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        滸溪水庫(kù)大壩防滲加固工程設(shè)計(jì)探究

        2019-12-19 07:41:58
        陜西水利 2019年11期
        關(guān)鍵詞:斜墻壩坡水槽

        袁 燾

        (吉安市青原區(qū)水利局,江西 吉安 343000)

        1 工程概況

        滸溪水庫(kù)位于青原區(qū)文陂鄉(xiāng)荷塘村委滸溪村,座落于贛江水系富水支流滸溪水上,距文陂鄉(xiāng)6 km,距青原區(qū)城31 km。該工程于1971年冬動(dòng)工興建,1972年投入使用。水庫(kù)樞紐工程主要建筑物:大壩、溢洪道及壩下涵管等。大壩為均質(zhì)土壩,壩頂高程108.92 m~109.80 m,最大壩高11.8 m,壩頂寬1.5 m~3.6 m,壩軸線長(zhǎng)319 m。上游壩坡坡比1∶2.91~1∶3.14。下游壩坡坡比1∶2.16~1∶2.4。滸溪水庫(kù)控制集雨面積3.09 km2,正常蓄水位106.30 m,總庫(kù)容122.03萬(wàn)m3,設(shè)計(jì)灌溉面積167 hm2,實(shí)際灌溉面積127 hm2,是一座以灌溉為主,兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的小(1)型水庫(kù)。另外,水庫(kù)下游有0.8萬(wàn)余人、167 hm2萬(wàn)畝耕地。

        目前工程存在的問(wèn)題有:壩體填筑的土質(zhì)較差,碾壓不實(shí),不能滿足土石壩的防滲要求,易產(chǎn)生集中滲流問(wèn)題;壩基具中等透水性,壩基存在滲漏問(wèn)題。溢洪道未襯砌,泄槽段不滿足抗沖刷要求,兩岸邊坡較陡,穩(wěn)定性差,易發(fā)生邊坡塌滑。無(wú)消能設(shè)施,無(wú)出水渠。斜管過(guò)流能力不滿足設(shè)計(jì)灌溉要求。斜管管身砼老化、剝蝕,蜂窩麻面嚴(yán)重,有多條貫穿性裂縫。壩下涵管為砼預(yù)制圓涵,結(jié)構(gòu)型式不滿足抗裂要求。水庫(kù)無(wú)水雨情觀測(cè)設(shè)施,無(wú)大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施,無(wú)通訊、管理設(shè)施,進(jìn)庫(kù)、上壩公路標(biāo)準(zhǔn)低,不滿足水庫(kù)日常運(yùn)行管理和防洪搶險(xiǎn)要求[1]。

        2 防滲加固設(shè)計(jì)

        2.1 大壩壩體防滲加固設(shè)計(jì)

        滸溪水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩,據(jù)吉安市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院編制提交的《滸溪水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步報(bào)告》中大壩滲流計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表1)以及大壩運(yùn)行中存在的問(wèn)題表明:大壩壩體存在滲漏和滲透穩(wěn)定問(wèn)題,需對(duì)大壩進(jìn)行防滲處理。大壩防滲處理的原則主要是“上截、下排”。“上截”就是在上游封堵滲漏入口,截?cái)酀B漏途徑,防止?jié)B入。大壩防滲措施可采用斜墻防滲、垂直防滲等幾種處理措施。考慮到庫(kù)區(qū)已蓄水多年,根據(jù)目前國(guó)內(nèi)病險(xiǎn)水庫(kù)加固處理技術(shù)經(jīng)驗(yàn)及本工程實(shí)際情況,選擇粘土斜墻結(jié)合截水槽、沖抓套井回填粘土心墻兩個(gè)防滲方案進(jìn)行比較。

        表1 滲透水力比降與滲透流量計(jì)算結(jié)果

        2.1.1 方案比較

        1)方案Ⅰ:上游壩坡設(shè)置粘土斜墻結(jié)合截水槽方案

        在上游壩坡鋪設(shè)粘土斜墻,底部設(shè)截水槽截?cái)喔采w層,深入強(qiáng)風(fēng)化基巖不小于0.5 m,粘土斜墻與左右壩肩岸坡接觸面開(kāi)挖截水槽進(jìn)行防滲加固,達(dá)到減少壩體滲漏目的。本次加固設(shè)計(jì)先對(duì)上游壩坡表面平整及清淤后邊坡削至1∶2.5,再在上游壩坡填筑一道粘土斜墻,斜墻頂寬大于3.0 m,底部厚大于3.0 m,斜墻外坡坡比放緩至1∶3.25。

        2)方案Ⅱ:在壩頂布設(shè)沖抓套井回填粘土防滲心墻方案

        自大壩壩頂順壩軸線方向布設(shè)沖抓套井回填粘土防滲心墻,達(dá)到降低壩體浸潤(rùn)線,減少壩體滲漏目的,使大壩防滲滿足規(guī)范要求。參照《土石壩加固》設(shè)計(jì),鉆孔排數(shù)取1排,孔距、排距和有效厚度按下式計(jì)算:

        式中:R為鉆孔半徑,α=65°23′;L為孔距;S為排距;T為有效厚度。

        沖抓粘土心墻布置1排孔,造孔直徑1.1 m,孔距為0.46 m,經(jīng)計(jì)算心墻有效厚度為1.0m,大于所需的心墻厚度要求[2]。

        3)方案比較與選擇

        上述兩個(gè)壩體防滲加固方案在技術(shù)上均可行,能滿足壩體防滲要求,施工工藝成熟,兩方案主要工程量及其投資比較見(jiàn)表2。由表2可知,方案Ⅰ投資277.0萬(wàn)元,方案Ⅱ投資248.5萬(wàn)元。同時(shí)方案Ⅰ的施工工藝成熟、施工組織簡(jiǎn)單,可控性強(qiáng),故工程推薦采用方案Ⅰ。

        表2 大壩壩體防滲加固方案工程量及造價(jià)比較表

        2.1.2 大壩防滲加固方案設(shè)計(jì)

        經(jīng)綜合分析比較采用上游壩坡填筑粘土斜墻與截水槽方案,先對(duì)壩坡面平整,邊坡削至1∶2.5左右,再在上游壩坡填筑一道粘土斜墻,底部設(shè)截水槽深入強(qiáng)風(fēng)化基巖不小于0.5 m。粘土斜墻外坡坡比1∶3.25,底厚3 m,截水槽底寬3.0 m,粘土斜墻頂高程108.25 m,結(jié)合壩體防滲加固,對(duì)大壩左右壩肩岸坡接觸面開(kāi)挖截水槽進(jìn)行防滲加固,截水槽截?cái)鄽埰路e層。

        (1)粘土斜墻設(shè)計(jì)指標(biāo):滲透系數(shù)k≤1×10-5cm/s,允許滲透坡降大于5~7,壓實(shí)度不小于0.96。

        (2)防滲土料:土料水溶鹽含量不大于3%,有機(jī)質(zhì)含量不大于2%,有較好的塑性,填土的含水量按最優(yōu)含水量控制,允許偏差為±3%。

        2.2 大壩壩坡加固設(shè)計(jì)

        據(jù)《大壩安全鑒定報(bào)告書》(鑒定組織單位:青原區(qū)水利局;鑒定審定部門:吉安市水利局)安全鑒定結(jié)論可知:大壩在高水位工況下壩體滲流性態(tài)不安全,上下游壩坡在各種水位穩(wěn)定滲流工況下,抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。此結(jié)論與本次大壩穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表3)結(jié)論相同。

        表3 大壩加固前壩坡穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算成果表

        2.2.1 上游壩坡加固設(shè)計(jì)

        對(duì)大壩上游壩坡拆除現(xiàn)澆砼板護(hù)坡并對(duì)不平整部分進(jìn)行削坡整平后坡比為1∶2.5左右,填筑粘土斜墻外坡坡比1∶3.25,高程108.25 m以下至壩基進(jìn)行護(hù)坡。根據(jù)工程實(shí)際情況及近些年大壩除險(xiǎn)加固處理經(jīng)驗(yàn),選擇砼預(yù)制塊護(hù)坡和干砌塊石護(hù)坡兩種方案進(jìn)行比較。

        (1)砼預(yù)制塊護(hù)坡

        砼預(yù)制板采用六角形板,邊長(zhǎng)0.3 cm,采用C15砼,其護(hù)坡厚度按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)附錄A推薦的公式計(jì)算:

        式中:η為系數(shù),對(duì)整體式大塊護(hù)面板取1.0,對(duì)裝配式護(hù)面板取 1.1;hp為累積頻率為 1%的波高,m;Lm為平均波長(zhǎng),m;b為沿坡向板長(zhǎng),取 0.6 m;ρc為板的密度,取 2.4 t/m3;ρw為水的密度,取1.0 t/m3;m為坡度系數(shù),取3.5。

        經(jīng)計(jì)算t=0.094 m。參考類似工程10 cm~20 cm,上游壩坡砼預(yù)制塊護(hù)坡厚度取10 cm。

        (2)干砌塊石護(hù)坡

        據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001),干砌塊石護(hù)坡在最大局部波浪壓力作用下所需的換算球形直徑和質(zhì)量、平均粒徑、平均質(zhì)量和厚度按下式確定:

        式中:D為石塊的換算球形直徑,m;Q為石塊的質(zhì)量,t;D50為石塊的平均粒徑,m;Q50為石塊的平均質(zhì)量,t;t為護(hù)坡厚度,m;Kt為隨坡率變化的系數(shù);hp為累積頻率為5%的波高,m;ρk為塊石密度,取2.4 t/m3。

        經(jīng)計(jì)算t=0.25 m。考慮施工要求,干砌塊石護(hù)坡厚度需取0.30 m。

        (3)護(hù)坡方案選擇與設(shè)計(jì)

        由單價(jià)分析,砼預(yù)制塊護(hù)坡單價(jià)為536.67元/m3;干砌塊石護(hù)坡單價(jià)為149.17元/m3。從經(jīng)濟(jì)上干砌塊石護(hù)坡投資較省,但考慮到干砌塊石護(hù)坡施工質(zhì)量較難控制,砼預(yù)制塊護(hù)坡施工質(zhì)量易于控制,根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn),下設(shè)一層砂石墊層。經(jīng)綜合比較本工程推薦砼預(yù)制塊護(hù)坡方案,厚0.1 m,下設(shè)砂卵石墊層厚0.1 m。

        2.2.2 下游壩坡加固設(shè)計(jì)

        大壩下游坡坡面雜草、灌木叢生,坡面不平整。本次設(shè)計(jì)進(jìn)行平整壩坡處理,高程102.15 m以上坡比為1∶2.5,采用草皮護(hù)坡,高程102.15 m以下新建貼坡排水,坡比為1∶2.5。

        由于大壩滲漏嚴(yán)重,現(xiàn)狀下游左壩腳出現(xiàn)大面積的沼澤地,對(duì)大壩穩(wěn)定不利。本次加固對(duì)下游壩腳處的沼澤地采用塊石回填,塊石回填至下游壩基高程。

        3 大壩加固設(shè)計(jì)計(jì)算

        3.1 滲流計(jì)算

        大壩加固后的滲流穩(wěn)定計(jì)算方法同大壩安全復(fù)核計(jì)算,粘土防滲斜墻滲透系數(shù)取1×10-5cm/s,其余土層滲透系數(shù)見(jiàn)表4。下游水位取大壩下游地面高程98.83 m,大壩加固處理方案典型斷面見(jiàn)圖1,大壩加固斷面各工況下的浸潤(rùn)線及等勢(shì)線見(jiàn)圖2,滲流計(jì)算成果見(jiàn)表5。

        表4 土層滲透系數(shù)取值表

        圖1 大壩加固典型斷面

        圖2 加固后各工況產(chǎn)生的穩(wěn)定滲流

        表5 大壩防滲加固、前后滲流計(jì)算成果表

        由計(jì)算結(jié)果可知(校核水位),大壩現(xiàn)狀斷面壩體浸潤(rùn)線出逸坡降值為0.2,小于允許坡降值;壩腳最大坡降0.42,大于允許坡降值,壩體、壩基易產(chǎn)生滲透破壞,在未來(lái)高水位下壩體的滲流性態(tài)存在不安全隱患?,F(xiàn)狀斷面計(jì)算滲流量Q=1.18 m3/(d·m)。加固后的大壩設(shè)計(jì)斷面壩體浸潤(rùn)線浸潤(rùn)線出逸坡降值為0.16,小于允許坡降值;壩腳最大坡降0.4,等于允許坡降值。應(yīng)設(shè)置反濾排水體。經(jīng)防滲處理后的計(jì)算滲流量為Q=0.78 m3/(d·m)。設(shè)計(jì)斷面的浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)比現(xiàn)狀斷面的浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)低[3]。

        3.2 穩(wěn)定計(jì)算

        大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用粘土防滲斜墻加固及壩坡加固方案滲流計(jì)算成果,計(jì)算斷面、參數(shù)、計(jì)算程序、孔隙水壓力、計(jì)算工況的確定見(jiàn)表6。大壩加固后的壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表6、圖3。

        表6 大壩加固的壩坡穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算成果表

        由上表計(jì)算結(jié)果可知,大壩經(jīng)過(guò)防滲及壩坡加固后,大壩在各種工況下上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全滿足《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)要求。

        圖3 有效應(yīng)力法的應(yīng)用

        4 結(jié)論

        綜上所述,受施工技術(shù)水平、使用年限等方面的影響,水庫(kù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后,不可避免的會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題,導(dǎo)致其使用功能下降。滸溪水庫(kù)經(jīng)及時(shí)除險(xiǎn)加固,消除了安全隱患,壩體滲漏及大壩穩(wěn)定均滿足要求。

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