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        莊頭水庫樞紐工程蓄水安全鑒定分析與評價

        2012-08-21 06:51:00周慧蓉
        山西建筑 2012年32期
        關(guān)鍵詞:砌石涵洞溢洪道

        周慧蓉

        (山西省水利建筑工程局,山西 太原 030006)

        1 工程概況

        樞紐工程位于海河流域濁漳南源支流石子河上游,大壩壩址位于壺關(guān)縣晉莊鎮(zhèn)莊頭村南,壩址以上控制流域面積119.1 km2。樞紐工程由大壩、溢洪道和輸水洞三部分組成,總庫容1 675萬m3,是一座以防洪為主,兼顧灌溉和供水等綜合利用的中型水庫。

        壩型為碾壓式均質(zhì)土壩,其壩頂高程1 092.4 m,最大壩高為43.4 m,壩長300 m,壩頂寬 6.5 m。

        溢洪道為河岸開敞式,梯形斷面,為一土質(zhì)泄槽,溢洪道長210 m。原設計最大泄量779 m3/s。自進口向下游60 m處建有高11 m,寬4 m的鋼筋混凝土4孔橋。

        輸水隧洞為漿砌石結(jié)構(gòu),進口設臥管,共18級(2排36孔),孔徑0.8 m,單孔泄量0.8 m3/s,由于操作不便,止水不良,漏水嚴重,于1980年將右排的各級下降0.5 m,進水孔直徑改為0.5 m,設0.8 m×0.8 m的鑄鐵蓋板。原左排直徑0.8 m的孔用蓋板封閉。

        壩下輸水洞進口高程1 061.5 m,出口高程1 059.3 m,長197 m,縱坡1.33%,斷面為半圓拱形,拱高0.7 m,底部高×寬=2.2 m×1.2 m,最大泄量 3 m3/s。

        2 壩體質(zhì)量

        2.1 壩體土物理力學指標

        壩體土用料為大壩右岸的低液限粘土??辈熘性囼灅悠凡捎昧颂骄雍豌@孔取樣的方法。從勘探和試驗結(jié)果看,大壩土體可分為兩層,下部一層(Qs1)土質(zhì)比較均勻,不含雜質(zhì),上部土(Qs2)中含有碎石等雜質(zhì)。

        壩體含碎石土(Qs2)的粒度成分為:大于20 mm含量7.7%~61.6%,平均 42.1%;20 mm ~ 2 mm 含量 7.2% ~ 36.2%,平均16.8%;2 mm ~0.5 mm 含量2.8%~7.2%,平均4.6%;0.5 mm ~0.25 mm 含量 0.9%~4.5%,平均 2.2%;0.25 mm ~0.075 mm 含量1.5% ~ 5.7%,平均 2.7%;小于 0.075 mm 含量 22.6% ~44.3%,平均 31.6%;不均勻系數(shù) Cu=51.4,曲率系數(shù) Cc=3.21,見表1。標貫擊數(shù)修正值5.0~8.4,平均6.6,屬于稍密狀態(tài),均勻性差。

        據(jù)土工試驗資料,壩體土(Qs1)的粒度成分為:砂粒含量0.2%~1.1%,平均值0.6%,粉粒含量 55.4% ~ 64.6%,平均值61.6%,粘粒含量34.8%~44.4%,平均值37.8%。壩體土干密度 1.32 g/cm3~1.76 g/cm3,平均值 1.55 g/cm3。

        壩體土干密度大于1.60 g/cm3的,占29.2%,干密度1.60 g/cm3~1.50 g/cm3的,占29.2%,干密度1.50 g/cm3~1.40 g/cm3的,占20.8%,干密度小于1.40 g/cm3的,占20.8%。標貫擊數(shù)修正值3.1 ~17.9,平均10.8,稍密,均勻性較差。

        根據(jù)試驗資料,經(jīng)統(tǒng)計分析提出壩體土的物理力學指標為:含水率17.9%~30.0%,平均值為 21.8%;比重 2.70;天然密度1.63 g/cm3~2.05 g/cm3,平均值為1.87 g/cm3;干密度1.32 g/cm3~1.67 g/cm3,平均值 1.52 g/cm3;飽和密度 1.98 g/cm3,孔隙比0.549 ~1.059,平均值為0.771;壓縮系數(shù) 0.09 MPa-1~0.565 MPa-1,平均值為0.22 MPa-1,具中等壓縮性;壓縮模量3.5 MPa ~18.1 MPa,平均值為9.91 MPa;壩體土抗剪強度建議值:有效應力強度凝聚力 c′=18.6 kPa,內(nèi)摩擦角 φ′=21.2°。滲透系數(shù)1.00 ×10-5cm/s~2.40 ×10-5cm/s,建議值為2.40 ×10-5cm/s。

        表1 壩體含碎石土層(Qs2)顆分統(tǒng)計表

        2.2 壩體土滲透變形判別

        經(jīng)進行滲透變形判別,結(jié)果壩體土滲透變形類型為流土,臨界水力比降1.004,除以安全系數(shù)2.0,得到允許水力比降為0.50。

        2.3 壩體土濕陷性

        勘察中對壩體土進行了濕陷試驗,按照GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范,自重濕陷量Δzs(cm)和總濕陷量Δs(cm)分別按式(1),式(2)計算:

        其中,δzsi為第i層土的自重濕陷系數(shù);δsi為第i層土的濕陷系數(shù);hi為第i層土的厚度,mm;β0為因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù),本區(qū)取0.50;β為土的受水浸濕可能性和側(cè)向擠出等因素的修正系數(shù),0 m~5 m深度內(nèi)取值1.5;5 m~10 m深度取值1.0。

        經(jīng)計算評價,壩體土局部具濕陷性,濕陷下限深度為6.0 m,壩體土總濕陷量52.5 mm~130.5 mm,自重濕陷量為0 mm~14.5 mm。濕陷起始壓力61 kPa~160 kPa,濕陷類型為非自重濕陷,濕陷等級為Ⅰ級(輕微)。壩頂和壩坡面不甚平整,可造成積水,建議進行整平夯實,消除壩面積水條件,建議對壩坡進行護坡及排水處理。

        3 溢洪道

        溢洪道位于大壩左岸50 m處,為一河岸開敞式土泄槽,梯形斷面,進口底高程1 081.4 m,寬17 m,全長210 m。僅進口60 m長兩側(cè)墻采用漿砌石襯砌,但已多處風化脫落。溢洪道原設計最大泄量779 m3/s。自進口向下游60 m處建有高11 m,寬4 m的鋼筋混凝土4孔橋。

        溢洪道中上部地段(交通橋地段)為開挖基巖形成,槽底與槽壁下部巖性為奧陶系中統(tǒng)峰峰組白云質(zhì)灰?guī)r,上部為土壁,該段長度約為70 m。其上下游地段均為土質(zhì)槽壁與槽底。溢洪道土體為第四系中更新統(tǒng)洪積低液限粘土。土的物理力學指標見表2。

        含水率 13.4%~15.3% ,平均值為 14.4%;比重 2.72;天然密度1.88 g/cm3~ 2.08 g/cm3,平均值為 2.01 g/cm3;干密度1.65 g/cm3~1.80 g/cm3,平均值 1.76 g/cm3;孔隙比 0.508 ~0.652,平均值為 0.550;壓縮系數(shù) 0.06 MPa-1~0.09 MPa-1,平均值為 0.073 MPa-1,土具低壓縮性。

        溢洪道地形較平緩,地基與邊坡的巖土工程性質(zhì)良好,無不良地質(zhì)作用,故溢洪道地質(zhì)條件較好。為抵御洪水的沖刷,溢洪道需進行襯砌防護,原漿砌石襯砌已破損部分需拆除重新襯砌。

        表2 溢洪道土層物理力學指標統(tǒng)計表

        4 輸水涵洞

        輸水涵洞置于大壩左端的巖基上,為漿砌石結(jié)構(gòu),進口設臥管,共18 級(分2 排共36 孔),孔徑0.8 m,單孔泄量0.8 m3/s,由于止水不良,漏水嚴重,于1980年將右排的各級下降0.5 m,進水孔直徑改為0.5 m,設0.8 m×0.8 m的鑄鐵蓋板。原左排直徑0.8 m的孔用蓋板封閉。

        輸水涵洞進口高程1 061.5 m,出口高程1 059.3 m,長197 m,縱坡1.33%,斷面為半圓拱形,拱高0.7 m,底部高×寬=2.2 m×1.2 m,最大泄量3 m3/s。輸水涵洞地基巖土工程性質(zhì)較好,但是漿砌石結(jié)構(gòu)隔水能較差,且又年久失修,產(chǎn)生裂縫和風化脫落等破損,這樣在水流下泄時可能對壩體土與涵洞漿砌石之間發(fā)生界面接觸沖刷破壞。建議對涵洞進行防滲加固處理。

        5 結(jié)論及建議

        1)左壩肩分布卵石混合土,之下為強風化石灰?guī)r,均屬強透水層,故左壩肩易產(chǎn)生滲漏問題。

        2)壩基地層主要為第四系中更新統(tǒng)淺紅色低液限粘土,靠近左側(cè)有1.4 m厚的砂礫石層。建庫時在壩軸線上游60 m處筑有粘土截水槽(但未伸入相對不透水層)。截水槽對卵石混合土層起了一定的隔水作用,但壩基防滲做的不徹底。水庫淤積厚度約13.7 m,對壩基滲漏條件起到了一定的改善作用。

        3)右壩肩為第四系中更新統(tǒng)低液限粘土,土層工程性質(zhì)較好,滲透性微弱。筑壩時壩肩岸坡做了清坡處理,并做了結(jié)合槽。右壩肩工程地質(zhì)條件良好。

        4)壩體土局部具濕陷性,濕陷下限深度為6.0 m,濕陷類型為非自重濕陷,濕陷等級為Ⅰ級(輕微)。建議進行壩面整平夯實,消除壩面積水條件,對壩坡進行護坡及排水處理。

        5)壩體土滲透變形類型為流土,允許水力比降為0.50。壩體土抗剪強度建議值:有效應力強度凝聚力c′=18.6 kPa,內(nèi)摩擦角φ′=21.2°。滲透系數(shù)建議值為 2.40 ×10-5cm/s。

        6)溢洪道地基與邊坡的巖土工程性質(zhì)良好,無不良地質(zhì)作用,地質(zhì)條件較好。溢洪道需進行襯砌防護,原漿砌石襯砌破損部分需拆除重新襯砌。

        7)輸水涵洞地基巖土工程性質(zhì)較好,但是漿砌石結(jié)構(gòu)其力學強度低,防滲性能差,又年久失修,產(chǎn)生裂縫和風化脫落等破損。建議對涵洞進行防滲加固處理。

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