朱家威

（江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計咨詢有限公司,廣東 江門 529000）

1 工程概況

更鼓樓水庫位于開平市蒼城鎮(zhèn)南部潭碧村委會,屬潭江鎮(zhèn)海水支流開平水,距離開平市政府約35 km,水庫三面環(huán)山,西北面為丘陵,總體屬低山丘陵區(qū)。壩址以上控制集雨面積為1.8 km2,設(shè)計灌溉面積為0.185 萬畝,正常蓄水位42.00 m,設(shè)計洪水位43.57 m,校核洪水位44.1 m,水庫的總庫容為105×104m3,捍衛(wèi)著下游耕地0.3 萬畝、人口0.033 萬人。該水庫建于1993年,至今已運(yùn)行了二十多年,主要由2 座均質(zhì)土壩,1 座溢洪道和1 座輸水涵管所組成,是一座以灌溉為主、兼顧防洪的小型水庫,工程等別為Ⅳ等,建筑物為5 級。

2 大壩現(xiàn)狀及存在問題

2.1 大壩現(xiàn)狀

水庫主、副壩為均質(zhì)土壩,壩頂為石渣路面；主壩頂寬5.0 m（不含防浪墻）,壩頂路面高程44.50 m～45.00 m,最大壩高20.21 m,壩頂長198 m。壩頂上游設(shè)約0.5 m 寬C20 砼防浪墻,防浪墻頂高程約為45.10 m～45.41 m。上游迎水坡坡比約為1∶2.55,在高程40.50 m 至壩頂設(shè)C20 砼六角塊護(hù)坡,在高程40.50 m 以下設(shè)干砌石護(hù)坡。下游壩坡為草皮護(hù)坡,在34.59 m～35.00 m 高程處設(shè)有0.7 m～1.1 m 寬平臺,平臺以上坡比為1∶2.25,平臺以下坡比為1∶2.5。壩腳設(shè)有干砌石貼坡式排水體及集水溝, 大壩左側(cè)排水體頂部高程27.42 m～27.79 m,外邊坡坡比為1∶3.15～1∶3.85；大壩右側(cè)排水體頂部高程35.00 m,外邊坡坡比為1∶2.5。下游壩坡與岸坡連接處設(shè)有排水溝,與下游集水溝接通。

副壩壩頂寬5.5 m～6.0 m（不含防浪墻）,壩頂路面高程44.05 m～44.25 m,最大壩高12.00 m,壩頂長68 m。壩頂上游設(shè)約0.3 m寬C20砼防浪墻,防浪墻頂高程約為44.33 m～44.61 m。上游壩坡為干砌石護(hù)坡,在高程38.36 m 以上坡比約為1∶2.8,在高程38.36 m 以下坡比約為1∶3.75。下游壩坡為草皮護(hù)坡,在39.04 m～39.89 m 高程處設(shè)有約2.5 m 寬平臺,平臺以上坡比約為1∶2.35,平臺以下坡比為1∶3.0。壩腳設(shè)有干砌石排水棱體及集水溝,排水棱體頂部高程33.80 m～34.03 m,外邊坡坡比為1∶1.60。

2.2 存在的問題

經(jīng)過對更鼓樓水庫現(xiàn)場勘察復(fù)核發(fā)現(xiàn),水庫經(jīng)過二十多年的運(yùn)行,其主、副壩均存在不同程度的安全隱患,如：主壩排水體浸潤線偏高,背水坡排水系統(tǒng)不完善,主壩上游壩坡原出現(xiàn)散亂、松動現(xiàn)象；副壩防浪墻頂高程不滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求；主、副壩的壩頂石渣路面出現(xiàn)破損、壩體局部填土密實度較差,含水率較高,且與壩基接觸異常,可能存在滲漏；主、副壩在高水位運(yùn)行時,排水棱體滲漏嚴(yán)重,已嚴(yán)重危及水庫安全運(yùn)行,需盡快采取措施消除大壩隱患。

3 大壩除險加固設(shè)計

3.1 壩頂重建設(shè)計

為了確保壩坡的穩(wěn)定性,本次對主、副壩壩頂石渣路面進(jìn)行重建。平整主壩壩頂路面表層碎石,并采用C25 砼厚0.2 m鋪設(shè),底鋪6%水泥石粉穩(wěn)定層厚0.1 m,壩頂路面高程設(shè)為44.50 m,壩頂總寬度設(shè)為5.00 m（不含防浪墻和排水溝）,壩頂路面橫向坡度為2%,傾向背水坡側(cè)。

清理副壩壩頂路面表層雜草,重建壩頂路面及加高原防浪墻。壩頂路面采用C25 砼厚0.2 m 鋪設(shè),底鋪6%水泥石粉穩(wěn)定層厚0.1 m,壩頂路面高程設(shè)為44.50 m,壩頂總寬度設(shè)為5.00 m（不含防浪墻）,壩頂路面橫向坡度為2%,傾向背水坡側(cè)；原防浪墻采用C25 砼加高,墻200 mm 厚。

3.2 邊坡加固設(shè)計

主壩迎水坡40.5 m 高程以下鋪設(shè)C25 砼護(hù)坡100 mm 厚,在40.50 m 高程設(shè)0.8 m 寬的砼平臺；主壩背水坡均重鋪草皮護(hù)坡,并在主壩馬道34.60 m 高程設(shè)2.5 m 寬的石渣路面100 mm 厚,重建排水棱體,采用干砌石棱體,頂部高程為28.00 m,設(shè)C20 砼排水溝及壓頂,副壩背水坡均重鋪草皮護(hù)坡。

3.3 壩體防滲設(shè)計

根據(jù)鉆探結(jié)果,大壩壩體填筑土多由粉砂巖風(fēng)化殘積土回填而成,局部夾含風(fēng)化碎石,黃色、黃褐色,多呈硬塑狀態(tài),以粉粒、粘粒為主,夾含碎石塊,不均勻,較松散,存在滲漏問題。為了提高壩體防滲性能,本次擬對壩體進(jìn)行高壓噴射灌漿,主要在主壩、副壩沿距原壩軸線上游1.0 m 處布置一排灌漿孔,終孔孔距1.5 m,主壩灌漿范圍為樁號0+010～0+178,共布置112 孔,副壩灌漿范圍為樁號0+008～0+053,共布置31 孔,每孔鉆孔深度比灌漿深度多0.3 m。高壓噴射灌漿采用三管高壓擺噴折線搭接灌漿,折角120°,擺噴角為30°。高壓噴射灌漿分2 序進(jìn)行,待第一序孔灌漿結(jié)束后,再進(jìn)行第二序孔灌漿。灌漿施工參數(shù)灌漿壓力、提升速度、氣壓、氣量均參照《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5200-2019）給定范圍取值,并結(jié)合現(xiàn)場試驗確定。

在高壓噴射灌漿過程中,如果發(fā)生壓力突降或驟增、孔口回漿密度或回漿量出現(xiàn)異常等現(xiàn)象,需查清問題所在,并立即進(jìn)行處理。如若孔內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重漏漿、串漿等特殊情況時,應(yīng)按照《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5200-2019）的相關(guān)規(guī)定處理。

高壓噴射灌漿防滲墻的防滲性能應(yīng)用圍井檢查法進(jìn)行檢查,將圍井開挖一定深度,然后在圍井內(nèi)進(jìn)行注水試驗,要求滲透系數(shù) k＜1×10-5cm/s。檢查孔注水試驗結(jié)束后,按技術(shù)要求進(jìn)行灌漿和封孔,如果發(fā)現(xiàn)質(zhì)量不合格應(yīng)及時處理。

4 加固后大壩安全復(fù)核

4.1 滲流計算

更鼓樓水庫大壩加固有新建的干砌石排水體及水泥防滲墻,根據(jù)水庫實際加固情況,本次滲流計算選擇水庫大壩最大壩高斷面進(jìn)行滲流分析[1],計算斷面見圖1。

圖1 大壩滲流計算土質(zhì)分層示意圖（加固后）

本次將滲透系數(shù)K 的建議值作為計算參數(shù),具體計算參數(shù)見表1。

表1 滲透系數(shù)的選取

表2 滲流計算工況

更鼓樓水庫大壩除險加固后,根據(jù)大壩加固情況,其滲流計算按下列工況進(jìn)行計算[2]：

當(dāng)校核洪水位降落到正常水位時,水位降落曲線采用500年一遇調(diào)洪過程線[3]。校核洪水位為44.10 m,相應(yīng)庫容為105 萬m3；正常蓄水位42.00 m,相應(yīng)庫容為82.13 萬m3,庫容差22.87 萬m3。根據(jù)水庫運(yùn)行控制和調(diào)洪演算資料,整個降落時間大約為3 小時。

本次采用南京水準(zhǔn)科技有限公司研發(fā)的“AutoBANK7.7”軟件進(jìn)行土壩滲流分析,加固后的壩體浸潤線采用有限元法進(jìn)行計算,計算采用單元格劃分見圖2。

圖2 大壩滲流有限元計算模型（加固后）

經(jīng)計算,大壩加固后各工況計算結(jié)果見表3。

表3 大壩滲流計算成果表

從表3 計算結(jié)果可以看出,大壩加固后各工況出逸點高程均位于壩體反濾排水體內(nèi),浸潤線正常,逸出段的滲透比降均小于允許水力比降,排水體頂高程滿足要求,因此采取壩體高噴灌漿的加固措施可以滿足設(shè)計規(guī)范要求。

4.2 壩坡穩(wěn)定計算

本次壩坡穩(wěn)定計算選擇大壩最大壩高斷面,計算參數(shù)采用同一土層內(nèi)土樣試驗統(tǒng)計的建議值（見表4）。

表4 土層物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 189-2013）,壩體抗滑穩(wěn)定復(fù)核采用簡化畢肖普法,本次壩坡穩(wěn)定計算按下列公式：

式中：W 為土條重量,kN；V 為垂直地震慣性力（向上為負(fù),向下為正）,kN；u 為作用于土條底面的孔隙壓力,kN；α 為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角,（°）；b 為土條寬度,m；R 為圓弧半徑,m；c′、φ′ 為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩,N·m。

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 189-2013）,水庫大壩壩坡穩(wěn)定分析計算主要復(fù)核以下工況：

1）正常運(yùn)用條件：上游正常蓄水位42.00 m（相應(yīng)下游無水）穩(wěn)定滲流下的上下游壩坡；

2）正常運(yùn)用條件：上游設(shè)計洪水位43.57 m（相應(yīng)下游無水）穩(wěn)定滲流下的上下游壩坡；

3）正常運(yùn)用條件：上游1/3 壩高水位31.20 m（相應(yīng)下游無水）穩(wěn)定滲流下的上游坡；

4）非常運(yùn)用條件I：上游校核洪水位44.10 m（相應(yīng)下游無水）穩(wěn)定滲流下的下游壩坡；

5）非常運(yùn)用條件I：庫水位從校核洪水位44.10 m 按正常泄洪降至正常蓄水位42.00 m 的現(xiàn)狀壩體非穩(wěn)定滲流的上游坡[4]。

本次壩坡穩(wěn)定計算采用南京水準(zhǔn)科技有限公司研發(fā)的“AutoBANK7.7”軟件,用簡化畢肖普法計算穩(wěn)定滲流期以及非穩(wěn)定滲流期壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行選取,大壩穩(wěn)定滲流期采用有效應(yīng)力法,水庫水位降落期采用總應(yīng)力法。經(jīng)計算,大壩壩坡穩(wěn)定計算成果見表5。

表5 壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)成果表

由表5 計算結(jié)果看出,加固后大壩的迎水坡和背水坡在各種工況下,其抗滑安全系數(shù)均大于規(guī)范允許最小安全系數(shù),因此,更鼓樓水庫大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的要求[5]。

5 結(jié)論

更鼓樓水庫大壩除險加固主要根據(jù)大壩實際情況進(jìn)行設(shè)計,對主、副壩壩頂路面進(jìn)行重建,主壩排水棱體拆除重建,壩體進(jìn)行高壓噴射灌漿,副壩原防浪墻采用C25 砼加高等。大壩除險加固工程完工后,大壩存在的安全隱患得以消除,不僅滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范要求,同時,水庫安全穩(wěn)定性得到提高。