葉建勇

(福建省寧德市周寧縣水利局，福建 寧德 355400)

1 工程概況

周寧縣首章水庫位于周寧縣瑪坑鄉(xiāng)首章村，所在河流為長峰溪，該水庫建于1981年7月，于1982年12月竣工，壩址以上流域面積1.0 km2，多年降雨量1780 mm，是一座以飲水、灌溉為主的小(2)型水庫，設(shè)計灌溉面積20多hm2[1-2]。水庫正常運行時水位為827.66 m，壩頂高程為829.92 m，大壩長寬高分別為58.0 m、4.4 m和15.0 m；資料顯示設(shè)計洪水位、校核洪水位和死水位分別為829.30 m、829.64 m、823.92 m，相對應(yīng)庫容分別為13.62萬m3，14.38萬m3，0.80萬m3。溢洪道堰頂高程827.66 m，堰寬10.2 m[3-4]。

2 大壩防滲加固設(shè)計

2.1 滲漏原因分析

大壩填土根據(jù)土工顆粒分析成果定名主要為素填土(粉質(zhì)黏土),共取土樣1組,其<0.005 mm，黏粒含量為36.7%，由此可見該大壩填土土料達不到均質(zhì)土壩質(zhì)量要求。分析土樣后發(fā)現(xiàn)該大壩填土土料塑性指數(shù)為13.1，總體土料質(zhì)量評價為“一般”。根據(jù)采取素填土進行擊實試驗(采取上部素填土，未含碎塊石)，重型擊實試驗結(jié)果：最大干密度1.70 g/cm3，最佳含水量19.8%。采取原狀土樣進行常規(guī)分析，土體的干密度為1.28 g/cm3，根據(jù)成果分析壓實系數(shù)為0.75，低于0.96，表明前期填土壓實工作不到位，壓實度差，存在滲漏的安全隱患。由于原有資料壩型定義為黏土心墻堆石壩，對壩體的定義錯誤，本次在壩軸線鉆孔均為堆石體土層，受場地條件制約，在壩體右岸迎水坡采用坑探型式進行開挖(TK1孔)，經(jīng)開挖結(jié)果判定壩型為黏土斜墻堆石壩，并采取壩身原狀填土土樣進行室內(nèi)分析，壩體在早期漏水較嚴(yán)重，后期對砌石護坡進行勾縫防滲處理，目前壩面滲漏有所減少，但壩體填筑土防滲質(zhì)量尚有不足，且現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)位于壩腳有一滲漏點，據(jù)現(xiàn)場觀測滲漏量約為60T/d。

綜上所述，不僅壩體存在滲漏工作不到位的情況，而且發(fā)現(xiàn)壩體與基礎(chǔ)連接處亦欠缺防滲處理。壩體長期受到侵蝕會導(dǎo)致大壩局部失穩(wěn)、防洪能力喪失等問題，此外由于該大壩自修建以來已有30余年，長期的小范圍滲流必然造成接觸滲流和流土的形成[5-6]。基于現(xiàn)有技術(shù)和工藝，現(xiàn)提出壩體上游面采用土工膜或防滲面板等防滲處理措施。

2.2 壩體防滲方案擬定

充分理解首章水庫大壩病害病癥后，結(jié)合“截斷滲漏通道”的防滲指導(dǎo)思想，選取迎水坡全坡面土工膜加截水墻、C25瀝青混凝土面板加截水墻等方案進行比較分析，各方案布置設(shè)計如下：

方案1：迎水坡全坡面土工膜防滲。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與地質(zhì)勘探資料可知：大壩為黏土斜墻堆石壩，大壩上游坡面斜率太大，坡度較陡，無法滿足設(shè)計要求。此外，黏土斜墻頂寬偏窄，也達不到設(shè)計規(guī)范要求。本次除險加固擬對大壩進行的防滲處理方式為：采用在上游側(cè)加厚黏土斜墻及鋪設(shè)700 g/m2復(fù)合土工膜防滲。本方案施工時是在迎水坡上拆除原干砌石勾縫的砌體及原黏土斜墻上游坡修成臺階狀，每階高為1.0 m，然后采用黏土進行回填夯填，夯填黏土斜墻頂寬為3.0 m，上游側(cè)的坡比為1∶2，并在高程824.00 m處設(shè)置1.5 m 寬的馬道；然后進行全壩段鋪設(shè)復(fù)合土工膜，最后在復(fù)合土工膜上依次鋪設(shè)0.2 m厚砂碎石墊層和砌筑0.3 m厚干砌石護坡；在壩體與兩岸壩肩交接處各設(shè)有一道防滲墻，防滲墻為矩形斷面，采用C15現(xiàn)澆混凝土(埋石率為20%)進行澆筑，其斷面寬0.5 m，深1.0 m，總長76 m。

優(yōu)勢：復(fù)合土工膜具有高強度、運輸量小、靈活的變形能力、高延展性和防腐防侵蝕的優(yōu)點，整個工程造價較低，且能有效對壩體、壩基進行防滲加固。

缺陷：復(fù)合土工膜防滲層結(jié)構(gòu)包括支承層、土工膜層、保護層三層，每一層有特定且精細的施工工藝，施工難度較大。

方案2：迎水坡采用瀝青混凝土面板防滲。本方案施工時是在迎水坡上拆除原干砌石勾縫的砌體及原黏土斜墻上游坡修成臺階狀，每階高為1.0 m，然后采用黏土進行回填夯填，夯填黏土斜墻頂寬為3.0 m，上游側(cè)的坡比為1∶2，然后在黏土斜墻上依次鋪設(shè)0.3 m厚砂碎石墊層以及澆筑0.3 m厚C25瀝青混凝土護面，再在死水位以下堆石渣蓋重，石渣蓋重水平上頂寬為3.0 m，迎水坡坡比為1∶2；在壩體與兩岸壩肩交接處各設(shè)有一道防滲墻，防滲墻為矩形斷面，采用C15現(xiàn)澆混凝土(埋石率為20%)進行澆筑，其斷面寬0.5 m，深1.0 m，總長76 m。

優(yōu)勢：瀝青混凝土滲漏量極低，有良好的柔性，可能發(fā)生的裂縫有一定自愈封閉作用，施工對環(huán)境的適應(yīng)性好，施工速度快，方便監(jiān)控、維修、滲漏探測等。

缺陷：施工技術(shù)要求較高、面板受氣候影響較大、易老化、斜坡穩(wěn)定性能差。

表1列出了兩種方案在工程量和造價上的不同之處，對比兩個方案的各項工程量和各單項造價均能發(fā)現(xiàn)方案1在投資和工程量上站先決優(yōu)勢。所以經(jīng)投資、技術(shù)以及結(jié)合本工程病險情況，本次加固防滲設(shè)計選用方案1作為推薦方案。

表1 各方案工程量及工程投資比較

3 大壩加固后滲流安全性及穩(wěn)定計算

由于大壩加固后，改變了原來的防滲條件，必須對大壩滲流安全性和壩坡穩(wěn)定重新進行計算分析,判斷水庫大壩經(jīng)本次加固后穩(wěn)定是否滿足要求[7- 8]。溢洪道的溢流堰斷面結(jié)構(gòu)也因此做了調(diào)整，使得大壩校核洪水位、設(shè)計洪水位均做了調(diào)整，經(jīng)過計算后，校核洪水位為829.14 m，設(shè)計洪水位為828.83 m。

3.1 加固后滲流安全性計算

本次加固后的大壩滲流計算方法與加固前滲流分析類似，計算斷面取加固后的最大斷面，其計算工況如下： (1)上游庫水位為正常蓄水位827.66 m，下游無水。(2)上游庫水位為設(shè)計洪水位828.83 m，下游無水。 (3)上游庫水位為校核洪水位829.14 m，下游無水。 (4)上游庫水位從校核洪水位829.14 m驟降至堰頂高程827.66 m，下游無水。

從表2成果可知，大壩加固后在各種工況下，壩體內(nèi)部水力坡降均比加固前有所減少，但對壩體不會產(chǎn)生滲流破壞。理論上單寬滲流量很小，比加固前有所減小。因此，本次加固措施可行。

由表2可知，四種工況下壩體內(nèi)部水力坡降均低于加固前的值，加固后不再對壩體產(chǎn)生滲流破壞。觀察單寬滲流量的值也可以得出相同的結(jié)論，圖1是經(jīng)過Autobank7.0軟件導(dǎo)出的加固后的滲流分析圖，與加固前做了對比后表明該加固措施切實可行[9]。

表2 加固前后各工況滲流計算成果對比表

圖1 各工況加固后滲流分析

3.2 大壩加固后穩(wěn)定計算

參照《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》(SL 258—2000)規(guī)定，在大壩壩坡穩(wěn)定計算時，無須考慮地震力影響，穩(wěn)定計算斷面選取最大斷面。本次壩坡穩(wěn)定分析計算采用Autobank7.0軟件在微機上完成計算。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274—2001)，本工程為黏土斜墻堆石壩計算方法采用摩根斯頓-普賴斯(Morgenstern-Price)法。摩根斯頓-普賴斯法計算公式(1)與公式(2)如下[10]：

tanφ′=tanφ/K

(1)

C′=C/K

(2)

式中：φ′、C′為假定壩體材料的有效強度指標(biāo)；C、φ為壩體材料實際的有效強度指標(biāo)；K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

本次壩坡穩(wěn)定分析計算采用Autobank7.0軟件在微機上完成計算。計算了7種工況，分別為

(1)正常運用情況。工況1：庫水位為正常蓄水位827.66 m，下游無水時，上游邊坡穩(wěn)定計算;工況2：庫水位與下游狀態(tài)同工況1，下游邊坡穩(wěn)定計算;工況3：庫水位為設(shè)計洪水位828.83 m，下游無水時，上游邊坡穩(wěn)定計算;工況4：庫水位與下游狀態(tài)同工況3，下游邊坡穩(wěn)定計算;工況5：庫水位為死水位823.92 m，下游無水時，上游邊坡穩(wěn)定計算。

(2)非常運用情況。工況6：上游庫水位為校核洪水位829.14 m，下游無水，下游邊坡穩(wěn)定計算;工況7：上游庫水位從工況6所述的829.14 m降至壩頂高程827.66 m，下游無水時，上游邊坡穩(wěn)定計算。

結(jié)合表3、表4成果可知，大壩通過方案1所述加固后壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)遠高于規(guī)范所規(guī)定的最小安全系數(shù)，利用Autobank7.0軟件驗算后的分析圖表現(xiàn)出相同的結(jié)果，由此可見該加固方案在大壩穩(wěn)定性這個檢測維度上滿足要求，切實可行[11]。

正常蓄水位827.66 m時,上游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=2.278,下游游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.687(a)工況1設(shè)計洪水位828.83 m時,上游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=2.28587,下游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.67619(b)工況3死水位823.92 m,上游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=2.235 54 (c)工況5水位從校核洪水位829.14 m驟降至正常蓄水位827.66 m時,上游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=2.2576(d)工況7

表3 大壩加固后壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)表

4 結(jié) 語

結(jié)合工程地質(zhì)勘測、大壩現(xiàn)狀問題分析和相關(guān)大壩防滲加固設(shè)計案例，以嚴(yán)謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度分析了大壩滲漏原因，由此給出了壩坡土工膜防滲和瀝青混凝土面板防滲兩種改造方案。對比之下，最終選取了壩坡土工膜防滲進行設(shè)計和施工。此外，文章還利用微機軟件Autobank7.0對比了改造前后首章水庫大壩穩(wěn)定性，各項指標(biāo)均能滿足大壩排險加固要求，科學(xué)地延續(xù)了高齡大壩的使用壽命，同時保障了該小(2)型水庫大壩的安全穩(wěn)定運行。