秦 曉,李文龍
(山東省臨沂水利工程總公司,山東 臨沂 276000)
在水利基礎(chǔ)設(shè)施中,水庫占據(jù)重要地位,其具有防洪、灌溉等多重功能。當(dāng)前,很多水庫防洪能力不滿足規(guī)范要求,存在一定質(zhì)量問題,嚴(yán)重威脅到下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。為充分發(fā)揮水庫效益和保障防洪安全,開展水庫除險(xiǎn)加固是必要且迫切的。
南山園水庫地處臨沂市沂水縣北部,位于馬站鎮(zhèn)四山官莊村東0.9 km處,坐落于沭河流域上游,庫容21.1 萬m3。水庫建于2002 年3 月,主要功能為防洪排澇,兼顧農(nóng)業(yè)灌溉及水產(chǎn)養(yǎng)殖等;下游涉及人口總數(shù)2 700 人、耕地面積413.33 hm2。水庫建成后,除了進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉和減輕洪澇災(zāi)害,還有效改善了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,帶動了區(qū)域整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、管理等多方面限制,南山園水庫的施工標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量差,達(dá)不到基本防洪能力標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)濟(jì)社會效益均無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。水庫壩體分區(qū)概況如下。
1.2.1 接高壩體
后期加高培厚覆土巖性為礫石土。礫石土為風(fēng)化山皮土,灰黃色,不均勻,含有風(fēng)化巖塊,分布于頂部,厚度0.30~0.90 m,層底高程225.18~225.86 m。注水試驗(yàn)漏水嚴(yán)重,1~2 min水位即降至該層底部,滲透系數(shù)3.2×10-3~2.1×10-2cm/s,屬于中等偏強(qiáng)透水性材質(zhì),滲透系數(shù)等指標(biāo)不符合規(guī)范要求。
1.2.2 壩體
壩體填土類型為壤土和砂壤土,并含有部分礫石,鐵鍬不易挖動,通過現(xiàn)場注水試驗(yàn)得出壤土滲透系數(shù)1.5×10-5~4.6×10-5cm/s,呈弱透水性,其余各項(xiàng)指標(biāo)符合一般土防滲料質(zhì)量基本要求;壓實(shí)度0.85~0.95,相對低于一般土填筑標(biāo)準(zhǔn)要求,詳見表1。
表1 南山園水庫壩體土物理指標(biāo)
1.2.3 壩前區(qū)
壩前表層為干砌塊石護(hù)坡,經(jīng)過多年運(yùn)行,部分護(hù)坡石已發(fā)生松動,出現(xiàn)缺失及塌陷等損壞現(xiàn)象。護(hù)坡石主要為花崗巖和花崗閃長巖,巖石的大小、厚度均不符合規(guī)范要求,且護(hù)坡石的平整度、砌縫寬度不達(dá)標(biāo),砌筑質(zhì)量一般。在護(hù)坡石下墊有一層碎石,其厚度不均勻,粒徑大小不統(tǒng)一,未能達(dá)到規(guī)范反濾層料基本質(zhì)量要求。
1.2.4 壩后區(qū)
壩后區(qū)護(hù)坡為自然草皮,坡面呈現(xiàn)高低不平態(tài)勢,設(shè)有條石砌筑形式的排水溝,但因內(nèi)部連接處部分砂漿老化,有斷折損壞跡象。
根據(jù)水庫現(xiàn)場勘察結(jié)果,分析工程中存在的主要問題,通過方案比較,提出水庫的具體除險(xiǎn)加固方案與技術(shù)。
2.1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
依據(jù)相關(guān)防洪標(biāo)準(zhǔn)要求,確定水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇、校核標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇。依據(jù)相關(guān)地震動參數(shù)區(qū)劃文件,水庫地震烈度為Ⅷ度。
2.1.2 工程布置及主要加固內(nèi)容
大壩軸線走向與原壩體基本一致,大壩左端0+010—0+180 段大開挖填筑壤土防滲;迎水坡上部開挖部分塊石護(hù)坡,未開挖部分保留護(hù)坡亂石,以履帶式拖拉機(jī)碾壓振密壩坡,上部填筑方塊石護(hù)坡。
2.1.3 填筑標(biāo)準(zhǔn)
黏性土料的壓實(shí)干密度需用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀試驗(yàn)所得出的最大干密度乘以壓實(shí)度計(jì)算。理論上當(dāng)壓實(shí)度≥0.95,填土含水量按最優(yōu)含水量填充,允許偏差值為±3%。砂礫料的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)通常用相對密度值控制,一般要求相對密度≥0.75。
2.1.4 壩體戧臺及邊坡
根據(jù)工程現(xiàn)狀,綜合考慮壩型、壩高以及壩基材料等因素,確定大壩背水坡與迎水坡不設(shè)戧臺。在背水坡壩腳處,設(shè)置坡式排水體,背水坡坡比為1∶2~1∶2.5,迎水坡坡比為1∶2.5。
2.1.5 大壩防滲工程設(shè)計(jì)
地勘資料顯示,樁號0+020—0+170段高程221.58~224.25 m 以上夾有厚度為0.6~1.1 m的砂壤土層,土體飽和軟弱,具中等透水性。水位上漲時(shí),存在明顯滲漏、滲透變形等問題,嚴(yán)重威脅大壩安全,需對大壩樁號0+010—0+180段采取防滲措施。常用的防滲加固方法有開挖填筑、帷幕灌漿等。結(jié)合工程實(shí)際,經(jīng)技術(shù)比較,確定采用大開挖重新填筑方案。
2.2.1 工程開挖
大壩樁號0+010—0+180段開挖,清除砂壤土夾層重新填筑、壓實(shí),填筑壩體設(shè)截滲槽,底寬3 m,深入壩體夾層以下2 m。首先進(jìn)行大壩清表,拆除部分亂石護(hù)坡,再使用挖掘機(jī)及汽車搬運(yùn)土方?;靥钔亮蠎?yīng)充分利用開挖土料,不足部分外運(yùn)。筑壩土料依照最優(yōu)含水量控制,允許偏差為±3%。嚴(yán)格把控填筑鋪土厚度,保證壓實(shí)度及干密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
2.2.2 迎水坡石料填筑
目前,大壩護(hù)坡亂石質(zhì)量較差,風(fēng)化沖刷嚴(yán)重。保留大壩迎水坡護(hù)坡亂石,用履帶式拖拉機(jī)碾壓振密壩坡,以10~20 mm 碎石找平。對于現(xiàn)狀無護(hù)坡壩段和上部開挖恢復(fù)段,采用履帶式拖拉機(jī)削土或補(bǔ)土碾壓振密。
上游護(hù)坡加固設(shè)計(jì)與施工應(yīng)遵循節(jié)約投資、安全可靠的原則,通常護(hù)坡采用干砌方塊石、混凝土現(xiàn)澆板、預(yù)制混凝土塊等型式,結(jié)合工程實(shí)際,經(jīng)方案比選后采用方塊石護(hù)坡。
2.2.3 背水坡防護(hù)排水
根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,沿壩軸線布設(shè)橫向(垂直于壩軸線方向)排水溝5 道,分別位于大壩0+050、0+100、0+150、0+200、0+250 樁號處;背水坡排水體坡腳處設(shè)縱向(平行于壩軸線方向)排水溝1 道;兩端各設(shè)斜向排水溝1 道。排水溝采用漿砌料石(厚度為0.12 m)型式,下設(shè)厚度為0.15 m C25 混凝土基礎(chǔ)。為方便管理,在大壩0+037 樁號處設(shè)1 道料石踏步臺階,寬度為0.6 m,下設(shè)漿砌塊石基礎(chǔ)。
根據(jù)規(guī)范要求,大壩樁號0+026—0+090背水坡坡腳設(shè)貼坡式排水體,頂高程為223.0 m,外邊坡比為1∶2.5。排水體的布置以干砌方塊石為主,石料厚度為0.15 m,內(nèi)側(cè)設(shè)反濾層,從內(nèi)至外分別為中粗砂(厚度為100 mm)、反濾土工布(350 g/m2)以及粒徑20~40 mm中小石子(厚度為100 mm)。
(1)選取斷面位置。將大壩最高處對應(yīng)斷面作為典型斷面,對應(yīng)大壩樁號為0+050。經(jīng)計(jì)算需要的各類土的滲透系數(shù),詳見表2。
表2 加固后南山園水庫大壩滲流計(jì)算滲透系數(shù) cm/s
(2)工況計(jì)算。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定,采用如下計(jì)算工況。工況1:上游興利水位,下游無水;工況2:上游設(shè)計(jì)水位,下游相應(yīng)頻率洪水位;工況3:上游校核水位,下游相應(yīng)頻率洪水位;工況4:上游1/3壩高水位,下游無水。
(3)滲流計(jì)算。一般采用二維有限元法計(jì)算相應(yīng)的滲流量,使用AutoBank7.5.1 軟件分析數(shù)據(jù)。各種工況下的滲透流量均較小,滿足設(shè)計(jì)要求,具體計(jì)算結(jié)果詳見表3。
表3 南山園水庫大壩滲流計(jì)算結(jié)果 m3/d
壩坡抗滑穩(wěn)定性利用水工結(jié)構(gòu)有限元分析(AutoBank)軟件,結(jié)合簡化畢肖普法及有效應(yīng)力法計(jì)算;工程地震情況參照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,采用擬靜力法計(jì)算。經(jīng)計(jì)算,水庫加固后典型斷面的壩坡穩(wěn)定性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,具體計(jì)算結(jié)果詳見表4。
表4 水庫加固后大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果
南山園水庫除險(xiǎn)加固工程實(shí)施后,將水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)提升至200 a一遇,可削減洪峰40.16%,有效保護(hù)水庫周邊及下游413.33 hm2耕地、2 700余口人的防洪安全,減輕洪災(zāi)損失。同時(shí),可恢復(fù)增加有效灌溉面積,調(diào)節(jié)局部小氣候,增加旅游人文景觀,提升居民的幸福指數(shù),以最大程度發(fā)揮水利工程的綜合效益。