水庫大壩除險加固工程設計及施工技術要點分析

楊仁強

(貴州省遵義市水利水電勘測設計研究院，貴州遵義563000)

水庫大壩除險加固工程設計及施工技術要點分析

楊仁強

(貴州省遵義市水利水電勘測設計研究院，貴州遵義563000)

大中型除險水庫大壩在功能上無法滿足工程的正常效用，同時還要嚴格控制施工的造價，以免超出預算。此外，還同時對附近居民生活的安全性和經濟財產問題有著不同程度的影響。所以對大中型水庫大壩進行除險加固勢在必行。文章主要介紹了銅鼓井水庫大壩除險加固工程的設計以及后期的施工技術的一些相關問題，同時提出了一些經驗型的解決意見以備參考。

水庫大壩;工程設計;除險加固;滲漏分析;施工導流;施工技術

1 工程概況

銅鼓井水庫位于湄潭縣東南的抄樂鄉落花村境內。大壩座落在長江流域烏江支流跳墩河上游，壩址以上流域面積6.64 km2，(復核后)水庫總庫容90萬 m3，興利庫容65.2萬 m3，死庫容2.8萬 m3，屬小(Ⅱ)型水庫。設計灌溉面積166.6 hm2(實際灌溉面積8 hm2)。

2 水文地質

2.1 水文地質

測區碳酸鹽巖出露面積占總面積的70%，地下水類型有碳酸鹽巖溶裂隙水、巖基巖裂隙水兩大類。地下水靠大氣降雨補給，沿巖層層面、地表裂隙、落水洞、漏斗等潛入地下，賦存和運移于巖溶裂隙、巖溶管道和溶洞內，向地形低洼的溝谷及岸邊以裂隙泉、巖溶泉和地下暗河的型式出露。

2.2 地層巖性

測區出露寒武系牛蹄塘組(∈1n)至三迭系上統松子坎組(T2s)地層，其中缺失泥盆系，石炭系地層，第四系(Q)零星分布，巖性以白云巖、白云質灰巖、灰巖、泥頁巖、砂巖等。

3 滲漏分析評價

3.1 壩體及壩基肩接觸帶滲漏

壩體滲漏的主要原因是大壩在填筑時施工方法簡陋，上壩土料質量較差，從而造成壩體填筑不密實，庫水沿薄弱環節(帶)產生滲漏。壩基(肩)滲漏，根據現場調查成果，庫水主要沿壩體與基巖接觸帶和強風層產生接觸及裂溶隙性滲漏和壩體滲漏，其滲漏原因主要上清基不徹底，且筑壩時未作防滲處理，巖體風化較嚴重，裂隙發育，透水性強，施工時未清除強風化層和作防滲處理，庫水沿強風化層和裂隙密集帶產生滲漏。壩基肩滲漏存在接觸沖刷破壞問題，對大壩安全不利。

3.2 溢洪道滲漏

溢洪進口段底板拉裂縫及伸縮縫有水呈有壓狀滲出，且有沉降錯位現象。溢洪道滲漏主要集中在進口段30 m范圍內。

3.3 放水涵洞滲漏

其原因主要是施工質量差，壩體與洞體結合不好，夯壓不實，未做防滲等止水措施，庫水沿接觸帶產生接觸沖刷破壞，在一定水頭作用下擊穿砌體勾縫而產生滲漏［1］。對大壩安全不利，影響水庫的正常運行。

3.4 庫區滲漏

左岸有繞壩肩滲漏，滲漏點為W11，位于壩腳左下游，出露高程為838.95，滲流量約為1～1.2 L/s。其它未見明顯滲漏。

4 大壩除險加固設計

4.1 大壩

大壩為均質土壩，最大壩高14.00 m。壩頂高程854.21～854.67 m，壩頂寬6.4 m，壩頂長138.0 m。壩頂設有漿砌石防浪墻，高約1.1 m，墻厚約1 m，現有多處損毀。上游壩坡1:2.56，壩面設有簡易的干砌石護坡，經多年沖蝕，現損毀嚴重;下游壩坡極不平整，壩坡為1∶2.4 ～1∶2.8;下游壩坡設有二級馬道，高程分別為851.00 m、846.10 m，馬道寬分別為6.0 m、2.5 m，第一級馬道實為當地群眾在壩面上開挖出的簡易公路，第二級馬道上布置有連接放水涵的灌溉引水渠。下游壩坡滲漏較嚴重，下游壩坡有多處集中滲漏出水點及大面積的滲漏浸潤區，隨著庫水位的升高，下游滲水點及滲漏浸潤區也隨之升高，滲漏量隨之增加。

4.2 溢洪道

溢洪道布置在大壩右岸，為岸邊開敞式，溢洪道泄水槽全長120 m，溢流堰頂高程853.50 m。溢流堰頂寬為8 m。泄槽段寬約8 m，溢洪道出口消能型式為消力池結合跌坎消能。溢洪道底板有多處開裂，庫水沿底板滲漏較嚴重。側墻為漿砌石砌體，部分出現塊石松落現象。溢洪道的轉彎過急，半徑不滿足規范要求。

4.3 放水涵洞

大壩偏左岸埋設一條砌石放水底涵，斷面尺寸為0.5 m×0.9 m，涵洞進口設雙Φ400向轉動斜拉閘門1扇，放水涵進口高程845.80 m，出口高程845.70 m，放水涵洞全長52.0 m。放水涵洞有滲漏及淤堵現象，閘門及啟閉設備存在銹蝕損壞現象，不能正常運行，且存在漏水現象。

5 壩體結構處理方案選擇

5.1 壩頂高程確定

5.1.1 基本參數確定

1)風速:多年最大平均風速9.3 m/s，正常運用條件風速 W =13.95 m/s;非常運用條件 W=9.3 m/s。

2)風區長度:根據庫區圖量測D=500 m。

3)地震:根據GB18306—2001《中國地震動參數區劃圖》和《中國地震動峰值加速度區劃圖》版，測區地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震動峰值加速度＜0.05 g，地震基本烈度＜Ⅵ度。

5.1.2 水庫水面風浪爬高

5.1.2.1 計算公式

采用SL274—2001《碾壓式土石壩設計規范》推薦的公式:

計算成果見表1。

表1 風浪波高、波長計算成果表

5.1.2.2 風雍高度e

由于水庫多年平均風速不大，計算風區長度僅500 m，計算結果顯示e≈0，因而確定壩頂高程時該值忽略不計。

5.1.2.3 波浪爬高

計算公式為:

5.2 壩坡結構穩定分析

根據《碾壓式土石壩設計規范》銅鼓井水庫大壩為4級建筑物，其壩坡抗滑穩定系數應不小于《碾壓式土石壩設計規范》最小安全系數的要求。查《碾壓式土石壩設計規范》，壩坡抗滑穩定最小安全系數見表2。

表2 壩坡抗滑穩定最小安全系數

壩坡穩定計算采用水利水電科學研究院土石壩邊坡穩定分析程序《STAB》計算。計算情況是大壩經過除險加固后的壩坡穩定情況，分3種工況:①正常蓄水位(853.50m)情況時的上、下游壩坡，土料抗剪強度計算方法采用有效應力法［2］;②1/3壩高水位(845.67 m)情況時的上游壩坡，土料抗剪強度計算方法采用總應力法;③校核洪水位(854.79m)情況時的下游壩坡，土料抗剪強度計算方法采用有效應力法。

壩體材料物理力學指標根據鉆探取樣試驗成果，經綜合分析取值，壩坡穩定計算成果見表3。

表3 壩坡穩定計算成果表

經計算大壩上、下游壩坡穩定安全系數在各運行工況下均滿足規范值。故經過本次除險加固實施后，大壩上、下游壩坡穩定滿足設計要求。

5.3 壩體、壩基及壩肩防滲處理

根據前面所述大壩址工程地質條件和工程滲漏現狀，壩基肩巖體裂隙發育，巖體破碎，風化嚴重，壩體與基巖接觸帶及壩基強風化帶透水率大，壩基巖體透水性強，存在壩基、壩肩接觸帶滲漏;在大壩下游壩坡、壩趾及溢洪道有5個浸潤滲漏區和12個集中滲漏點W1～W12，庫水位853.5 m(復核時水位)時，總滲漏量約為8.25～11.9 L/s。且滲漏有逐年增大的趨勢，影響大壩安全。為提高壩基肩抗滲能力，應對壩基及壩基肩接觸帶進行防滲處理，結合壩址工程地質條件及滲漏特點，同時大壩壩前有一定的淤積、死水位較高等因素，對大壩上游壩面采用混凝土防滲墻加土工膜防滲方案實施難度較大，經綜合比較，本次對大壩壩基及兩壩肩采用帷幕灌漿防滲處理的防滲方案。

5.4 施工導流設計

本工程上游壩面護坡、放水涵洞、溢洪道等考慮在枯季的10月—次年4月份施工。放水涵洞閘門安裝、防滲處理等選擇在1～3月份進行，施工期間導流方案采用圍堰和抽排水結合。施工導流標準取P=20%，流量 Q=1.4 m3/s。

6 壩基防滲帷幕灌漿設計

6.1 防滲標準

該壩最大壩高14.0 m，屬低壩，根據《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》及本工程特點，防滲標準采用巖體的透水率q＜10 Lu。

6.2 帷幕邊界及孔、排距

大壩坐落在桐梓組(O1t)薄至中厚層白云質灰巖及頁巖上，壩基強風化帶為強透水巖體，弱風化帶為中等透水巖體，未見大的巖溶通道分布，巖溶主要表現為層間溶隙和溶蝕性裂隙，故本次設計兩岸接地下水位，垂向上按巖體透水率＜10 Lu控制;根據壩址工程地質條件和其他工程類比，并結合裂隙發育情況及地下水位等確定本工程防滲帷幕的邊界條件:左右岸帷幕底界以深入基巖10～15 m為界(843.7～838.0 m高程)，河床部分帷幕底界以深入基巖15～20 m(821.3 m高程)為界。

帷幕線沿壩軸線布置，設單排孔，左岸過左壩肩后向岸坡延伸50～857.10 m高程，右岸過溢流堰坎后延伸10～858.30 m高程，壩址區巖溶、裂隙等發育程度一般，沿壩軸線方向的可灌性一般，故本次帷幕灌漿鉆孔孔距參照本區其他類似工程經驗按2.0 m確定。帷幕線總長 256m，共設孔 129個，總進尺2 729.53 m。

6.3 先導孔設計

本次設計采用設計鉆孔中的 1#、17#、65#、89#、129#孔作帷幕灌漿先導孔，灌漿施工時應先鉆灌先導孔，并在先導孔內作壓水試驗及灌漿試驗，了解灌漿的有關參數，為以后的灌漿施工提供可靠參數依據。

6.4 帷幕灌漿材料及灌漿壓力

灌漿所用水泥的強度等級為P.O42.5，所用水泥的細度宜為通過80 μm方孔篩的篩余量≤5%。

該壩壩高14 m，屬低壩，根據本壩的實際情況建議壩體與接觸帶灌漿壓力控制在0.08～0.15 MPa。基巖內灌漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。灌漿壓力施工時根據先導孔灌漿試驗的基礎進行調整，以不破壞壩體為原則。

7 結語

銅鼓井水庫除險加固工程社會經濟效益十分明顯，對推動當地國民經濟發展和新農村建設起到積極作用，應盡快實施使其盡早發揮其應有的效益。銅鼓井水庫除險加固工程實施后，可恢復灌面86.7 hm2，同時保障水庫下游人口2 000余人、3.0 km公路及約1 000 hm2耕地等人民群眾生命財產安全。對穩定人心，促進地方經濟建設都具有較大的效益。

［1］譚界雄，位敏.我國水庫大壩病害特點及除險加固技術概述［J］.中國水利，2010(18):17-20.

［2］李端有，王志旺.水庫大壩安全管理及發展動向分析［J］.中國水利，2007(06):07-09.

TV698.23

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1007-7596(2014)06-0140-03

2013-08-09

楊仁強(1983-)，男，貴州遵義人，助理工程師，從事工程勘察設計與施工管理工作。