李金水庫(kù)除險(xiǎn)加固及其穩(wěn)定性分析

張 亮

(綏中縣水利技術(shù)推廣站，遼寧 綏中 125205)

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李金水庫(kù)除險(xiǎn)加固及其穩(wěn)定性分析

張 亮

(綏中縣水利技術(shù)推廣站，遼寧 綏中 125205)

小型水庫(kù)因其防洪、養(yǎng)殖、蓄水、供水等功能在農(nóng)田水利中占有重要位置。通過有效的除險(xiǎn)加固措施對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行治理，保證水庫(kù)的安全運(yùn)行和管理，實(shí)現(xiàn)水資源的科學(xué)發(fā)展對(duì)下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。通過現(xiàn)場(chǎng)勘查、理論計(jì)算等方法，提出綏中縣李金水庫(kù)除險(xiǎn)加固措施，進(jìn)行壩體滲流計(jì)算和穩(wěn)定性驗(yàn)算，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了除險(xiǎn)加固措施的可行性，對(duì)類似小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程具有借鑒作用。

水庫(kù)；除險(xiǎn)加固；滲流計(jì)算；穩(wěn)定性分析

隨著我國(guó)十八大對(duì)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)工程建設(shè)政策的提出，農(nóng)田水利基礎(chǔ)工程建設(shè)迎來(lái)大發(fā)展。小型水庫(kù)作為農(nóng)田水利基礎(chǔ)工程的重要組成部分，因其防洪、蓄水、灌溉、養(yǎng)殖等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)田水利中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。但是由于常年失修，目前較多的小型水庫(kù)工程處于病險(xiǎn)狀態(tài)[1-2]。因此，制定合理有效的水庫(kù)除險(xiǎn)加固措施，保證小型水庫(kù)的正常運(yùn)行和管理具有重要意義。本文通過對(duì)綏中縣李金水庫(kù)進(jìn)行現(xiàn)狀研究，提出大壩除險(xiǎn)加固處理措施，通過理論計(jì)算分析加固大壩穩(wěn)定性，對(duì)類似小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工程概況

李金水庫(kù)于1974年建成并投入使用，現(xiàn)已投入使用40多年。該水庫(kù)位于綏中縣大王廟鎮(zhèn)境內(nèi)小黃村王寶河支流上，具有灌溉農(nóng)田、養(yǎng)殖、供水、旅游、防洪等多重功能。各參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)水量

依據(jù)水利電力部頒發(fā)的(DL5180-2003)《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》(山丘、丘陵區(qū)部分)規(guī)定，并結(jié)合上表數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定李金水庫(kù)工程規(guī)模為小(1)型，判定李金水庫(kù)工程等級(jí)為Ⅳ等，壩體建筑物級(jí)別為4級(jí)。

2 李金水庫(kù)壩體加固設(shè)計(jì)

2.1 李金水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

針對(duì)李金水庫(kù)現(xiàn)狀、存在的問題及除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)原則，制訂以下除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)：

1)對(duì)大壩上游出現(xiàn)的護(hù)坡問題可采用干砌石護(hù)坡方案進(jìn)行工程防護(hù)，砌石材質(zhì)堅(jiān)硬，無(wú)風(fēng)化剝落層或裂紋。壩頂采用泥結(jié)石修筑路面，加大局部防浪墻維修力度，墻身每隔15m布置一道設(shè)有止水的沉降縫。下游壩坡的工程問題可采用碎石護(hù)坡方案進(jìn)行工程防護(hù)，并對(duì)大壩下游進(jìn)行草皮種植。根據(jù)排水棱體損壞情況，著重對(duì)其修復(fù)，確保排水暢通。

2)溢洪道基礎(chǔ)與擋墻進(jìn)行處理，溢洪道進(jìn)口做一鋼筋混凝土截水墻，截水墻深入黏土1m，底板改造為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，擋墻部分拆除重建，消力池拆除重建。

3)對(duì)輸水洞更換進(jìn)口螺桿啟閉機(jī)和閘門、出口閘閥，對(duì)輸水洞進(jìn)水塔排架進(jìn)行鑿毛，砂漿抹面。對(duì)輸水洞出口兩側(cè)擋墻及消力池進(jìn)行拆除重建處理[3]。

2.2 迎水面護(hù)坡改造

本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，針對(duì)迎水坡問題，采用厚度為300mm干砌石進(jìn)行護(hù)坡。當(dāng)水庫(kù)水位變動(dòng)或者水庫(kù)里的水產(chǎn)生波浪時(shí)，水庫(kù)內(nèi)的水會(huì)對(duì)壩殼造成沖刷破壞，在水沖刷作用下進(jìn)一步造成護(hù)坡塌陷、護(hù)坡變形甚至?xí)斐勺o(hù)坡滑塌。如圖1 和圖2所示。因此，本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)需要對(duì)護(hù)坡采取粒徑20-40mm碎石墊層進(jìn)行加固，加固厚度為20cm。

圖1 排水棱體破損

圖2 迎水面護(hù)坡石破損

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)近幾年原上游坡面塊石利用率較低，僅僅是在排水棱體維修及溢洪道下游護(hù)灘面進(jìn)行拋石護(hù)灘中用到塊石，利用率僅為30%。在本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中為了充分考慮到廢棄塊石量利用率，提高廢棄塊石利用量，以便進(jìn)一步減少外運(yùn)費(fèi)用。現(xiàn)在采取廢棄塊石填充施工方案，將其剩余的干砌石石料(廢棄塊石)拋在水庫(kù)死水位以下。拋石施工應(yīng)在水庫(kù)放水之后，以避免施工不當(dāng)造成的工程事故。拋石施工完成后，要對(duì)水庫(kù)進(jìn)行水下勘察，記錄拋石量以及拋石位置。

通過現(xiàn)場(chǎng)勘察，發(fā)現(xiàn)葦子溝大壩上游護(hù)坡破壞較嚴(yán)重，需要對(duì)大壩上游護(hù)坡迎水面護(hù)坡石更換，確保迎水面護(hù)坡石的完整性，更換起始位置在死水位13.8m。

2.3 壩頂改造

保持原壩頂寬度3.5m，將原漿砌石防浪墻拆除5處共100 m，用于護(hù)坡材料運(yùn)輸上料口，完工后恢復(fù)。在壩頂要增設(shè)厚度為0.38m，寬為3.5m的砂石路面，在壩頂砂石路面一側(cè)增設(shè)路緣石，尺寸為35cm×15 cm×100cm。

2.4 下游護(hù)坡改造

本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)決定采用碎石護(hù)坡。對(duì)下游的腐殖土進(jìn)行清除，清除厚度約0.1m，并且及時(shí)回填碎石，回填厚度約0.1m。由于李金水庫(kù)年久失效，下游坡腳排水棱體已失去功能，因此本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)采用新的塊石重建，以便恢復(fù)排水棱體的排水功能，最大發(fā)揮下游護(hù)坡的工程性能[4]。

3 壩體滲透性及穩(wěn)定性分析

3.1 壩體土體物理力學(xué)參數(shù)

在2015年，遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院接受綏中縣水務(wù)局的委托，針對(duì)李金水庫(kù)大壩的質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，主要檢測(cè)內(nèi)容為黏土心墻和壩殼砂礫料。表2為設(shè)計(jì)研究院對(duì)大壩土料檢測(cè)結(jié)果。

表2 壩體土體物理力學(xué)參數(shù)

通過上表數(shù)據(jù)，并結(jié)合水庫(kù)當(dāng)前段勘察結(jié)果相對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)土壩整體質(zhì)量、性能良好。土壩的剖面中心位置黏土心墻性能狀態(tài)較好，沒有較大損壞，地質(zhì)勘察中土壩內(nèi)部沒有出現(xiàn)大范圍的黏土的塑性狀態(tài)發(fā)生改變區(qū)域，在改變區(qū)域中也沒有出現(xiàn)突變性分層情況。當(dāng)然小規(guī)模軟塑黏土夾層也可能出現(xiàn)在土壩局部中，但這小范圍的軟塑黏土夾層不影響心墻的防滲效果，仍具有良好的防滲性。

李金水庫(kù)壩基主要由絹云母片巖構(gòu)成，土壩壩基心墻下方基巖會(huì)產(chǎn)生裂隙帶，因此水庫(kù)里的水可能通過裂隙帶產(chǎn)生滲漏。當(dāng)水庫(kù)水位變動(dòng)或者水庫(kù)里的水產(chǎn)生波浪時(shí)，水庫(kù)內(nèi)的水會(huì)對(duì)壩殼造成沖刷破壞，在水沖刷作用下進(jìn)一步造成護(hù)坡塌陷、護(hù)坡變形甚至?xí)斐勺o(hù)坡滑塌[5]。

綜合上述并結(jié)合壩體實(shí)際情況分析可知，造成李金水庫(kù)上游壩坡塌陷并伴隨著壩坡變形的主要原因：①上游壩坡護(hù)坡下部缺少反濾層；②水庫(kù)內(nèi)部水位變動(dòng)，水庫(kù)里的水沖蝕壩殼。此外，李金水庫(kù)滲透還包括：①原設(shè)計(jì)的壩坡坡度大小；②壩殼填筑質(zhì)量。

3.2 滲流穩(wěn)定計(jì)算分析

本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，李金水庫(kù)壩體擋水建筑物級(jí)別為4級(jí)，對(duì)李金水庫(kù)洪峰流量和洪水總量統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)計(jì)李金水庫(kù)為10a一遇的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，20a一遇的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)。壩體滲流及壩坡穩(wěn)定計(jì)算斷面選取最大壩高作為典型計(jì)算斷面。地質(zhì)報(bào)告中指出李金水庫(kù)壩基巖體受到風(fēng)化程度影響較嚴(yán)重，并且發(fā)現(xiàn)壩基巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，壩基巖體局部節(jié)理密集。對(duì)此可以推斷出李金水庫(kù)順河床可能會(huì)有節(jié)理密集帶區(qū)域，致使壩基巖體的強(qiáng)度相對(duì)較低，壩體工程性能不達(dá)標(biāo)，防洪效果差[6]。通過鉆孔壓水法進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)所得結(jié)果進(jìn)行研究可以表明：李金水庫(kù)壩基巖體透水性較弱，一般單位吸水率<10Lu，伴隨著局部壩基巖體存在中等透水性條帶，該地區(qū)的單位吸水率可達(dá)30-50Lu。

對(duì)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位以及校核洪水位不同工況情況進(jìn)行分析，以便確定水庫(kù)大壩穩(wěn)定性。

滲流穩(wěn)定分析：建立拉普拉斯方程并對(duì)其求解，該方程求解過程需要建立在(SL274—2001)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的基礎(chǔ)上，求解數(shù)值計(jì)算時(shí)要對(duì)李金水庫(kù)土壩采用流體力學(xué)有限元法。見公式1。

(1)

式中：H為滲流平面域內(nèi)水頭；Kx、Ky為土體x、y向滲透系數(shù)。

通過理正巖土軟件對(duì)土壩滲流指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3所示。

表3 滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：各種工況下的每日滲出量分別為0.53m3/m·d、0.63m3/m·d和0.66m3/m·d，心墻滲透坡降分別為2.26、2.68和2.78，均處于允許滲透坡降范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)表明壩體在各種工況下，壩體的壩坡均符合相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，滿足滲流穩(wěn)定要求。

因此，文中所提出的除險(xiǎn)維修措施能夠保證滲流條件下，水庫(kù)大壩維持穩(wěn)定。

3.3 壩體抗滑穩(wěn)定性研究

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)規(guī)定，來(lái)確定壩體穩(wěn)定計(jì)算方法，本次壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可以采用簡(jiǎn)化畢肖普法來(lái)計(jì)算求的[7]。見公式2。

(2)

式中：c′、φ′為有效強(qiáng)度指標(biāo)；b為條塊寬度；γw為水的容重；z為壩坡外水位與條塊底面中點(diǎn)的直線距離；u為水庫(kù)壩體的孔隙水壓力(穩(wěn)定滲流期或水庫(kù)水位降落期)；β為通過條塊底面中心點(diǎn)的半徑延伸線與此條塊的重力線之間的夾角；W1為條塊實(shí)重(位于壩坡外水位以上)；W2為條塊浮重(在壩坡外水位以下)；

李金水庫(kù)壩體邊坡穩(wěn)定計(jì)算通過采用理正巖土軟件進(jìn)行計(jì)算分析，表4是本次計(jì)算所得相關(guān)成果。

運(yùn)用畢肖普法對(duì)李金水庫(kù)壩體邊坡穩(wěn)定進(jìn)行核算，通過計(jì)算可以得出水庫(kù)在各種不同工況條件下，水庫(kù)上、下游的設(shè)計(jì)水位、正常水位、校核水位，以及水庫(kù)壩體在地震或者水位驟降條件下的穩(wěn)定結(jié)果。通過相關(guān)技術(shù)規(guī)范查閱，水庫(kù)上、下游水位均符合《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)所規(guī)定的水位值，因此，通過水庫(kù)排險(xiǎn)加固措施，李金水庫(kù)抗滑穩(wěn)定性良好，不存在安全隱患[8]。

表4 邊坡穩(wěn)定計(jì)算

4 結(jié) 語(yǔ)

本次通過水庫(kù)壩體現(xiàn)狀調(diào)研，總結(jié)出李金水庫(kù)壩體土體的加固除險(xiǎn)措施，通過滲流穩(wěn)定性計(jì)算、抗滑穩(wěn)定性計(jì)算對(duì)加固壩體進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，計(jì)算參數(shù)準(zhǔn)確合理、除險(xiǎn)加固措施合理有效。小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固措施的提出，對(duì)于我國(guó)水利工程小型水庫(kù)的加固修復(fù)具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。但是由于水庫(kù)年久失修，在工程施工中除險(xiǎn)加固措施未能完全實(shí)施，壩體仍有較大的加固空間。

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1007-7596(2016)10-0036-03

2016-09-16

張亮(1982-)，男，遼寧綏中人，工程師，研究方向?yàn)樗こ淘O(shè)計(jì)、水土保持、水利工程施工和監(jiān)理等。

TV698.23

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