小型砌石拱壩除險加固方案研究

□劉 克 □李 穎 □張 禮

（1 鄭州市水利建筑勘測設計院；2 黃河水利職業技術學院；3 黃河勘測規劃設計有限公司）

0 引言

我國興建水庫98000 多座，隨各地氣候、地形、地質條件不同，修建的大壩類型也不盡相同，具有區域性的特點。上世紀廣大水利水電工程技術人員根據我國實際情況，深入實際進行探索和實驗，在山地丘陵區普遍推廣了砌石拱壩技術，尤其在交通不便，經濟發展相對落后的山地丘陵地區，小型砌石拱壩以其用料省、可就地取材、砌筑工藝成熟、安全性優越等優勢而得到廣泛建設，對解決山區農田灌溉、人畜飲水等起到積極的作用，為當地人民脫貧致富創造了條件。

這些小型砌石拱壩的建設受其建設歷史、經濟條件等影響，與大、中型砌石拱壩不同，部分小型砌石拱壩砌筑質量差，或設施不盡完善，或經長年運行而缺乏系統管理維護，不同程度的出現損壞，存在安全隱患，不能正常發揮效益，需進行除險加固。在小型砌石拱壩除險加固工程設計中，應根據小型砌石拱壩自身的特點制定切實可行的加固方案。

以下以河南某地區一座小型砌石拱壩除險加固設計為例，對小型砌石拱壩除險加固工程的設計方案進行了探討，為類似工程提供參考。

1 工程概況

某水庫位于深山區，水資源緊缺，只有一處天然泉水較為可靠。一般年份各家各戶均自備水窖儲存吃水，遇到干旱年份水窖干涸，便肩挑驢馱到山泉取水。如遇大旱之年，山泉也幾乎干涸見底，人們不得不日夜守侯在泉池周圍，排隊等水。1980年夏季為解決水源，當地鄉黨委發動群眾擬建一座小水庫。

該地區河道是典型的山區河道，有窄深式山谷地形條件，兩岸為巖石邊坡，當地石料和勞動力資源豐富，但對外交通條件差，鋼筋、混凝土材料成本高，經論證后選定壩型為漿砌石拱壩，當砌筑至5.00m 高時，由于資金不足，于1981年秋停工。廣大干群于1995年開工繼續建設，但由于受當時財力、施工等因素限制，工程建至25.00m 高時再次停建。當時人畜吃水條件得到一定改善，但泄洪等設施不完善，且年久失修，滲漏嚴重，存在極大的安全隱患，原設計工程不能正常發揮效益。期間曾因原砌筑壩體頂部2m 范圍內壩體質量極差，為防止發生險情，將原壩體又拆除了4.30m。

大壩壩體為定圓心等外半徑、等截面單曲漿砌石拱壩，屬重力式拱壩，目前最大壩高20.70m，壩頂弦長78.99m，壩頂厚9m，底厚15.80m。壩頂中心角88.2 °，壩基中心角45 °，外半徑54m，壩體上游面為0.50m 厚直立漿砌料石面層，下游側為C10 細石混凝土砌石壩體，坡面呈階梯狀。主要工程效益是防洪、農田灌溉和居民飲水。

壩址區河谷縱剖面起伏不平，比降較大。峽谷橫剖面呈現“V”字形，兩岸陡直，相對高差50～60m，主要出露的巖石為震旦系馬鞍山組石英砂巖，震旦系底礫巖及下元古界嵩山群花峪組石英巖。壩址處河谷較窄且兩岸石英砂巖強度較高，滿足拱壩對地形和地質的要求；兩岸地層巖性為石英砂巖，岸坡雖陡峭，但巖石堅硬，強度較高，沒有緩傾角斷裂構造，庫岸穩定性較好。工程區地震動峰值加速度為0.10g，相當于地震基本烈度Ⅶ度。

經過多年運行，漿砌石壩體有多處孔隙、空洞，有較多滲漏通道。一到汛期，庫內水位抬高，壩后能見多處射流，危及壩體安全和正常蓄水。除險加固工程內容主要包括壩體除漏工程、壩體封頂工程、大壩溢流工程等。

表1 壩體基本參數表

圖1 現狀壩體實測剖面圖

2 除險加固設計

現狀工程質量比較差，但已經受多次洪水過壩考驗，結合工程現狀及運行情況，認為不宜對壩體做過大改造或加高太多，除險加固設計應以消除壩體安全隱患，發揮現有效益為原則。

2.1 壩體防滲工程設計方案

砌石拱壩經長年運行，出現的問題通常是壩體滲漏。安全鑒定成果顯示，本工程壩體漿砌石內部空隙很大，極不密實，很多位置砂漿未能充滿石塊間隙，存在較多隱患和滲漏通道，需對壩體進行防滲處理。

根據安全鑒定結果和現場查看情況，結合當地政府相關人員對水庫歷史運行情況的介紹，經分析，本工程壩體滲漏既不是由于壩體應力超限而產生裂縫，也不是由于水化學作用造成壩體砌筑砂漿流失。壩體滲漏原因是由于原壩體分期砌筑，且相隔時間較長，砌筑期間由于施工控制不嚴，C10 碎石混凝土不密實處較多，后經長期壓力水流沖蝕，滲漏通道逐漸加大，從而形成大面積射流滲漏的情況。

借鑒國內壩體防滲的工程經驗，常用方案主要有：①壩體化學灌漿防滲；②壩體迎水面增設鋼筋混凝土面板防滲[3]；③壩體迎水面增設高頻振蕩鋼絲網水泥砂漿面板防滲；④壩體迎水面噴射鋼纖維混凝土防滲[4]。

結合本工程壩體滲漏情況及成因，以及壩體加固整體方案，對各壩體除漏方案分析如下:

方案①采用化學灌漿，漿液耐化學腐蝕，可永久防水，對細小裂縫都可防水，防水效果好；但由于本砌石拱壩壩體是大面積滲漏，滲漏點多，壩體內部可能存在較大的空洞，若采用化學灌漿，則鉆孔作業工作點太多，沖洗及灌漿量大，且化學灌漿防滲處理費用較高，顯然不適合本工程。

方案③由于工藝復雜，工期長，投資大也不推薦采用。

方案④節省混凝土，工期較短，但面層薄，一般10cm 左右，不適應壩體后續的補強灌漿壓力，因此本次壩體防滲也不采用。

圖2 放空后上游面立視圖

圖3 蓄水時下游滲漏面立視圖

方案②屬于常規拱壩防滲和除漏設計方案，建設經驗成熟，且原壩基上游側有外伸0.8m 的齒墻，具備設置防滲墻的基礎條件。另外考慮防滲墻可為壩體補強灌漿提供可靠的封閉條件，因此本工程壩體防滲采用在上游迎水面增設鋼筋混凝土面板防滲。

防滲面板工程設計。①防滲面板布置范圍，非溢流壩段，在壩體上游壩面，自原C20 混凝土座墊起到本次設計壩頂面止；溢流壩段自原混凝土座墊到與溢流面板相接處為止，并與溢流壩面整體澆筑。②防滲面板結構設計為上窄下寬的形式，上游面鋼筋混凝土防滲面板自原混凝土座墊頂高程起以1：0.01 的坡比延伸至壩頂，防滲面板底厚按最大水深27.84m 的1/35 設計，取底厚0.80m，壩頂處厚設計為0.40m。③防滲面板材料采用C20W8F100 鋼筋混凝土，溫度鋼筋縱、橫向均勻布置。防滲面板與壩體的結合通過φ25mm 錨固鋼筋與壩體錨接，錨筋呈梅花狀布置，縱、橫向間距1.00m；防滲面板與巖體連接處，表層風化破碎體必須清理干凈，要求深入新鮮基巖2.00m，以保證防滲質量。④防滲面板分豎向橫縫，豎向橫縫水平向間距10.00～13.45m，縫間根據水深分別設單、雙層銅片止水，外層止水距內層止水0.20m。

2.2 壩體加固設計方案

本水庫大壩安全鑒定報告結論提出砌石壩體砌筑質量很差，不密實，砂漿未能充滿石塊間隙，漿砌石壩體有多處孔隙、空洞有較多滲漏通道，工程質量不合格。

本次壩體加固工程考慮壩體若繼續加高過大，大壩強度及穩定性難以保證。根據當地部門提供資料顯示，大壩建設至25.00m 高后已經受7 次洪水過壩考驗，鑒于此，本次設計在綜合考慮水庫大壩安全及當地需水量要求的情況下，壩體補強加固后，砌筑壩體至壩高29.80m 處作為壩頂。

現行規范無關于砌石壩體加固的處理方案，本工程根據壩體內空洞較多的情況，結合一些巖體加固的設計經驗，決定壩體加固采用對壩體補強灌漿的設計方案。

壩體補強灌漿對兩個方案進行了比選。方案一：壩頂布置補強灌漿孔，豎向灌漿。方案二：壩體上游面結合防滲面板錨固鋼筋孔灌漿，水平向灌漿。

方案一：壩頂布置補強灌漿孔，豎向灌漿。沿現狀壩頂面布置雙排灌漿孔，孔距1.00m，排距2.00m，上游一排灌漿孔中心線距壩面1.50m。孔深至壩基混凝土墊座。采用自下而上灌漿方法。

方案二：壩體上游面結合防滲面板錨固鋼筋孔灌漿，水平向灌漿。在上游壩面上按梅花狀錨桿孔（100cm×100cm）布置充填補強灌漿孔，孔深為原壩體厚度的一半，用0.20～0.25MPa 的壓力壓入水泥漿，盡可能地充填現有的孔隙，膠結砌體內的裂隙，達到充填補強的目的。

兩方案灌漿效果相當，方案一優點是施工在現狀壩頂面，施工場地條件好，便于施工設備布置及灌漿施工，缺點是灌漿孔深度較方案二長，施工間隔時間控制要求高。方案二優點是可結合上游壩面防滲面板錨桿孔布控，節省錨桿打孔費用，缺點是灌漿孔數量相對較多，需架設20 余米高腳手架施工，施工難度和復雜程度相對較大，工期較長。本工程位于山溝內，相對較偏遠，且現狀壩體空洞較多，過多的灌漿孔對壩體擾動過大，可能反而破壞拱壩的整體性，因此選擇方案一作為壩體加固方案。壩體補強加固后，砌筑壩體至壩高29.80m 處作為壩頂，完善各必要設施，不再進一步加高壩體。

2.3 泄洪及防沖設施設計方案

壩體無溢流設施，長期漫壩泄洪對壩體自身質量和壩基穩定不利，需完善大壩溢流設施，減輕泄洪對壩體和下游壩基的影響。

現狀兩岸山體高聳，無適宜的泄洪通道。而現狀壩體由于空洞較多，不宜為修建溢洪道而繼續加高壩體，因此本次設計拆除壩中間部分壩體后，在壩頂增設溢流堰以挑流方式泄洪。現狀壩體下游河床為巖基，且有深約1.50m 的水塘，壩體相對較高，溢流方式采用挑射式低落差鼻坎挑流泄洪，溢流頭部采用WESⅠ型堰面曲線，挑射角選用θ=15°。經計算，在堰上水頭為0.10 m 和0.30m 時的小流量工況下對應挑距分別為L=16.67m 和L=19.89m，挑射水流不會直接沖刷壩體；設計洪水Q=221.60m3/s時，挑距L=27.40m，沖坑最大后坡1/4.80；校核洪水，Q=323.60 m3/s 時，挑距L=29.90m，沖坑最大后坡1/4.40，消能計算所得結果滿足規范要求，但考慮到安全系數并不大，且為小型砌石拱壩，為節省工程投資，設計要求運行過程中，當沖刷坑深度發展至5m 時，進行混凝土襯砌，并向坑內拋石，防止沖刷坑向上游發展，保證大壩安全，必要時修建二道壩蓄水墊消能。

3 結語

我國小型砌石拱壩有其自身的建設歷史條件，在除險加固工程設計中，應根據小型砌石拱壩其自身的建設歷史、運行情況和損壞特點，選擇切實可行的加固方案，發揮工程效益。