廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院 廣東廣州市 510635

摘要：主壩是潮南區(qū)紅場水庫除險(xiǎn)加固工程的重要組成部分，文章通過對主壩加固設(shè)計(jì)的簡述，為該類工程的設(shè)計(jì)提供了一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：水利工程；主壩；除險(xiǎn)加固

1工程基本概況

1.1 紅場水庫的概況

紅場水庫位于廣東省汕頭市潮南區(qū)紅場鎮(zhèn)，是一座結(jié)合防洪、灌溉、供水兼顧發(fā)電等綜合利用的中型水庫。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）及《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000），紅場水庫為Ⅲ等中型工程，主要水工建筑物包括大壩、溢洪道和輸水涵管等，為3級建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇。工程現(xiàn)狀設(shè)計(jì)洪水位245.84m，校核洪水位248.17m。

主壩為均質(zhì)土壩，壩軸線長250m，壩頂高程252.03m～252.25m，最大壩高39.5m，壩頂寬8m，上游為干砌石護(hù)坡，下游為草皮護(hù)坡。紅場水庫大壩初建于1976年10月，1977年10月完成。

現(xiàn)主壩上游坡坡比為1：2.5～2.75，根據(jù)安全復(fù)核計(jì)算上游坡各工況安全穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求，但復(fù)核結(jié)果顯示上游壩坡漿砌石襯砌厚度不足，而且多處護(hù)坡已崩塌，破壞嚴(yán)重，故此次加固對上游坡進(jìn)行更換，采用鋼筋混凝土板進(jìn)行防護(hù)。

根據(jù)安全復(fù)核結(jié)論，主壩現(xiàn)狀填土滲透系數(shù)偏大，壩體浸潤線高，下游壩坡抗滑安全系數(shù)不滿足要求，上游壩坡漿砌石襯砌厚度不足，應(yīng)對大壩進(jìn)行系統(tǒng)加固。

1.2 加固方案的比選

根據(jù)安全復(fù)核結(jié)論，大壩下游坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足要求，現(xiàn)狀填土滲透系數(shù)偏大，壩體浸潤線高，故此次加固放緩大壩下游坡，采用系統(tǒng)的防滲措施改善壩體結(jié)構(gòu)。對于防滲加固措施擬提供三個(gè)加固方案進(jìn)行比選，均考慮垂直防滲，方案一：在壩體設(shè)高壓擺噴防滲墻同時(shí)解決壩體及壩基防滲問題；方案二：

在壩頂做兩排劈裂灌漿解決壩體及壩基防滲問題；方案三：在壩頂中心線上游造一道薄壁混凝土防滲墻，深入到壩基面以下2m處，以解決壩體及壩基防滲問題。通過方案比較，選取方案三作為推薦方案，即混凝土防滲墻方案。

場址附近主要的區(qū)域性斷裂有北東向錢東～惠城斷裂，北西向榕江斷裂等。據(jù)《中國地震烈度區(qū)劃圖》，場區(qū)在地震區(qū)劃圖上屬華南震區(qū)，東南沿海地震亞區(qū)，泉州～汕頭地震帶的南端，地震基本烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速值為0.15g，區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)頻繁。

2主壩加固設(shè)計(jì)

2.1壩頂高程計(jì)算

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001），按下式計(jì)算壩頂超高：

Y=R+e+A

式中：A——安全加高（m）；

e——最大風(fēng)壅水面高度（m）；

R——最大波浪在壩坡上的爬高（m），按莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算，采用累計(jì)頻率為1%的波浪爬高值。

壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和，取其最大值：

壩頂超高及壩頂高程計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1 壩頂高程計(jì)算成果表

項(xiàng)目名稱單位設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用條件正常蓄水位加正常運(yùn)用條件校核洪水位加非常運(yùn)用條件正常蓄水位加非常運(yùn)用條件

壩前水位m245.85243.79248.17243.79

計(jì)算壩頂超高m3.203.251.911.91

其中：波浪爬高m2.492.541.511.51

風(fēng)壅水面高度m0.0100.0110.0040.005

安全加高m0.70.70.40.4

地震區(qū)安全超高m 1.5

計(jì)算壩頂高程m249.05247.04250.08245.7

根據(jù)以上計(jì)算，大壩所需最小壩頂高程為250.08m，取整后為250.1m，本次土壩加固采用的壩頂高程為250.1m。

2.2砼護(hù)坡計(jì)算

大壩上游砼護(hù)坡厚度依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，按照下式計(jì)算：

式中，

η——系數(shù)，對整體式大塊護(hù)面板取1.0；

hp——累積頻率為1%的波高；

b——沿壩坡向板長，b = 3.0m；

ρc——砼板的密度，ρc = 2.5t/m3；

m——坡比。

砼護(hù)坡厚度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 大壩上游護(hù)坡計(jì)算成果表

項(xiàng)目

名稱單位設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用條件正常蓄水位加正常運(yùn)用條件校核洪水位加非常運(yùn)用條件正常蓄水位遇地震加正常運(yùn)用條件

砼護(hù)坡厚度計(jì)算mm1461468181

計(jì)算砼護(hù)坡最大厚度為146mm，考慮到澆筑方便等要求，本工程采用厚150mm現(xiàn)澆C20砼護(hù)面，并在表層配φ8@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)，縱橫分縫間距均為3m，縱縫錯(cuò)開布置，填封材料采用聚乙烯閉孔泡沫板，縫寬20mm，砼護(hù)坡范圍為上游坡腳222.3m～250.1m，250.1m～251.8m范圍為漿砌石框格草皮護(hù)坡。為保證水位驟降時(shí)壩體水順利排出，在243.79m～250.1m高程設(shè)置排水管，間距2m，梅花型布置，排水管采用φ20mmPVC排水管。

3加固后滲流計(jì)算分析

3.1壩體材料參數(shù)及計(jì)算斷面

加固后壩體填筑土料的物理力學(xué)指標(biāo)見表3。

表3 新筑壩土料及壩坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

部位有效應(yīng)力滲透系數(shù)容重（γ）

（土料）c′（kPa）φ′（°）（cm/s）（kN/m3）

壩體填土19.5292.22×10-418.1

全風(fēng)化花崗巖21311.06×10-418

排水體0400.121

地質(zhì)橫斷面壩橫0+132.36處于主壩的中間位置，其反映了主壩的最大壩高及基礎(chǔ)關(guān)系，而且，與水流方向接近平行的f3斷層就在該斷面附近，故選取該斷面作為加固后壩體滲流穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的典型計(jì)算斷面，詳見圖1。

圖1 壩橫0+132.36加固后壩體斷面

大壩滲流分析采用河海大學(xué)開發(fā)的《Autobank6.0版》進(jìn)行，計(jì)算方法為有限元法。

大壩滲流計(jì)算的主要工況有：

1）正常蓄水位243.79m，下游無水；

2）設(shè)計(jì)洪水位245.84m，下游無水；

3）校核洪水位248.17m，下游無水；

4）水庫水位由校核洪水位248.17m降至新建溢洪道堰頂高程240.8m的非穩(wěn)定滲流。計(jì)算時(shí)的庫水位下降速率由庫容曲線及溢洪道泄洪能力推算。

5）滲流計(jì)算結(jié)果及分析

壩體及壩基滲流比降及滲流量計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 滲流計(jì)算成果

斷面工況最大出逸水力梯度

（驟降工況考察上游坡）單寬滲流量

（m3/d/m）

壩橫

0+132.36正常蓄水位0.221.19

設(shè)計(jì)洪水位0.241.24

校核洪水位0.281.35

校核洪水位至堰頂高程的水位驟降

加固后壩體浸潤線計(jì)算結(jié)果見圖2～圖3。

圖2 斷面壩橫0+132.36正常蓄水位（設(shè)計(jì)洪水位 校核洪水位）工況浸潤線

圖3 水位由校核洪水位降落至溢洪道堰頂高程時(shí)t=0和t=48h的浸潤線

由計(jì)算結(jié)果可知，大壩的浸潤線在砼護(hù)坡和混凝土防滲墻后降落。浸潤線突降后，均穿過排水棱體，在壩腳出逸，排水棱體發(fā)揮了作用，排水棱體使出逸點(diǎn)降到壩腳處。

壩坡及壩基的水力比降均在允許比降范圍內(nèi)，滿足土體滲透安全的要求。

4 加固后壩坡穩(wěn)定分析

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001），采用計(jì)及條塊間作用力的畢肖普條分法計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)，對于3級壩，其壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)：正常運(yùn)用條件[K允]=1.30，非常運(yùn)用條件Ⅰ[K允]=1.20，非常運(yùn)用條件Ⅱ[K允]=1.15。

采用表3中新填筑壩土料地質(zhì)參數(shù)建議值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果見表5。

壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況如下：

正常運(yùn)用條件：

（1）上游側(cè)為正常蓄水位243.79m，下游側(cè)無水，穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡穩(wěn)定。

（2）上游側(cè)為設(shè)計(jì)洪水位245.84m，下游側(cè)無水，穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡穩(wěn)定。

非常運(yùn)用條件：

（3）上游側(cè)為校核洪水位248.17m，下游側(cè)無水，穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡穩(wěn)定。

（4）上游水位由校核洪水位248.17m降落至溢洪道堰頂高程240.79m，下游側(cè)無水，非穩(wěn)定滲流期上游壩坡穩(wěn)定。

（5）上游側(cè)為正常蓄水位243.79m，下游側(cè)無水，穩(wěn)定滲流期遇Ⅶ度地震的上下游壩坡穩(wěn)定。

表5 壩坡穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)成果表

工 況壩橫0+132.36

上游坡下游坡

正常運(yùn)用正常蓄水位2.1831.535

設(shè)計(jì)洪水位2.2551.473

非常運(yùn)用Ⅰ校核洪水位2.3151.409

校核洪水位至堰頂高程的水位驟降1.941-

非常運(yùn)用Ⅱ正常蓄水位+7度地震1.7321.327

由計(jì)算結(jié)果可以看出，所有計(jì)算斷面上、下游坡在所有工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

壩坡穩(wěn)定計(jì)算簡圖見圖4～圖5。

圖4 庫水位由校核洪水位降至溢洪道堰頂高程時(shí)上游壩坡最不利滑動(dòng)面

圖5 正常蓄水位遇地震時(shí)斷面壩橫0+132.36上下游壩坡最不利滑弧

5 結(jié)論

潮南區(qū)紅場水庫除險(xiǎn)加固工程先后經(jīng)項(xiàng)目業(yè)主、審查、審批單位、設(shè)計(jì)單位多次論證而確定。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，在施工中未發(fā)現(xiàn)的實(shí)際地質(zhì)地形條件變化的情況，主壩全部按照既定設(shè)計(jì)內(nèi)容施工，沒有發(fā)生任何變化，目前工程運(yùn)行情況良好，因此，主壩設(shè)計(jì)方案是科學(xué)合理的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾楚武.廣東省潮南區(qū)紅場水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].廣東：廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，2011

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[3] 中華人民共和國水利部.GB50201-94 防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2002.