張 亮

(綏中縣水利技術(shù)推廣站，遼寧 綏中 125205)

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李金水庫除險加固及其穩(wěn)定性分析

張 亮

(綏中縣水利技術(shù)推廣站，遼寧 綏中 125205)

小型水庫因其防洪、養(yǎng)殖、蓄水、供水等功能在農(nóng)田水利中占有重要位置。通過有效的除險加固措施對病險水庫進(jìn)行治理，保證水庫的安全運行和管理，實現(xiàn)水資源的科學(xué)發(fā)展對下游人民群眾生命財產(chǎn)安全至關(guān)重要。通過現(xiàn)場勘查、理論計算等方法，提出綏中縣李金水庫除險加固措施，進(jìn)行壩體滲流計算和穩(wěn)定性驗算，通過對計算結(jié)果進(jìn)行分析，驗證了除險加固措施的可行性，對類似小型水庫除險加固工程具有借鑒作用。

水庫；除險加固；滲流計算；穩(wěn)定性分析

隨著我國十八大對農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)工程建設(shè)政策的提出，農(nóng)田水利基礎(chǔ)工程建設(shè)迎來大發(fā)展。小型水庫作為農(nóng)田水利基礎(chǔ)工程的重要組成部分，因其防洪、蓄水、灌溉、養(yǎng)殖等優(yōu)點，在農(nóng)田水利中發(fā)揮著越來越重要的作用。但是由于常年失修，目前較多的小型水庫工程處于病險狀態(tài)[1-2]。因此，制定合理有效的水庫除險加固措施，保證小型水庫的正常運行和管理具有重要意義。本文通過對綏中縣李金水庫進(jìn)行現(xiàn)狀研究，提出大壩除險加固處理措施，通過理論計算分析加固大壩穩(wěn)定性，對類似小型水庫除險加固具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工程概況

李金水庫于1974年建成并投入使用，現(xiàn)已投入使用40多年。該水庫位于綏中縣大王廟鎮(zhèn)境內(nèi)小黃村王寶河支流上，具有灌溉農(nóng)田、養(yǎng)殖、供水、旅游、防洪等多重功能。各參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水庫洪水調(diào)節(jié)水量

依據(jù)水利電力部頒發(fā)的(DL5180-2003)《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》(山丘、丘陵區(qū)部分)規(guī)定，并結(jié)合上表數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定李金水庫工程規(guī)模為小(1)型，判定李金水庫工程等級為Ⅳ等，壩體建筑物級別為4級。

2 李金水庫壩體加固設(shè)計

2.1 李金水庫除險加固設(shè)計

針對李金水庫現(xiàn)狀、存在的問題及除險加固設(shè)計原則，制訂以下除險加固設(shè)計：

1)對大壩上游出現(xiàn)的護(hù)坡問題可采用干砌石護(hù)坡方案進(jìn)行工程防護(hù)，砌石材質(zhì)堅硬，無風(fēng)化剝落層或裂紋。壩頂采用泥結(jié)石修筑路面，加大局部防浪墻維修力度，墻身每隔15m布置一道設(shè)有止水的沉降縫。下游壩坡的工程問題可采用碎石護(hù)坡方案進(jìn)行工程防護(hù)，并對大壩下游進(jìn)行草皮種植。根據(jù)排水棱體損壞情況，著重對其修復(fù)，確保排水暢通。

2)溢洪道基礎(chǔ)與擋墻進(jìn)行處理，溢洪道進(jìn)口做一鋼筋混凝土截水墻，截水墻深入黏土1m，底板改造為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，擋墻部分拆除重建，消力池拆除重建。

3)對輸水洞更換進(jìn)口螺桿啟閉機(jī)和閘門、出口閘閥，對輸水洞進(jìn)水塔排架進(jìn)行鑿毛，砂漿抹面。對輸水洞出口兩側(cè)擋墻及消力池進(jìn)行拆除重建處理[3]。

2.2 迎水面護(hù)坡改造

本次除險加固設(shè)計，針對迎水坡問題，采用厚度為300mm干砌石進(jìn)行護(hù)坡。當(dāng)水庫水位變動或者水庫里的水產(chǎn)生波浪時，水庫內(nèi)的水會對壩殼造成沖刷破壞，在水沖刷作用下進(jìn)一步造成護(hù)坡塌陷、護(hù)坡變形甚至?xí)斐勺o(hù)坡滑塌。如圖1 和圖2所示。因此，本次除險加固設(shè)計需要對護(hù)坡采取粒徑20-40mm碎石墊層進(jìn)行加固，加固厚度為20cm。

圖1 排水棱體破損

圖2 迎水面護(hù)坡石破損

通過現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)近幾年原上游坡面塊石利用率較低，僅僅是在排水棱體維修及溢洪道下游護(hù)灘面進(jìn)行拋石護(hù)灘中用到塊石，利用率僅為30%。在本次除險加固設(shè)計中為了充分考慮到廢棄塊石量利用率，提高廢棄塊石利用量，以便進(jìn)一步減少外運費用?，F(xiàn)在采取廢棄塊石填充施工方案，將其剩余的干砌石石料(廢棄塊石)拋在水庫死水位以下。拋石施工應(yīng)在水庫放水之后，以避免施工不當(dāng)造成的工程事故。拋石施工完成后，要對水庫進(jìn)行水下勘察，記錄拋石量以及拋石位置。

通過現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)葦子溝大壩上游護(hù)坡破壞較嚴(yán)重，需要對大壩上游護(hù)坡迎水面護(hù)坡石更換，確保迎水面護(hù)坡石的完整性，更換起始位置在死水位13.8m。

2.3 壩頂改造

保持原壩頂寬度3.5m，將原漿砌石防浪墻拆除5處共100 m，用于護(hù)坡材料運輸上料口，完工后恢復(fù)。在壩頂要增設(shè)厚度為0.38m，寬為3.5m的砂石路面，在壩頂砂石路面一側(cè)增設(shè)路緣石，尺寸為35cm×15 cm×100cm。

2.4 下游護(hù)坡改造

本次除險加固設(shè)計決定采用碎石護(hù)坡。對下游的腐殖土進(jìn)行清除，清除厚度約0.1m，并且及時回填碎石，回填厚度約0.1m。由于李金水庫年久失效，下游坡腳排水棱體已失去功能，因此本次除險加固設(shè)計采用新的塊石重建，以便恢復(fù)排水棱體的排水功能，最大發(fā)揮下游護(hù)坡的工程性能[4]。

3 壩體滲透性及穩(wěn)定性分析

3.1 壩體土體物理力學(xué)參數(shù)

在2015年，遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院接受綏中縣水務(wù)局的委托，針對李金水庫大壩的質(zhì)量進(jìn)行了檢測，主要檢測內(nèi)容為黏土心墻和壩殼砂礫料。表2為設(shè)計研究院對大壩土料檢測結(jié)果。

表2 壩體土體物理力學(xué)參數(shù)

通過上表數(shù)據(jù)，并結(jié)合水庫當(dāng)前段勘察結(jié)果相對比分析，可以發(fā)現(xiàn)土壩整體質(zhì)量、性能良好。土壩的剖面中心位置黏土心墻性能狀態(tài)較好，沒有較大損壞，地質(zhì)勘察中土壩內(nèi)部沒有出現(xiàn)大范圍的黏土的塑性狀態(tài)發(fā)生改變區(qū)域，在改變區(qū)域中也沒有出現(xiàn)突變性分層情況。當(dāng)然小規(guī)模軟塑黏土夾層也可能出現(xiàn)在土壩局部中，但這小范圍的軟塑黏土夾層不影響心墻的防滲效果，仍具有良好的防滲性。

李金水庫壩基主要由絹云母片巖構(gòu)成，土壩壩基心墻下方基巖會產(chǎn)生裂隙帶，因此水庫里的水可能通過裂隙帶產(chǎn)生滲漏。當(dāng)水庫水位變動或者水庫里的水產(chǎn)生波浪時，水庫內(nèi)的水會對壩殼造成沖刷破壞，在水沖刷作用下進(jìn)一步造成護(hù)坡塌陷、護(hù)坡變形甚至?xí)斐勺o(hù)坡滑塌[5]。

綜合上述并結(jié)合壩體實際情況分析可知，造成李金水庫上游壩坡塌陷并伴隨著壩坡變形的主要原因：①上游壩坡護(hù)坡下部缺少反濾層；②水庫內(nèi)部水位變動，水庫里的水沖蝕壩殼。此外，李金水庫滲透還包括：①原設(shè)計的壩坡坡度大?。虎趬螝ぬ钪|(zhì)量。

3.2 滲流穩(wěn)定計算分析

本次除險加固設(shè)計，李金水庫壩體擋水建筑物級別為4級，對李金水庫洪峰流量和洪水總量統(tǒng)計分析，設(shè)計李金水庫為10a一遇的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)，20a一遇的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)。壩體滲流及壩坡穩(wěn)定計算斷面選取最大壩高作為典型計算斷面。地質(zhì)報告中指出李金水庫壩基巖體受到風(fēng)化程度影響較嚴(yán)重，并且發(fā)現(xiàn)壩基巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，壩基巖體局部節(jié)理密集。對此可以推斷出李金水庫順河床可能會有節(jié)理密集帶區(qū)域，致使壩基巖體的強(qiáng)度相對較低，壩體工程性能不達(dá)標(biāo)，防洪效果差[6]。通過鉆孔壓水法進(jìn)行試驗，根據(jù)所得結(jié)果進(jìn)行研究可以表明：李金水庫壩基巖體透水性較弱，一般單位吸水率<10Lu，伴隨著局部壩基巖體存在中等透水性條帶，該地區(qū)的單位吸水率可達(dá)30-50Lu。

對正常蓄水位、設(shè)計洪水位以及校核洪水位不同工況情況進(jìn)行分析，以便確定水庫大壩穩(wěn)定性。

滲流穩(wěn)定分析：建立拉普拉斯方程并對其求解，該方程求解過程需要建立在(SL274—2001)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的基礎(chǔ)上，求解數(shù)值計算時要對李金水庫土壩采用流體力學(xué)有限元法。見公式1。

(1)

式中：H為滲流平面域內(nèi)水頭；Kx、Ky為土體x、y向滲透系數(shù)。

通過理正巖土軟件對土壩滲流指標(biāo)進(jìn)行分析計算，計算結(jié)果見表3所示。

表3 滲流穩(wěn)定計算結(jié)果

通過對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：各種工況下的每日滲出量分別為0.53m3/m·d、0.63m3/m·d和0.66m3/m·d，心墻滲透坡降分別為2.26、2.68和2.78，均處于允許滲透坡降范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)表明壩體在各種工況下，壩體的壩坡均符合相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，滿足滲流穩(wěn)定要求。

因此，文中所提出的除險維修措施能夠保證滲流條件下，水庫大壩維持穩(wěn)定。

3.3 壩體抗滑穩(wěn)定性研究

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2001)規(guī)定，來確定壩體穩(wěn)定計算方法，本次壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可以采用簡化畢肖普法來計算求的[7]。見公式2。

(2)

式中：c′、φ′為有效強(qiáng)度指標(biāo)；b為條塊寬度；γw為水的容重；z為壩坡外水位與條塊底面中點的直線距離；u為水庫壩體的孔隙水壓力(穩(wěn)定滲流期或水庫水位降落期)；β為通過條塊底面中心點的半徑延伸線與此條塊的重力線之間的夾角；W1為條塊實重(位于壩坡外水位以上)；W2為條塊浮重(在壩坡外水位以下)；

李金水庫壩體邊坡穩(wěn)定計算通過采用理正巖土軟件進(jìn)行計算分析，表4是本次計算所得相關(guān)成果。

運用畢肖普法對李金水庫壩體邊坡穩(wěn)定進(jìn)行核算，通過計算可以得出水庫在各種不同工況條件下，水庫上、下游的設(shè)計水位、正常水位、校核水位，以及水庫壩體在地震或者水位驟降條件下的穩(wěn)定結(jié)果。通過相關(guān)技術(shù)規(guī)范查閱，水庫上、下游水位均符合《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2001)所規(guī)定的水位值，因此，通過水庫排險加固措施，李金水庫抗滑穩(wěn)定性良好，不存在安全隱患[8]。

表4 邊坡穩(wěn)定計算

4 結(jié) 語

本次通過水庫壩體現(xiàn)狀調(diào)研，總結(jié)出李金水庫壩體土體的加固除險措施，通過滲流穩(wěn)定性計算、抗滑穩(wěn)定性計算對加固壩體進(jìn)行計算驗證，計算參數(shù)準(zhǔn)確合理、除險加固措施合理有效。小型水庫除險加固措施的提出，對于我國水利工程小型水庫的加固修復(fù)具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。但是由于水庫年久失修，在工程施工中除險加固措施未能完全實施，壩體仍有較大的加固空間。

[1]曹昌平.小型水庫除險加固措施及土壩壩基帷幕灌漿的特點分析[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2016，22(02):113-115.

[2]韋利珠.南流江水環(huán)境質(zhì)量狀況研究及生態(tài)保護(hù)修復(fù)探討[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2014(11):17-20.

[3]馬志強(qiáng).我國水庫大壩病險類型和成因機(jī)制分析[J].人民長江，2013，44(S1):117-119.

[4]王小平.白水縣中小河流和小型水庫防洪安全存在問題及治理對策[J].水利科技，2015(02):143-144.

[5]楊麗娜.淺談水閘除險加固工程等別劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)確定[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2016(04):22-24.

[6]蘇艷宇.瓦房店市小嶺水庫除險加固工程建設(shè)探究[J].黑龍江水利科技，2015(01)：127-129.

[7]任妍儒.瓦房店市東溝水庫除險加固工程分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2016(04):35-37.

[8]陳延生.葦子溝水庫大壩除險加固設(shè)計[J].黑龍江水利科技，2014(12)：160-163.

1007-7596(2016)10-0036-03

2016-09-16

張亮(1982-)，男，遼寧綏中人，工程師，研究方向為水利工程設(shè)計、水土保持、水利工程施工和監(jiān)理等。

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