樊建新

（阜康市農(nóng)業(yè)供水管理站，新疆 阜康 831500）

0 引言

對(duì)已有水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理是保障水庫(kù)安全運(yùn)行，為當(dāng)?shù)鼐用裰\求福祉的關(guān)鍵舉措。在我國(guó)已對(duì)大量的水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固處理，有較多的學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)的科學(xué)研究。劉木蘭[1]、單良玉[2]、劉敬峰[3]對(duì)高壓旋噴技術(shù)進(jìn)行水庫(kù)防滲加固處理時(shí)的應(yīng)用進(jìn)行研究，結(jié)果表明高壓旋噴灌漿技術(shù)可以有效減少工程投入，提升工作效率。顏志斌[4]以城頭水庫(kù)為例對(duì)大壩防滲加固方案設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，通過4個(gè)方案對(duì)比，選取壩頂砼防滲墻進(jìn)行大壩加固處理具有較好的效果。譚軍[5]、吳恭王[6]分別以花馬沖水庫(kù)、石坑垅水庫(kù)為例，對(duì)大壩穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，加固后的大壩穩(wěn)定性得到了明顯的提升。孫文杰[7]使用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)土石壩滲流進(jìn)行分析，可為大壩除險(xiǎn)加固提供參考。洪振國(guó)[8]、郝永志[9]、李青[10]、李昌友[11]等分別從帷幕灌漿試驗(yàn)、方案設(shè)計(jì)、施工工藝等方面對(duì)帷幕灌漿技術(shù)在水庫(kù)大壩加固中的應(yīng)用進(jìn)行研究，認(rèn)為帷幕灌漿是一種有效的加固方法。在前人研究基礎(chǔ)之上，以紅山水庫(kù)為例，進(jìn)行大壩加固除險(xiǎn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及滲流穩(wěn)定性分析。

1 工程概況

紅山水庫(kù)位于新疆阜康市，水庫(kù)控制面積為228 km2。水庫(kù)設(shè)計(jì)初期庫(kù)容為560×104m3，是一座兼具防洪和灌溉的小型水庫(kù)。工程始建于1971年，壩高設(shè)計(jì)為32 m，5年后水庫(kù)開始蓄水，水庫(kù)大壩在運(yùn)行過程中進(jìn)行加高處理，蓄水后的7年內(nèi)，水庫(kù)已具有一定的規(guī)模。1996年，洪水的發(fā)生，造成水庫(kù)大壩嚴(yán)重?fù)p毀。重新修復(fù)設(shè)計(jì)后的水庫(kù)庫(kù)容為400×104m3，水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積5×104畝。

2 大壩加固設(shè)計(jì)

2.1 壩頂處理

目前，紅山水庫(kù)大壩壩頂平整度較差，最大高差達(dá)到50 cm。根據(jù)防洪設(shè)計(jì)要求，水庫(kù)大壩壩頂高程應(yīng)高于833.0 m，因此，需要對(duì)壩頂高程不足的部位，進(jìn)行平整，滿足壩高要求。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過程中，紅山水庫(kù)大壩上游壩坡坍塌現(xiàn)象嚴(yán)重，造成壩體上游壩坡坡度較大，穩(wěn)定性較差，同時(shí)壩體下游壩坡也存在同樣的問題。因此，壩體設(shè)計(jì)為頂寬5 m。高程823 m～833 m段上游壩坡設(shè)計(jì)為1:2.5，下游壩坡為1∶2.75；823 m以下上游壩坡設(shè)計(jì)為1∶2.75，下游壩坡為1∶3.0。

2.2 壩體、壩基防滲設(shè)計(jì)

2.2.1 防滲方案比選

方案一:壩前塑性混凝土防滲墻+斜坡土工膜。清除大壩上游高程823.0 m以上的砂殼，筑成寬度大于8.0 m的施工平臺(tái)，防滲墻軸線布置在平臺(tái)內(nèi)邊沿，防滲墻厚度為0.6 m和0.4 m，防滲墻垂直貫穿壩體下伏松散覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層，深入相對(duì)隔水的基巖0.5 m?？绾炊晤A(yù)留10 m不作連續(xù)墻，墻前后各布設(shè)兩排灌漿孔，采用灌漿，形成防滲帷幕體過渡與兩側(cè)防滲墻連接，灌漿孔間距、排距均為2.0 m。

在大壩上游心墻坡面823.0 m高程以上，采用貼坡土工膜防滲，具體做法是:將心墻坡面整平，鋪復(fù)合土工膜（兩布一膜200/0.5/200），膜上填砂殼料，現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡。823.0 m高程以下，混凝土板護(hù)坡，不設(shè)土工膜。

在兩壩肩處，沿斜坡布置混凝土防滲墻。壩基和壩肩防滲墻頂設(shè)混凝土齒槽，土工膜與齒槽的結(jié)合部位采用壓條固定方法處理。

方案二:壩體塑性混凝土防滲墻。在壩頂軸線位置布置塑性混凝土防滲墻，墻體厚度根據(jù)其深度不同分為0.6 m和0.4 m，防滲墻自壩頂軸線貫穿心墻底下伏松散覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層，深入弱風(fēng)化基巖0.5 m?？紤]到防滲墻最大深度超過35 m，對(duì)鉆孔及清槽設(shè)備要求較高，在壩頂適當(dāng)開挖，以降低防滲墻的深度。壩頂開挖深度包括砂礫石層共計(jì)4 m。

表1 比選方案工程量及投資對(duì)照表

針對(duì)上述兩個(gè)方案各自的特點(diǎn)，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較:塑性混凝土防滲墻可采用鉆機(jī)配合抓斗成槽，泥漿護(hù)壁，國(guó)內(nèi)施工技術(shù)成熟，墻體整體性最好，厚度均勻，質(zhì)量可靠，防滲效果好，易檢測(cè)。從表1中可以看出，單從垂直防滲費(fèi)用來看，方案一投資773.53萬元，方案二投資838.77萬元，相差65萬元。

方案一在壩前坡施工，考慮到砂殼排水的需要，土工膜須鋪在心墻斜面上，施工平臺(tái)以上的砂殼料要清除，開挖、回填量稍大。但防滲墻的受力條件要明顯優(yōu)于方案一，工程造價(jià)低。

方案二在壩頂施工，防滲墻高度較大，對(duì)施工機(jī)具要求較高，更主要的是在心墻中央施工，改變了原心墻的受力條件，對(duì)防滲墻在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)水頭作用下的強(qiáng)度要求提高，若使用中出現(xiàn)防滲墻變形和裂縫，將很難處理，而且對(duì)大壩的安全不利。

綜上所述，壩前塑性混凝土防滲墻+斜坡土工膜方案施工條件允許、防滲效果有保證，本著措施安全、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)適用的原則，綜合比選，推薦方案一，即壩前塑性混凝土防滲墻+斜坡土工膜方案為大壩防滲除險(xiǎn)主要措施。

2.2.2 防滲方案設(shè)計(jì)及布置

使用與原壩體材料相同的筑壩砂殼材料進(jìn)行壩體加固。在填筑工作開始前，需要對(duì)河道淤泥、坡面雜物進(jìn)行徹底的清除。

（1）防滲墻軸線及長(zhǎng)度確定

防滲墻軸線布置在壩前823.00 m位置平臺(tái)內(nèi)邊沿，軸線向兩壩肩延伸至設(shè)計(jì)水位線與強(qiáng)風(fēng)化巖層底的交點(diǎn)，墻頂設(shè)混凝土齒墻，與壩坡土工膜可靠連接，土工膜與兩壩肩岸坡的連接亦采用防滲墻辦法。

（2）防滲墻深度確定

大壩防滲的薄弱環(huán)節(jié)主要為壩體填筑不均勻心墻、壩基松散覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層，防滲墻體必須穿透上述部位巖（土）層；依據(jù)規(guī)范，防滲墻底線應(yīng)落于相對(duì)隔水層內(nèi)，紅山水庫(kù)壩區(qū)弱風(fēng)化層為相對(duì)不透水層，可作為防滲墻依托層，設(shè)計(jì)防滲墻深入弱風(fēng)化層0.5 m。

（3）防滲墻體材料

塑性混凝土為柔性材料，與普通混凝土材料相比其變形模量更接近于周圍土體材料的變形模量，適應(yīng)土體變形能力強(qiáng)，造價(jià)相對(duì)較低；墻體材料選用塑性混凝土，其抗?jié)B標(biāo)號(hào)W8，混凝土等級(jí)C15。

（4）防滲墻厚度

紅山水庫(kù)大壩上下游游水位差在正常運(yùn)用條件下約30 m，防滲墻應(yīng)滿足抗?jié)B要求，其厚度按下式計(jì)算:

式中:H為上下水頭差；[J]為防滲材料允許水力梯度。

根據(jù)資料，塑性混凝土的允許水力梯度為80，則防滲墻厚度為0.375 m，考慮到施工時(shí)可能的誤差，參照已建工程經(jīng)驗(yàn)，防滲墻厚根據(jù)高度不同分別選取0.6 m、0.4 m。

2.3 壩坡加固方案設(shè)計(jì)

2.3.1 下游壩破

紅山水庫(kù)大壩老壩段下游壩坡現(xiàn)狀坡度不足，新老壩段下游基本無防護(hù)。設(shè)計(jì)大壩下游坡要求按1∶2.5、1∶2.75坡度，砂殼材料填筑、碾壓，干砌塊石護(hù)坡。根據(jù)大壩滲流計(jì)算的成果，大壩垂直防滲處理后，下游滲流出逸點(diǎn)較低，出口為排水良好的砂殼，不做其它處理。為防止岸坡雨水浸蝕壩體，在壩體一定部位和大壩與岸坡的連接部位設(shè)30 cm×30 cm（寬×深）的排水溝，用漿砌石砌筑。

2.3.2 上游護(hù)坡

考慮到當(dāng)?shù)貙儆诟吆貐^(qū)，砌石護(hù)坡有抗凍要求，根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 211-1998），應(yīng)采用良好塊石，邊長(zhǎng)不應(yīng)小于0.3 m～0.5 m，層厚不應(yīng)小于0.35 m～0.40 m。由于當(dāng)?shù)卮笮土己檬喜杉须y度，決定采用鋼筋混凝土菱形框格內(nèi)砌塊石的護(hù)坡方式?；炷翉?qiáng)度采用C20F200，菱形框格順坡對(duì)角線長(zhǎng)取3 m，另一對(duì)角線長(zhǎng)取2 m，框格梁寬度30 cm，高度60 cm?？蚋駜?nèi)干砌石厚度取50 cm。

2.3.3 壩坡穩(wěn)定性分析

紅山水庫(kù)大壩壩頂長(zhǎng)506 m，根據(jù)壩體工程地質(zhì)條件和險(xiǎn)情，計(jì)算斷面選取大壩河床最大斷面（0+134斷面資料）。根據(jù)地質(zhì)勘探及土工試驗(yàn)成果綜合分析，壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用的各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表2。計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 巖土體力學(xué)參數(shù)

表3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由表3可知，各工況下，安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3 滲流穩(wěn)定性分析

按照平面穩(wěn)定流進(jìn)行大壩滲流穩(wěn)定性計(jì)算，假設(shè)各個(gè)圖層為各向同性材料，計(jì)算斷面為0+134斷面，根據(jù)前期調(diào)查資料，巖土體參數(shù)見表2，各土層滲透系數(shù)見表4。根據(jù)材料參數(shù)，進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 滲流計(jì)算采用各土層滲透系數(shù)

表5 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

從以上結(jié)果可以看出，加固工程前，設(shè)計(jì)洪水位條件下，滲流出逸點(diǎn)高程為805.7 m，水平出逸坡降為0.78，大于允許值，水庫(kù)滲漏量達(dá)5.65 m3/（d·m）；除險(xiǎn)加固工程完成后，滲流出逸點(diǎn)高程降到801.55 m，水平出逸坡降為0.04，滲漏量為0.34 m3/（d·m）。說明防滲措施基本能解決大壩的滲漏和滲流穩(wěn)定問題。

4 結(jié)論

（1）從壩頂加固、防滲加固、壩坡加固三個(gè)方面進(jìn)行大壩加固方案設(shè)計(jì)，通過不同的方案進(jìn)行比選，認(rèn)為壩前塑性混凝土防滲墻+斜坡土工膜，可以滿足工程加固要求，同時(shí)方案操作簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)性較高。

（2）通過有限元數(shù)值模擬方法對(duì)加固后的大壩滲流結(jié)果進(jìn)行分析，加固后水庫(kù)的水平出逸坡降、滲流量均產(chǎn)生明顯的降低，因此，使用的加固方案、防滲方案具有較好的除險(xiǎn)加固效果。