張 放，武 林

(1.蘭州有色冶金設(shè)計研究院有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110000；2.中國冶金礦業(yè)鞍山冶金設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114000)

水資源是居民賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民日常生活保障離不開水資源的正常提供。針對國內(nèi)目前水資源缺乏的現(xiàn)狀，國家近年來投入大量資金用于水利工程的興建，這些水利工程的興建在一定程度上緩解了國內(nèi)水資源緊缺的問題，同時兼顧防洪、發(fā)電、灌溉等綜合效用，促進(jìn)了國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。截止到目前，國內(nèi)已建成水庫超過8萬座，其中以中小型水庫為主，水庫設(shè)施的建立極大程度上緩解了水資源壓力。

由于現(xiàn)如今國內(nèi)的大多數(shù)水庫在修建過程中的經(jīng)濟(jì)水平較落后，在一定程度上影響了水庫的質(zhì)量，因此對于水庫的運行管理與除險加固成為現(xiàn)如今行業(yè)內(nèi)的工作重點及難點。運行管理制度的不合理、主體結(jié)構(gòu)的老化造成了水庫壩體質(zhì)量下降，表現(xiàn)最明顯的是對滲流的影響。壩體滲水嚴(yán)重，直接影響了其使用壽命，甚至有潰壩的危險，同時泄水建筑物強(qiáng)度等級不夠，也會影響水庫運行。

目前水庫雖然采取了相應(yīng)的加固措施，但并未得到其具體的治理效果，為研究出水庫最優(yōu)的除險方案，本文主要通過模型試驗的手段，采取不同的加固措施，對水庫壩體進(jìn)行加固，加固措施采取原土夯實、漿砌石和混凝土3種加固方法，研究3種方法下壩體滲流的影響，并找出不同措施對水庫泄水建筑物溢洪道的影響，找出最優(yōu)措施，并將措施應(yīng)用于實際工程，再綜合分析該方法的效益，得出最優(yōu)加固方案。

1 試驗設(shè)計

為了得出不同加固方案的效果，本文基于模型試驗的手段研究3種加固方案的加固效果，模型以實際工程原型為基礎(chǔ)，采用模型相似理論進(jìn)行比例縮放，保證模型所處環(huán)境與實際情況相符，采用幾何相似、動力相似和運動相似3種理論縮放模型，具體公式可見文獻(xiàn)[6]。試驗場地100cm以內(nèi)土壤層土質(zhì)及相關(guān)參數(shù)情況見表1。水庫除險加固共采用3種加固方案，分別為基床土料夯實、漿砌石加固和混凝土加固，在每個試驗小區(qū)分別布置3根TZS型土壤水分傳感器，測定在不同措施下土壤的土壤入滲速率，以此為依據(jù)驗證不同效果。

表1 不同土層土壤屬性表

圖1 不同措施下土壤入滲速率對比

圖2 不同防滲措施泵站站基滲流場對比

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤入滲速率對比

圖1為監(jiān)測得出的不同加固措施下的土壤入滲速率對比。由圖1可以看出，隨著時間的增長，不同方案的土壤入滲速率變化趨勢均呈先降低后平穩(wěn)的趨勢，而土料夯實措施下的土壤入滲速率最高，在100min內(nèi)的平均入滲速率為0.18cm/s，而漿砌石措施和混凝土措施的土壤平均入滲速率相差不大，分別為0.12、0.11cm/s，土壤累積入滲量表現(xiàn)為相似的變化規(guī)律。

圖2為不同措施下水庫壩體的滲流場。由圖2可以看出，不同措施下滲流場明顯不同，防滲措施效果越好，其浸潤線越低，3種方法浸潤線由高到低依次為土料夯實、漿砌石和混凝土，而混凝土和漿砌石這2種防滲措施的滲流流場差距不大。表明這2種措施的加固效果接近，混凝土效果略高于漿砌石。

2.2 不同處理下溢洪道滲漏強(qiáng)度模擬

以梯形溢洪道為例，采用變水位靜水法對不同處理下水庫溢洪道的滲漏強(qiáng)度進(jìn)行模擬，得出滲漏強(qiáng)度函數(shù)，更好地佐證了該措施的加固效果。溢洪道的計算簡圖如圖3所示。其中，h為水深，m；α為坡面角度，°；B為底寬，m；Bw為水面寬度，m；Δh為滲漏時長Δt對應(yīng)的水深差，m。

圖3 溢洪道滲漏強(qiáng)度計算示意圖

溢洪道滲漏強(qiáng)度可表示為：

(1)

式中，qs—溢洪道滲漏強(qiáng)度，L/(m2·h)；χ—觀測時間段內(nèi)平均濕周，m。

當(dāng)L取單位長度時，滲漏強(qiáng)度的每一項均可換為水深h的函數(shù)，則式(1)可變?yōu)椋?/p>

qs=h[t(h)]·Bw(h)/χ(h)

(2)

通過監(jiān)測水深變化，得出水面寬Bw、水深h，并繪制Bw與h散點圖，形成回歸方程，帶入公式(2)中即可獲得滲漏強(qiáng)度的函數(shù)，求得滲漏強(qiáng)度。

模型溢洪道尺寸為底寬1.5m，坡面角度32°，模擬3種不同加固方式下的溢洪道滲漏強(qiáng)度，繪制不同加固措施下水深與時間關(guān)系曲線，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，隨著時間的推移，溢洪道內(nèi)水深越來越低，水深與時間之間存在較好的二次函數(shù)關(guān)系。

圖4 溢洪道時間與水深的關(guān)系

分別對3種措施下的時間與水深關(guān)系式進(jìn)行反函數(shù)求解，然后求導(dǎo)，設(shè)函數(shù)一般形式為t=a·h2+b·h+c，最終求得的導(dǎo)數(shù)為：

(3)

分別求得Bw與χ的關(guān)系式，代入公式(2)，求得在3種加固措施下的溢洪道滲漏強(qiáng)度函數(shù)。

土料夯實措施：

漿砌石措施：

混凝土措施：

3 實例效益分析

昌圖縣西大橋水庫位于昌圖縣老城鎮(zhèn)境內(nèi)，遼河一級支流亮子河上。大壩壩址控制流域面積為17.7km2，河長9.0km，河道比降2.8‰。其存在的主要問題為大壩主河槽段壩體受下游水動沖刷破壞嚴(yán)重，且存在輕微滲漏跡象，原有溢洪道現(xiàn)已嚴(yán)重?fù)p壞，進(jìn)口導(dǎo)流及出口消能設(shè)施完全損壞，在汛期對水庫泄洪造成嚴(yán)重安全隱患。經(jīng)本文研究，采用漿砌石對壩體進(jìn)行重新加固，并對溢洪道進(jìn)行檢修，溢洪道尺寸為底寬2.5m，坡面角度32°，圖5反映了實測溢洪道滲漏強(qiáng)度與預(yù)測值的關(guān)系，表明了模擬值的精確性。

圖5 實測值與模擬值的關(guān)系

采用漿砌石方案進(jìn)行壩體加固，在保證加固效果的前提下，可大幅度降低造價，目前工程造價為105.72萬元，若采用混凝土進(jìn)行加固，同等標(biāo)準(zhǔn)下的造價將提高65.20萬元，效益提高顯著。因此，在允許的情況下，采用漿砌石進(jìn)行水庫加固為較穩(wěn)妥、較經(jīng)濟(jì)的加固措施。

4 結(jié)語

水庫除險加固是現(xiàn)如今水利工程的工作重點，本文以原土夯實、漿砌石和混凝土3種加固措施為基礎(chǔ)出發(fā)，從滲流角度研究了不同措施下的加固效果，分析得出不同加固措施對壩體和溢洪道的影響，并基于變水位靜水法得出溢洪道在不同措施下的滲流強(qiáng)度關(guān)系式，以實例驗證了關(guān)系式的準(zhǔn)確性，得出了漿砌石為最經(jīng)濟(jì)效果最好的加固措施的結(jié)論。