位于大壩兩端的基巖上,它們可以監(jiān)測基巖在受到拱端荷載的影響時的變形情況。

5)監(jiān)測大壩的變形撓度,采用均勻分布的撓度觀測標(biāo)點(diǎn),特別是在下游壩面的中部。

6)在兩岸的下游地區(qū)設(shè)置了一個用來監(jiān)測滲漏量的觀測點(diǎn)。

4 結(jié) 論

在進(jìn)行水庫除險加固之前,必須充分評估其風(fēng)險等級、壩體儲量以及外部環(huán)境因素,并且必須確保其符合技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠性以及施工安全性,以最大限度地實(shí)現(xiàn)其最佳性價比。7號燈水庫采取的所有除險加固措施都已實(shí)現(xiàn),不僅成功地防止了滲漏,而且還極大地增強(qiáng)了其整體性能,因此,這些成果值得其他相關(guān)工程借鑒。