葛 棟

（安徽新安江水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，安徽 六安 237000）

0 引言

小堰水庫(kù)位于安徽省六安市姚李鎮(zhèn)長(zhǎng)塔寺村，修建于20 世紀(jì)70 年代，大壩為均質(zhì)土壩，壩長(zhǎng)401 m，最大壩高4.3 m，壩頂高程45.66～46.05 m，壩頂寬度為2.2 m～6.3 m。迎水坡無(wú)護(hù)坡，坡比約為1∶1.5，背水坡無(wú)排水溝，坡比約為1∶2，均雜草叢生。水庫(kù)壩址以上流域面積7.09 km2，河道平均坡降2.2‰，流域平均寬度約1.444 km，水庫(kù)總庫(kù)容16.23 萬(wàn)m3。水庫(kù)設(shè)計(jì)正常蓄水位43.50 m，10 a 一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位45.30 m，50 a 一遇洪水校核，校核洪水位45.75 m。水庫(kù)樞紐建筑物由主壩、放水涵（兼溢洪）等組成，為Ⅴ等?。?）型水庫(kù)。工程安全鑒定為三類(lèi)壩，急需采取加高培厚等工程措施進(jìn)行全面除險(xiǎn)加固處理，以恢復(fù)水庫(kù)灌溉、防洪和養(yǎng)殖等功能。

1 工程地質(zhì)條件

庫(kù)區(qū)屬丘陵低崗地貌，地面高程42.48～46.08 m，地形略有起伏，庫(kù)區(qū)岸坡一般較低矮，高2.0～4.0 m。庫(kù)區(qū)地表均被第四系地層所覆蓋，以全新統(tǒng)（Q4）粉質(zhì)黏土地層為主，可塑，局部為硬塑狀，厚度大于5 m，不存在庫(kù)岸不穩(wěn)定、庫(kù)區(qū)滲漏、浸沒(méi)、誘發(fā)地震等問(wèn)題。大壩填筑土料來(lái)源主要為附近崗地山坡或農(nóng)田，摻雜有耕植土，壩基土層為第四系全新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土層。地下水主要為孔隙水，孔隙潛水主要分布于壩身填土深部及淺部粉質(zhì)黏土中，為區(qū)內(nèi)主要含水層。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值為0.05 g，相應(yīng)地震基本烈度值為Ⅵ度。

2 壩體質(zhì)量評(píng)價(jià)

采取小堰水庫(kù)壩體具有代表性的土樣做擊實(shí)試驗(yàn)，其最大干密度γdmax=1.64 g/cm3。按照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189—2013）對(duì)壓實(shí)度不低于0.95 的要求，用平均最大干密度的0.95 即γ控=1.56 g/cm3，作為大壩壓實(shí)度評(píng)價(jià)合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)。壩身填土干密度試驗(yàn)共4 組，范圍值為1.52～1.53 g/cm3，其中低于γ控值的有4組，占總數(shù)的100%。壩體的黏粒含量為21.0%～22.9%，塑性指數(shù)IP=12.9～13.7，根據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（SLT 251—2015）的規(guī)定，壩體填筑材料基本符合規(guī)程要求，平均干密度1.53 g/cm3，大壩壓實(shí)度合格率為0%。大壩壩體填筑土地層為素填土，滲透系數(shù)為3.00×10-4cm/s，屬中等透水層，壩體存在局部滲漏。壩基土體滲透性主要為弱透水，滲透系數(shù)為1.54×10-5～3.12×10-5cm/s，平均值為2.88×10-5cm/s，在允許值3.50×10-5cm/s 以?xún)?nèi)，產(chǎn)生滲透變形破壞可能性較小，壩基滲漏及壩體穩(wěn)定安全性問(wèn)題較小。

經(jīng)試驗(yàn)分析，壩體現(xiàn)存壩高不滿(mǎn)足防洪要求、局部壩體滲漏、壩坡沖蝕破壞、泄水閘過(guò)流能力不足等病險(xiǎn)，需采取壩體加高培厚、壩坡穩(wěn)定加固和壩坡防侵蝕加固等措施，全面消除水庫(kù)安全隱患［1-2］，保護(hù)和改善區(qū)域防洪安全，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增加農(nóng)民收入。

3 水庫(kù)大壩防滲補(bǔ)強(qiáng)加固處理

3.1 大壩加高培厚

小堰水庫(kù)正常蓄水位45.30 m，設(shè)計(jì)洪水位45.30 m，校核洪水位45.75 m。多年平均最大風(fēng)速12 m/s，水庫(kù)計(jì)算吹程D=110 m。根據(jù)規(guī)范SL 189—2013，得出壩頂超高計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

由表1 計(jì)算結(jié)果可知，小堰水庫(kù)壩頂高程由設(shè)計(jì)洪水工況控制，設(shè)計(jì)壩頂高程應(yīng)不低于46.30 m。小堰水庫(kù)現(xiàn)狀壩頂高程45.66～46.05 m，部分壩段不滿(mǎn)足防洪要求，設(shè)計(jì)壩頂高程統(tǒng)一加高培厚至46.30 m。

表1 壩頂超高計(jì)算成果

3.2 大壩橫斷面加固

大壩填筑標(biāo)準(zhǔn)低，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，壩坡沖蝕嚴(yán)重，不規(guī)整，坡度較陡，不滿(mǎn)足規(guī)范要求［3-4］。根據(jù)規(guī)范SL 189—2013，統(tǒng)一加高培厚至46.30 m高程，5 m 寬度；將上下游壩坡比加高培厚至1∶2.5；小堰水庫(kù)大壩為5 級(jí)建筑物，大壩加高培厚填筑土的壓實(shí)度應(yīng)不低于95%。大壩加高培厚后的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面，如圖1所示。

圖1 大壩標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

3.3 壩體防滲加固

3.3.1 防滲加固方案比選。目前，中、小型土石壩垂直防滲加固方法較多，主要包括：黏土斜墻（心墻）、水泥土防滲墻、混凝土截滲齒坎、垂直鋪塑等。根據(jù)小堰水庫(kù)大壩的特點(diǎn)和各種防滲措施的適用范圍，設(shè)計(jì)優(yōu)選黏土鋪蓋和高噴灌漿截滲齒坎兩種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。

方案一：黏土鋪蓋結(jié)合截滲齒坎。在水庫(kù)迎水側(cè)回填黏土鋪蓋，并在壩腳新建C20 混凝土截滲齒坎，形成一個(gè)封閉的整體，從而起到截滲的作用。

方案二：高噴灌漿截滲齒坎。在壩身上連續(xù)鉆洞，并由高壓氣流（或液流）切削土體并將水泥粉或水泥漿液與鉆孔周?chē)馏w進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁纬伤嗤翂?，從而起到截滲的作用。要求成墻厚度不小于30 cm，墻體滲透系數(shù)低于1×10-6cm/s。

兩種方案比選結(jié)果，如表2所示。

從表2 比選結(jié)果可知，方案一投資明顯比方案二少，且方案二施工質(zhì)量控制難度大，故設(shè)計(jì)優(yōu)選黏土鋪蓋結(jié)合截滲齒坎方案作為大壩壩體防滲加固方案。

表2 大壩防滲加固方案比選結(jié)果

3.3.2 大壩加固后滲流分析。大壩壩身素填土以粉質(zhì)黏土為主，滲透變形類(lèi)型為流土，安全系數(shù)為2.0，允許水力比降0.48。根據(jù)大壩的險(xiǎn)情狀況，選擇樁號(hào)0+245.0 m 斷面，應(yīng)用平面有限元計(jì)算程序計(jì)算上游正常蓄水位（45.30 m）與下游不利水位（無(wú)水）、上游設(shè)計(jì)洪水位（45.30 m）與相應(yīng)下游水位（無(wú)水）、上游校核洪水位（45.75 m）與相應(yīng)下游水位（無(wú)水）的穩(wěn)定滲流場(chǎng)和水位由正常蓄水位降至死水位（45.30 m 降至43.50 m，24 h），降落時(shí)的非穩(wěn)定滲流場(chǎng)。大壩加固后滲流結(jié)果，如表3所示。

從表3 分析結(jié)果可知，大壩加固后下游坡出逸坡降值均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。這主要得益于壩體主體采用滲透系數(shù)較低的黏土，加固后大壩滲透穩(wěn)定安全可靠。

表3 大壩加固后滲流分析結(jié)果

3.3.3 大壩加固后壩坡穩(wěn)定分析。根據(jù)工程地質(zhì)勘探資料，壩身、壩基土的力學(xué)指標(biāo)，如表4所示。

表4 壩體和壩基土壤分層力學(xué)計(jì)算指標(biāo)

壩坡穩(wěn)定性分析選擇正常蓄水位（45.30 m）、設(shè)計(jì)洪水位（45.30 m）、校核洪水位（45.75 m）、水位降落期（校核洪水位降落至死水位）（45.30 m 降至43.50 m）和施工期（40.00 m），下游水位均為0 m 的5種工況來(lái)驗(yàn)算大壩的壩坡穩(wěn)定性。壩坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，如表5所示。

從表5分析結(jié)果可知，0+245.0 m斷面在各工況下的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，大壩加固后抗滑穩(wěn)定滿(mǎn)足要求，大壩壩坡整體安全穩(wěn)定。

表5 壩坡穩(wěn)定分析結(jié)果

3.4 泄洪建筑物除險(xiǎn)加固

3.4.1 泄洪建筑物布置。新建泄水閘設(shè)4 孔，寬頂堰孔口，孔凈寬3.0 m×4，閘門(mén)尺寸為3.0 m×2.5 m，堰頂高程43.50 m，閘頂高程46.30 m，采用手電兩用固定螺桿式啟閉機(jī)，啟閉機(jī)平臺(tái)高程49.10 m。閘室段設(shè)交通橋與壩頂同寬，橋板為30 cm厚鋼筋混凝土板，兩側(cè)設(shè)護(hù)欄。上游連接段鋪蓋長(zhǎng)度4.5 m，鋪蓋厚度0.4 m，兩側(cè)為C20混凝土擋土墻。下游連接段消力池長(zhǎng)度17.50 m，護(hù)坦高程41.00 m，池深0.7 m，兩側(cè)為C20混凝土擋土墻。

新建溢流堰設(shè)計(jì)為單孔5.0 m 開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)，堰頂高程45.30 m。進(jìn)口段總長(zhǎng)2.43 m，寬6.30 m，兩側(cè)設(shè)C20 混凝土擋土墻，底部采用C20 混凝土護(hù)底；溢流堰為寬頂堰結(jié)構(gòu)，凈寬5.00 m，長(zhǎng)5.00 m，兩側(cè)設(shè)C20 混凝土擋土墻，底部采用C25 鋼筋混凝土護(hù)底；頂部設(shè)交通橋，橋板為30 cm厚鋼筋混凝土板，兩側(cè)設(shè)護(hù)欄；泄槽段總長(zhǎng)度13.20 m，底寬5.00 m，矩形斷面，兩側(cè)為C20 混凝土擋土墻，底部為C25鋼筋混凝土護(hù)砌；下游設(shè)消力池，消力池長(zhǎng)10.9 m，寬5.0 m，矩形斷面，兩側(cè)為C20 混凝土擋土墻，底部為C25鋼筋混凝土護(hù)坦。

3.4.2 泄洪能力復(fù)核。小堰水庫(kù)新建泄水閘為寬頂堰形式，按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253—2018）進(jìn)行分析，如式（1）。

式中：Q為流量，m3/s；m為二元水流寬頂堰流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；B為溢流堰總凈寬，m，B=12 m；H0為堰上總水頭。按式（1）計(jì)算得小堰水庫(kù)水閘泄流能力分析結(jié)果，如表6所示。

表6 水閘泄流能力復(fù)核結(jié)果

從表6 可知，設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位時(shí)，水閘可下泄流量Q分別為63.20 m3/s 和84.54 m3/s，均大于規(guī)劃流量30.18 m3/s 和64.71 m3/s，水閘泄洪能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.4.3 消能防沖分析。小堰水庫(kù)新建泄水閘屬于5 級(jí)建筑物，采用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為10 a 一遇洪水，其相應(yīng)的消力池計(jì)算深度為0.65 m，消力池長(zhǎng)度為15.97 m。為確保水閘泄洪安全，取消力池深度為0.70 m，池長(zhǎng)17.5 m，海漫長(zhǎng)度15.0 m，消力池末端設(shè)拋石防沖。

4 結(jié)語(yǔ)

小堰水庫(kù)是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)殖等功能的?。?）型水庫(kù)。因受當(dāng)時(shí)建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低、投資資金少等因素的影響，水庫(kù)現(xiàn)存填筑土密實(shí)度低、壩體局部滲漏、泄水閘過(guò)流能力不足等問(wèn)題。采取合理的加高培厚、黏土鋪蓋結(jié)合截滲齒坎防滲、泄水閘拆除重建等除險(xiǎn)加固工程措施進(jìn)行修復(fù)處理后，壩體填筑土密實(shí)度、壩坡穩(wěn)定性和泄水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力等均得到極大改善，防滲加固修復(fù)和生態(tài)效果良好，水庫(kù)大壩病險(xiǎn)問(wèn)題得到合理處理。