彭玉剛

(新疆新水水力科技發(fā)展有限公司，烏魯木齊830002)

1 項(xiàng)目概況

西泉水庫(kù)是土墩子農(nóng)場(chǎng)西泉灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉供水的重要水源之一，對(duì)土墩子農(nóng)場(chǎng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮著較大的作用?，F(xiàn)狀西泉水庫(kù)由擋水壩、放水涵閘兩部分組成。該水庫(kù)目前主要存在的結(jié)構(gòu)病害為:

1) 水庫(kù)淤積嚴(yán)重，壩頂超高不滿足規(guī)范要求，調(diào)蓄能力銳減。西泉水庫(kù)原設(shè)計(jì)庫(kù)容150 萬(wàn)m3，現(xiàn)水庫(kù)淤積后實(shí)際庫(kù)容僅為45.1 萬(wàn)m3，已淤積105 萬(wàn)m3。同時(shí)，水庫(kù)壩頂超高不滿足規(guī)范要求，只能低水位運(yùn)行。由于西泉水庫(kù)是西泉灌區(qū)目前唯一的灌溉水源，水庫(kù)調(diào)蓄能力的降低，使土墩子農(nóng)場(chǎng)西泉灌區(qū)現(xiàn)狀1 333.3 hm2耕地存在嚴(yán)重的季節(jié)性缺水問(wèn)題，農(nóng)作物處于不完全灌溉狀態(tài)，已嚴(yán)重的影響了土墩子農(nóng)場(chǎng)西泉灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，制約了土墩子農(nóng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2) 壩體施工質(zhì)量差。由于是“三邊”工程，沒(méi)有設(shè)計(jì)，農(nóng)場(chǎng)自行圍堰筑壩，土料填筑質(zhì)量不合格，存在粉細(xì)砂夾層，土體飽水軟化，強(qiáng)度降低，壩后排水情況較差，致使壩后坡常年處于飽水狀態(tài)，壩體填筑土體性質(zhì)將繼續(xù)惡化，危及壩體穩(wěn)定。

3) 壩后滲漏嚴(yán)重。由于壩基存在粉細(xì)砂夾層，同時(shí)由于筑壩施工時(shí)未清基，形成滲漏安全隱患，伴隨有滲透破壞，直接威脅壩體安全。

4) 放水閘閘門存在止水老化、閘體射水、銹蝕嚴(yán)重，啟閉困難等故障。目前開(kāi)啟困難，不能完全關(guān)閉，啟閉設(shè)備露天設(shè)置，銹蝕嚴(yán)重，閘門啟閉緩慢。

2 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

2.1 壩頂構(gòu)造設(shè)計(jì)

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中對(duì)壩頂寬度的要求，壩頂寬度應(yīng)為3 ～6 m，西泉水庫(kù)現(xiàn)狀壩頂寬度為5 ～8 m，為滿足施工、運(yùn)行和抗震要求，設(shè)計(jì)水庫(kù)土壩頂寬度為4.5 m。為方便水庫(kù)管理、維修及防汛并防止防滲體干裂和雨水沖蝕，設(shè)計(jì)壩頂路面為泥結(jié)石路面，路面長(zhǎng)2 947.5 m，路面寬4.5 m，泥結(jié)石層厚20 cm。

2.2 壩坡坡比設(shè)計(jì)

因西泉水庫(kù)現(xiàn)狀壩體為土壩，上下游邊坡不規(guī)整，現(xiàn)狀邊坡上游坡比為1∶10 ～1∶2.6，下游坡比為1∶8 ～1∶2.4。通過(guò)本工程除險(xiǎn)加固后，擬定上游壩坡坡比為1∶2.5，下游壩壩坡比為1∶2.0。現(xiàn)需確定壩體加高培厚后上下游邊坡是否穩(wěn)定。本工程擬定上游壩坡坡比為1 ∶2.5，下游壩壩坡比為1∶2.0。通過(guò)采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所開(kāi)發(fā)的《理正工程設(shè)計(jì)工具箱》中的“壩坡穩(wěn)定分析軟件4.0 版”對(duì)壩體進(jìn)行計(jì)算，對(duì)上、下游壩坡采用擬靜力瑞典圓弧有效應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算( 浸潤(rùn)線、孔隙水壓力場(chǎng)根據(jù)滲流計(jì)算所得) 。水庫(kù)土壩上、下游邊坡在正常工作條件和非常工作條件下抗滑穩(wěn)定計(jì)算的最小安全系數(shù)均大于《規(guī)范》允許值。說(shuō)明設(shè)計(jì)上游坡坡比為1∶2.5，下游坡坡比為1∶2 是抗滑穩(wěn)定安全的。

2.3 壩體加高、培厚設(shè)計(jì)方案

根據(jù)水庫(kù)壩頂超高計(jì)算，主壩段壩頂超高值平均為1.4m。對(duì)加高部分可選擇2 種方案，分別為壩頂土方加高+混凝土防浪直墻;壩頂土方加高。壩頂土方加高+混凝土防浪直墻加高方案，對(duì)主壩段壩體加高部分采取土方+防浪直墻加高方式。根據(jù)壩頂超高值確定的壩頂高程為560.5 m，設(shè)計(jì)防浪墻高1.0 m，壩頂設(shè)計(jì)高程為559.5 m，在559.5 m高程以下需加高部分采用土方加高。壩體上、下游坡比分別為1∶2.5 和1 ∶2.0。防浪墻采用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻厚0.25 m，墻體形式為“L“型。墻深2.1 m，基礎(chǔ)寬1.2 m，基礎(chǔ)板厚0.25 m。559.5 m以下壩體土方加高、培厚采取從上游壩頂處開(kāi)始向下游側(cè)加高、培厚方法。壩頂土方加高方案即主壩段壩頂全部采用由上游坡頂開(kāi)始向下游側(cè)進(jìn)行土方加高培厚壩體的方法。土方由原壩頂559.50 m 加高到560.50 m，壩頂土方壓實(shí)寬度4.5 m。

從工程量看，前者較后者土方少1.00 萬(wàn)m3，較方案二增加混凝土1 615 m3，從施工方面考慮，土方工程較鋼筋混凝土工程簡(jiǎn)單、方便，工期短，且單方投資省。從工程投資方面比較，直接費(fèi)用前者為258.72 萬(wàn)元，后者為283.33 萬(wàn)元，兩方案投資基本相近，前者投資高24.61 萬(wàn)元。從施工難易及節(jié)省工程投資方面考慮，選定后者較為合理，作為水庫(kù)除險(xiǎn)加固的壩體加高方案。同時(shí)要求設(shè)計(jì)方案在壩體土填筑時(shí)，要求其壓實(shí)度≥0.97。

2.4 壩體防浪護(hù)坡設(shè)計(jì)

根據(jù)目前西泉水庫(kù)無(wú)混凝土護(hù)坡，壩坡受風(fēng)浪影響淘刷嚴(yán)重，本次設(shè)計(jì)沿上游壩坡設(shè)置混凝土防浪護(hù)坡?；炷磷o(hù)坡的長(zhǎng)度以設(shè)計(jì)水位時(shí)水面所到達(dá)的壩段位置確定。由于工程區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南部北天山山前沖洪積細(xì)土平原上，庫(kù)區(qū)出露地層巖性為第四系粉土、粉質(zhì)土及中細(xì)砂。干砌石、漿砌石、拋石等材料匱乏，因此，護(hù)坡選用現(xiàn)澆混凝土?，F(xiàn)澆混凝土護(hù)坡在新疆嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用較廣泛，其防浪效果好、防滲效果強(qiáng)、施工工藝簡(jiǎn)單，尤其是抗凍性較強(qiáng)，適合北疆嚴(yán)寒地區(qū)。為了有效地確定混凝土護(hù)坡厚度，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》( SL274—2001) 中對(duì)護(hù)坡厚度的規(guī)定，對(duì)具有明縫的混凝土板護(hù)坡，當(dāng)壩坡坡度系數(shù)m =2 ～5 時(shí)，板在浮力作用下穩(wěn)定的面板厚度可按下式計(jì)算:

式中: η 為系數(shù)，整體式大塊護(hù)面板取1.0; hp 為累積頻率為5%的波高，為簡(jiǎn)化計(jì)算并從安全計(jì)，取最大值( 下同) hp =0.69m; b 為沿壩坡向板長(zhǎng)，b =2.5m; ρc 為板的密度，ρc =2.3t/m3，ρω 為水的密度，ρω =1.0t/m3，Lm 為平均波長(zhǎng)，經(jīng)超高計(jì)算，Lm =1.30 m; m 為坡度系數(shù)，m =2.5。根據(jù)計(jì)算面板厚度t =3.12 cm。

另外根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》SL211—98 第4.1.1 和5.3.3 節(jié)規(guī)定，由于該水庫(kù)位于嚴(yán)寒區(qū)，混凝土護(hù)面厚度≥0.2 m，混凝土護(hù)坡處在受凍嚴(yán)重但有檢修條件的部位，其年凍融循環(huán)次數(shù)＜100 次，確定混凝土的抗凍等級(jí)為F200，參考同地區(qū)類似工程的經(jīng)驗(yàn)，確定水庫(kù)現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡厚度為15 cm?；炷翉?qiáng)度標(biāo)號(hào)C20，抗凍標(biāo)號(hào)為F200，抗?jié)B標(biāo)號(hào)為W6?，F(xiàn)澆混凝土分塊尺寸為長(zhǎng)×寬=3.0 m ×2.7 m，坡度為1∶2.5，板塊間分縫寬2.5 cm，錯(cuò)縫布置且采用浸瀝青木板做為分縫和填縫。

2.5 大壩防滲設(shè)計(jì)

西泉水庫(kù)1958年由土墩子農(nóng)場(chǎng)自行建設(shè)，由于壩體碾壓質(zhì)量較差，壩體欠密實(shí)，壩體存在裂縫。根據(jù)工程地質(zhì)勘察，壩體土干密度在1.50 ～1.58 g/cm3，在放水涵洞附近的1 +680 ～1 +850 段壩體填筑土中填筑有0.4 m厚粉細(xì)砂。由于以上諸因素的存在，造成壩體滲漏嚴(yán)重。從工程實(shí)踐情況來(lái)看，可采取壩體內(nèi)垂直防滲方案或者與防浪護(hù)坡結(jié)合做上游壩坡防滲處理方案。

通過(guò)設(shè)計(jì)分析比較發(fā)現(xiàn)，方案一、方案二均達(dá)到壩體防滲的效果，但從施工難易程度上看，在壩體內(nèi)進(jìn)行垂直防滲，施工技術(shù)含量較高，施工難度相對(duì)較大。同時(shí)，由于大壩填筑不密實(shí)，如果采用壩內(nèi)防滲墻施工，壩體在施工過(guò)程中會(huì)遭到更多的震動(dòng)破壞;而方案二在施工過(guò)程中則不會(huì)出現(xiàn)此問(wèn)題，施工相對(duì)較易。而方案一工程投資較方案二大。在工程施工技術(shù)條件相差無(wú)幾的情況下，設(shè)計(jì)結(jié)合現(xiàn)狀土壩避免震動(dòng)破壞的具體情況考慮，選定方案二作為推薦方案。為做好壩體的防滲，本方案結(jié)合壩坡的防浪護(hù)坡，在護(hù)坡混凝土板防凍層下設(shè)塑膜防滲材料。該方案的壩體防滲主要依靠防滲塑膜。防滲塑膜鋪設(shè)總長(zhǎng)度1 735 m，在現(xiàn)狀主壩段防浪護(hù)坡段布設(shè)。塑膜由混凝土護(hù)坡腳至設(shè)計(jì)壩頂560.50 m。

3 加固后效果分析

西泉水庫(kù)除險(xiǎn)加固后，水庫(kù)壩體存在的質(zhì)量隱患得以消除，壩頂高程達(dá)到設(shè)計(jì)要求，水庫(kù)達(dá)到復(fù)核計(jì)算庫(kù)容。水庫(kù)除險(xiǎn)加固后的效益主要為灌溉效益、社會(huì)效益及環(huán)境效益。從國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)可知，本工程多年平均情況下的經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比EBCR=1.12 ＞1.0( is =8%) ，且工程經(jīng)濟(jì)內(nèi)部回收率EIRR=8.56 ＞8%( 社會(huì)折現(xiàn)率) ，經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值為18.77 萬(wàn)元( is =12%) ＞0。各項(xiàng)指標(biāo)表明該工程在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章通過(guò)結(jié)合西泉水庫(kù)出現(xiàn)的壩后滲漏嚴(yán)重等病害情況，從壩體加高、培厚設(shè)計(jì)、壩體防浪護(hù)坡、大壩防滲等方面來(lái)提出相應(yīng)的水庫(kù)加固設(shè)計(jì)措施，同時(shí)對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，選取經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案方式，為同類工程提供參考借鑒。

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［2］周俊，張衡. 淺析水庫(kù)除險(xiǎn)加固措施［J］. 科協(xié)論壇，2011，27(01) :31－33.

［3］葉天是. 水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題［J］. 人民黃河，2012，32(11) :78－79.