鹿 陽(yáng)

（山東省淮海建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

水庫(kù)工程是同時(shí)兼具防洪、抗旱、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)等多種功能為一體的重要民生工程，中小型水庫(kù)工程在我國(guó)各地區(qū)分布十分廣泛，但部分中小型水庫(kù)工程由于建設(shè)年限較長(zhǎng)，安全系數(shù)大幅下降。應(yīng)用科學(xué)的除險(xiǎn)加固措施提高中小型水庫(kù)工程的抗滑穩(wěn)定能力，對(duì)保障民生具有重要意義。本文以河北省秦皇島市某水庫(kù)工程為例，介紹中小型水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固方案、設(shè)計(jì)及其實(shí)施后取得的效果。

1 水庫(kù)概況及其大壩存在的問(wèn)題

1.1 水庫(kù)概況

河北省秦皇島市某水庫(kù)工程屬防洪灌溉水利工程性質(zhì)，工程等級(jí)為V級(jí)，主要建筑物和次要建筑物級(jí)別都為5級(jí)。壩址以上控制流域面積1.2km2，主河道長(zhǎng)度1.7km，河道比降52.5‰。該水庫(kù)建設(shè)時(shí)間距今已有46年，水庫(kù)樞紐工程主要包含溢洪道、大壩和放水洞三部分，其中溢洪道采用開敞式寬頂堰設(shè)計(jì)，堰頂高27.0m，頂寬10.6m，最大泄流量為91m3/s；大壩壩高12.0m，壩頂高程30.0m，壩頂寬4.0m，壩頂軸線長(zhǎng)80m。放水洞采用涵管形設(shè)計(jì)，涵管直徑0.3m，最大泄流量為0.2m3/s。該水庫(kù)工程中溢洪道和放水洞都建于大壩左側(cè)，大壩采用土壩設(shè)計(jì)，壩體主要使用低液限黏土（Q4ml）和填土（Q4ml）進(jìn)行建設(shè)，壩基主要使用寒武系強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r、武系中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r進(jìn)行建設(shè)。在建設(shè)及后期維護(hù)性地質(zhì)勘測(cè)活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)，該水利工程建設(shè)區(qū)域中無(wú)大型塌滑體、活動(dòng)斷層等地質(zhì)構(gòu)造，大壩在蓄水過(guò)程中可能受地質(zhì)原因而發(fā)生垮塌的概率較低。

1.2 水庫(kù)大壩存在的主要問(wèn)題

該水庫(kù)工程建設(shè)時(shí)間較久，上下游壩坡均設(shè)有干砌石護(hù)坡，護(hù)坡結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。但在多年蓄水使用過(guò)程中，大壩上下游干砌石護(hù)坡均有一定風(fēng)化、石塊松動(dòng)或脫落情況，部分壩體間有灌木生長(zhǎng)，壩頂年久失修，雜草叢生。2018年，該水庫(kù)工程所在地區(qū)主管部門對(duì)其安全性進(jìn)行鑒定中發(fā)現(xiàn)，大壩蓄水過(guò)程中坡腳、壩坡均無(wú)滲漏情況，下游壩坡具有穩(wěn)定滲透能力，滲流安全性評(píng)級(jí)獲得A級(jí)，但上下游壩坡抗滑穩(wěn)定能力較差，評(píng)選等級(jí)為三級(jí)，綜合抗洪能力不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)選等級(jí)為C級(jí)。為提高該水庫(kù)工程的綜合抗洪能力和抗滑穩(wěn)定能力，亟須對(duì)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

圖1 大壩上下游壩坡示意圖

2 壩體加固方案分析

目前可應(yīng)用于中小型水庫(kù)大壩加固的工程手段主要包含加高壩體、增加大壩泄洪渠道及綜合改擴(kuò)建等，還可根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合兩種工程手段共同對(duì)大壩進(jìn)行加固[1]。該水庫(kù)工程大壩僅左岸為壩坡設(shè)計(jì)，壩頂右岸直接連接鄉(xiāng)道，鄰近鄉(xiāng)道周邊有房屋建筑分布，壩頂原標(biāo)高為30.7m，若采用加高壩體的工程加固方式，不僅需要對(duì)水庫(kù)壩體進(jìn)行加高，還需要拆除鄉(xiāng)道周邊房屋建筑，會(huì)增加額外的工程搬遷成本。水庫(kù)工程溢洪道位于大壩左岸，無(wú)襯砌結(jié)構(gòu)，建設(shè)時(shí)是通過(guò)直接開挖巖體成型，所在區(qū)域巖體綜合屬性較好，巖體硬度高，開挖難度大，若直接采用進(jìn)一步開挖溢洪道堰頂巖體，擴(kuò)大溢洪道直徑，雖然能在一定程度上提高水庫(kù)工程泄洪水平，但也會(huì)影響該水庫(kù)工程的蓄水容量，在夏季漲水期可能會(huì)使下游受淹。在考慮各類壩體加固方案施工的可能性及加固效果后，最終決定以現(xiàn)有壩體為基礎(chǔ)建設(shè)防浪墻，并依照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189-2013）展開建設(shè)，以提高該水庫(kù)工程的防洪能力[2]。設(shè)置防浪墻無(wú)需對(duì)壩頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，僅需防浪墻結(jié)構(gòu)滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求即可，一般情況下，大壩壩頂標(biāo)高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于最大蓄水水位0.5m，特殊情況下，壩頂標(biāo)高至少應(yīng)和靜水位保持齊平。在設(shè)計(jì)防浪墻時(shí)，可直接應(yīng)用大壩壩頂標(biāo)高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)防浪墻標(biāo)高進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)地調(diào)研和綜合推演計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將溢洪道堰頂標(biāo)高向下開挖到26.5m標(biāo)高時(shí)，水庫(kù)校核洪水位高度為29.95m，未超過(guò)大壩當(dāng)前壩頂高度，符合防浪墻建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，以此為基礎(chǔ)計(jì)算出防浪墻標(biāo)高應(yīng)至少控制在30.8m，比大壩當(dāng)前壩頂高0.8m。

同時(shí)，由于該水庫(kù)工程大壩本身具有上、下游壩體抗滑穩(wěn)定能力較差的情況，在建設(shè)防浪墻的同時(shí)，可通過(guò)工程手段減小壩體坡度，提高壩體的抗滑穩(wěn)定水平[3]。由于大壩坡頂較窄，難以通過(guò)削坡方式減小壩體坡度，則本水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固工程采用培土方式減小壩坡坡度。壩坡培土施工中應(yīng)用的土體種類需要根據(jù)大壩蓄水防洪使用需求進(jìn)行調(diào)整，上游壩坡可使用黏土、壤土材料進(jìn)行培土，以提高上游大壩壩體的防滲能力，減小大壩蓄水過(guò)程中的水土滲透情況；下游壩坡則可使用具有良好透水能力的培土材料，避免下游需水量超出浸潤(rùn)線。對(duì)大壩壩體進(jìn)行培土加固時(shí)，也需要同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性原則，對(duì)下游壩體進(jìn)行培土加固時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致大壩壩體整體向外側(cè)偏移，需要征占更多農(nóng)田，導(dǎo)致大壩除險(xiǎn)加固整體成本上升[4]。因此，在采用培土加固壩體的工程手段時(shí)，可將上游壩坡作為主要培土目標(biāo)，盡量避免對(duì)大壩壩頂現(xiàn)有寬度造成影響，下游大壩則可通過(guò)設(shè)置反壓平臺(tái)提高壩體的抗滑穩(wěn)定能力[5]。

3 壩體加固方案設(shè)計(jì)

3.1 壩頂加固設(shè)計(jì)

通過(guò)計(jì)算，大壩下游壩頂防浪墻規(guī)格參數(shù)設(shè)為：墻體高0.8m，基礎(chǔ)埋藏深度為1.0m，頂部寬度為0.5m。墻體施工材料選用M10F200水泥砂漿，墻體外露面使用M12.5F200水泥砂漿抹面，墻體伸縮縫設(shè)計(jì)間隔為10m，伸縮縫使用乙烯閉孔泡沫板進(jìn)行填充。大壩壩頂因年久失修導(dǎo)致灌木、雜草叢生，坡頂?shù)缆菲茡p較為嚴(yán)重，本次除險(xiǎn)加固工程中對(duì)壩頂路面進(jìn)行修復(fù)施工，采用泥結(jié)碎石路面施工方式，路面設(shè)計(jì)高程為30.0m，設(shè)計(jì)寬度為3.5m，總長(zhǎng)度72.0m。壩頂路面上游和防浪墻相接，下游路面?zhèn)冗呍O(shè)置路緣石。坡頂路面和大壩頂面高程一致，路面設(shè)計(jì)坡度為1.5%的單向排水結(jié)構(gòu)。

3.2 上游壩坡加固設(shè)計(jì)

該水庫(kù)工程大壩上游壩體需要通過(guò)培土方式進(jìn)行加固，培土材料選用壤土，土壤塑性指數(shù)IP為10～15，滲透系數(shù)在1×10-5cm/s以內(nèi)，土壤顆粒均勻，粒徑超出5mm的礫石含量小于50%。培土后壩頂寬度不變，外坡比減小為1∶2.0，培土外側(cè)建設(shè)厚度為0.3m的干砌石護(hù)坡及0.1m厚碎石墊層。培土施工采用分層碾壓作業(yè)方式，每層碾壓土壤厚度為30cm，壓實(shí)率在96%以上。為保障壩體培土質(zhì)量，還需在正式培土施工前清除壩體中潛藏的淤泥，可使用拋石擠淤法、換土墊層法等進(jìn)行擠淤處理，保障壩體土壤壓實(shí)效果，提高壩體的防滲透能力[6]。

3.3 下游壩坡加固設(shè)計(jì)

該水庫(kù)工程下游通過(guò)建設(shè)反壓平臺(tái)提高大壩穩(wěn)定性，對(duì)工程穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和計(jì)算，將反壓平臺(tái)頂部標(biāo)高設(shè)為24.0m，頂部寬度設(shè)為4.5m。反壓平臺(tái)施工材料為優(yōu)質(zhì)塊石，設(shè)計(jì)坡度比為1.0∶2.0，壩體底部開設(shè)規(guī)格為0.5m×0.5m（寬×深）漿砌石排水溝。但在工程實(shí)地考察中發(fā)現(xiàn)，由于大壩壩體下游可利用空間較小，難以在大壩下游設(shè)置排水溝，因此在實(shí)際施工中取消排水溝設(shè)計(jì)，并使用漿砌石替代原定放坡加固材料，下游壩坡加固設(shè)計(jì)參數(shù)更改為頂寬3.2m，坡度比更改為1.0∶1.5，大壩頂部標(biāo)高數(shù)值不變[7]。另外，為確保大壩下游的排水能力，在大壩下游壩體中加設(shè)無(wú)砂混凝土管，設(shè)計(jì)間隔為5m，混凝土管直徑為300mm，并在大壩底部增加隨時(shí)排水體。

4 加固后壩體的穩(wěn)定性分析

完成加固的水庫(kù)大壩斷面圖如圖2所示，《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 189-2013）中要求水利工程大壩壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)至少在1.15以上，非常運(yùn)用條件下應(yīng)至少在1.05以上，才能充分保障水利工程壩坡結(jié)構(gòu)的安全性[8]。該工程在完成除險(xiǎn)加固施工后，使用剛體極限平衡法中的瑞典圓弧法對(duì)大壩邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果表明該水庫(kù)工程等級(jí)為V級(jí)，主要建筑級(jí)別和次要建筑級(jí)別均為5級(jí)。使用國(guó)內(nèi)某大學(xué)力學(xué)研究所研發(fā)的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)軟件，對(duì)大壩壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證大壩壩坡最小安全系數(shù)及是否存在不合規(guī)滑動(dòng)面。在有限元分析中應(yīng)用數(shù)據(jù)主要來(lái)自工程施工實(shí)際測(cè)量，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示，該水庫(kù)工程上、下游大壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2和圖3～圖5所示。

圖2 加固后大壩斷面示意圖

表1 大壩土層材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 大壩上、下游壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值

圖3 正常蓄水位下游壩坡滑動(dòng)示意圖

圖4 設(shè)計(jì)洪水位下游壩坡滑動(dòng)示意圖

圖5 校核洪水位下游壩坡滑動(dòng)示意圖

從表2和圖3～圖5可知，經(jīng)除險(xiǎn)加固施工后的水庫(kù)大壩在不同蓄水、抗洪使用條件下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均符合國(guó)家工程設(shè)計(jì)規(guī)定，說(shuō)明本次除險(xiǎn)加固施工工程設(shè)計(jì)及施工效果良好，綜合抗洪能力和抗滑穩(wěn)定能力得到提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)河北省秦皇島市某水庫(kù)工程建設(shè)時(shí)間較久，綜合抗洪能力不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況，對(duì)壩頂、上游壩坡和下游壩坡按照加固方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。加固方案實(shí)施后，采取科學(xué)手段進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：加固后水庫(kù)大壩在不同蓄水、抗洪使用條件下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均符合國(guó)家工程設(shè)計(jì)規(guī)定。這說(shuō)明本次除險(xiǎn)加固施工工程設(shè)計(jì)科學(xué)合理，施工效果良好，保證了大壩綜合抗洪能力和抗滑穩(wěn)定能力的提高，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。