源神廟水庫大壩除險加固設計

張世泉

1 工程概況

源神廟水庫位于汾河一級支流惠濟河東支的中游、尹回水庫上游15km處，地處平遙縣城東南的朱坑鄉源神廟村。樞紐主要由大壩、溢洪道、泄洪洞及輸水洞組成，總庫容376萬m3，是一座以供水為主、兼顧防洪、灌溉等綜合利用的小（一）型水庫。工程等級為Ⅳ等，主要永久性建筑物級別為4級，次要永久性建筑物及臨時性建筑物級別為5級。水庫設計洪水標準為30年一遇，校核洪水標準為300年一遇。

大壩為碾壓式均質土壩，壩頂長250m，壩頂高程980.721m，最大壩高28m；溢洪道位于大壩左端，為河岸正槽開敞式。泄洪洞位于大壩0+033m處，由涵洞和進水塔兩部分組成。進水塔為鋼筋混凝土結構，塔高28.48m，由工作橋與壩頂相連。輸水洞位于大壩0+147m處，進水口采用臥管型式，共18級。

由于大壩設施不配套、壩體質量差、壩基壩肩滲漏嚴重等問題，建成近五十年來一直處于低水位運行，難以發揮其應有的效益。

2 工程地質條件

源神廟水庫壩址河床高程951.0m，左岸山梁高程1180.0m，相對高差230m。河流方向N79°W，壩軸線方向N19°E，河流較順直。河谷左岸較陡，右岸較緩，呈不對稱“U”型谷。

左壩肩為基巖岸坡，上部為長石砂巖，下部為泥巖；右壩肩上部為上更新統低液限黏土層（岸邊局部卵石混合土之上無土層覆蓋），厚度6.5～26.0m；下部為上更新統沖積卵石混合土，厚度12.7～25.0m，卵石混合土之下為長石砂巖夾泥巖層。

壩基河床高程951m左右，可分為兩段，樁號0+030.4～0+133段壩基為第四系全新統卵石混合土，厚3.4m，基巖面高程945.4m，樁號0+133～0+180段壩基表層為第四系全新統低液限黏土覆蓋，厚2.0～2.5m，土層之下為厚度7.0m左右的卵石混合土層，基巖面高程 947.0～948.0m。

3 大壩壩體質量缺陷分析

源神廟水庫始建于1957年，1958年9月土壩填筑到高度16m時，工程下馬，1959年蓄水運行，1971年大壩左端決口，1972—1973年回填并將大壩加高至20m，1976年續建，大壩加高至現狀壩高28m。限于當時的歷史背景和技術條件，大壩工程的質量難以嚴格控制。

3.1 壩基滲漏及右壩肩繞壩滲漏

1957年建庫時，壩基未進行處理，僅在卵石混合土層上填了薄層次生土。大壩直接座落在卵石混合土層上，右壩肩卵石混合土層也未做防滲處理，是造成水庫滲漏的主要原因。

3.2 壩體施工質量差

大壩填筑過程歷經20年，土料中混有含砂量大的土，含水率控制不嚴，多采用人工壓實填筑，干密度多達不到設計要求，壩體整體填筑質量差。

與壩軸線近平行的裂縫有兩條，其中一條位于上游壩坡樁號0+125馬道處（高程972.7m）至0+209馬道向下游6m處（高程975.3m），延伸長84m，裂縫寬度2～5cm，虛土局部充填；另一條自樁號0+122上游壩坡馬道向下游9m（高程976.6m）處，與前一條大體平行，向左延伸約10m，裂縫寬度0.5～2.0cm，虛土半充填。這些裂縫呈現的寬度較大，與冬季土體收縮有關。

4 大壩除險加固設計

4.1 大壩除險加固工程措施

現狀大壩施工質量差，壩頂寬度小且為土路，不滿足防汛搶險交通要求；下游壩坡較陡，抗滑穩定安全系數小于允許值；壩體無排水設施，浸潤線在壩坡出逸；壩面草皮護坡沖刷損壞，干砌石護坡風化、坍塌；兩條土排水溝均已不起作用；壩基壩肩滲漏嚴重，右壩肩存在繞滲穩定問題。所有這些都嚴重影響大壩的安全運行。擬采取的加固處理措施為：對壩體裂縫進行充填灌漿；壩頂加寬硬化，下游壩坡培厚，增設排水棱體，重建排水溝；上游壩坡更換草皮護坡為干砌石護坡并整修馬道以下風化、坍塌的干砌石；增加壩體觀測設施；對右壩肩繞滲增設排水反濾帶。

4.1.1 壩體裂縫充填灌漿

對壩體裂縫進行充填灌漿。灌漿孔沿裂縫布孔，孔距1.5m，孔深至960m，按照由疏到密的原則，分兩序孔施工。制漿黏土先用孔徑25mm鐵篩篩過后制漿，漿液經35孔/cm2濾篩過濾后進行灌漿。泥漿采用1.2～1.6t/m3，初期為 1.4～1.2t/m3，疏通孔后采用濃漿1.4～1.6t/m3，施灌時加1.5%的水玻璃，以起分散作用。灌漿時全孔灌注，使孔內泥漿由孔底返向全孔，處于半循環狀態。

灌漿全部結束后，布置5%的檢查孔進行檢驗。

4.1.2 壩頂加寬硬化

維持現狀壩頂高程不變，對不足設計高度的部位填平補齊。考慮防汛搶險及壩頂防浪墻的設置要求，壩頂擬加寬至6m，用泥結石硬化，路面按2%向下游側放坡。壩頂上游側防浪墻高1.0m，厚0.5m，漿砌石結構，表面1∶2水泥砂漿抹面，每15m設沉陷縫一道。下游側設C20預制混凝土路緣石，匯集路面雨水與下游壩坡排水溝連通。路緣石總高0.60cm，上部0.3m，下部0.3m，矩形斷面。

4.1.3 上游壩坡干砌石護坡

清除上游壩坡馬道以上草皮護坡并清基0.8m，徹底清除表層腐質土，更換40cm厚干砌石護坡，干砌石護坡以下設20cm厚碎石墊層和20cm厚砂。對馬道以下風化、坍塌的干砌石進行拆除、更換。

4.1.4 下游壩坡培厚，增設排水棱體，重建排水溝

拆除現狀下游壩坡的干砌石護坡及草皮護坡，清基1m，徹底清除表層腐質土。結合壩頂加寬，將下游壩坡自上而下設置為 1∶2.5，1∶3.0，在高程 968.721m處設馬道，馬道寬1.5m。下游壩腳增設排水棱體，棱體頂寬2.0m，高4.25m，頂部高程956.971m，棱體內、外側邊坡均為1∶1.5，棱體與壩體接觸部位設反濾料，厚0.55m。

壩體培厚土料用右岸土料場黏性土，要求壓實度不小于98%。排水棱體所用石料主要利用溢洪道開挖石料。

壩坡培厚碾壓完成后，清除表層未碾壓土，按設計坡比整修壩坡。壩坡采用草皮護坡，于馬道內側設縱向排水溝，每隔50m設一橫向排水溝，縱橫相連通，將水排至下游河道。排水溝斷面尺寸為0.4m×0.3m（壩坡排水溝），0.5m×0.3m（岸坡排水溝），M7.5漿砌石結構。

4.1.5 壩體觀測設備設計

根據工程管理需要，設置大壩安全性觀測項目，主要有大壩沉降觀測和水平位移觀測、壩體滲壓觀測、壩基滲壓觀測、繞壩滲壓觀測及量水堰。

4.1.6 右壩肩繞滲排水處理

為防止右壩肩發生滲透破壞，設計采取右岸坡腳設反濾層帶并增加堆石壓重的辦法進行處理。具體措施為，在壩下游右岸坡腳現狀滲水出逸處挖開鋪設一條反濾層帶，總長120m，并結合棄渣場設置，上部堆放溢洪道開挖石渣，滲水通過集水渠匯集后送入城北集中供水工程過濾池。

4.2 大壩滲流、穩定復核計算

4.2.1 滲漏量及壩體浸潤線計算

根據壩體現狀結構及對壩體取樣資料的分析，將壩體概化為透水地基上的均質土壩，選用最大斷面進行分析計算。同時，按正常蓄水位975.221m和1/3壩高水位（967.8m）兩種庫水位情況分析壩體的滲流狀態。

滲流量計算采用《滲流計算分析與控制》中透水地基上均質土壩計算式，經計算：年最大滲漏量為125 萬 m3。

After adding metamaterial to the design of simple patch， the structure will be as below:

4.2.2 壩體及壩基滲透穩定分析

4.2.2.1 壩體滲透穩定計算

壩體為均質土壩，允許滲透坡降為0.35，滲流計算采用北京理正軟件開發公司編制的《滲流計算分析軟件》，計算方法采用有限元法。

經計算，正常蓄水位情況壩體滲透比降為0.142，小于允許滲透比降0.35，滿足穩定要求。

4.2.2.2 壩基滲透穩定計算

考慮水庫淤積層的作用，設計正常蓄水位時，計算壩基水力比降為0.98，小于地基的允許水力比降1.2，壩基滿足滲透穩定要求。

4.2.3 大壩邊坡穩定計算

根據《碾壓式土石壩設計規范》，上下游壩坡穩定分析按下述兩種工況進行分析：

正常工況：水庫水位降落時上游壩坡穩定性；正常蓄水位（975.221m）時穩定滲流期的下游壩坡穩定性；1/3壩高水位967.8m時穩定滲流期的上游壩坡穩定性。

非常工況：指正常運用加地震情況下的穩定性。

計算參數見表1。

表1 大壩穩定計算參數表

砂卵石地基重度為2.09g/cm3，摩擦角31°。堆石體參照類似工程，摩擦角25°，相對密度為2.1g/cm3。

4.2.4 穩定計算

采用不計條間作用力的瑞典圓弧法和計條間作用力的簡化畢肖普法兩種方法計算。各種計算工況均按整體壩坡（從壩頂至壩底，簡稱深滑弧）和馬道以上壩坡（從壩頂至馬道，簡稱淺滑弧）兩種可能情況進行穩定分析。

大壩加固后，在各種工況運行條件下，用瑞典圓弧法和用畢肖普法計算的下游壩坡抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

5 結語

近年來，小水庫除險加固工程比較多，所以在實踐中要合理分析壩體質量缺陷的原因，并采取相應工程措施，主要通過計算壩體滲流、分析大壩上、下坡在不同工況下的穩定性，使其安全系數滿足規范要求，提高大壩安全性。