李金水庫除險加固及其穩定性分析

張 亮

(綏中縣水利技術推廣站，遼寧 綏中 125205)

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李金水庫除險加固及其穩定性分析

張 亮

(綏中縣水利技術推廣站，遼寧 綏中 125205)

小型水庫因其防洪、養殖、蓄水、供水等功能在農田水利中占有重要位置。通過有效的除險加固措施對病險水庫進行治理，保證水庫的安全運行和管理，實現水資源的科學發展對下游人民群眾生命財產安全至關重要。通過現場勘查、理論計算等方法，提出綏中縣李金水庫除險加固措施，進行壩體滲流計算和穩定性驗算，通過對計算結果進行分析，驗證了除險加固措施的可行性，對類似小型水庫除險加固工程具有借鑒作用。

水庫；除險加固；滲流計算；穩定性分析

隨著我國十八大對農業基礎工程建設政策的提出，農田水利基礎工程建設迎來大發展。小型水庫作為農田水利基礎工程的重要組成部分，因其防洪、蓄水、灌溉、養殖等優點，在農田水利中發揮著越來越重要的作用。但是由于常年失修，目前較多的小型水庫工程處于病險狀態[1-2]。因此，制定合理有效的水庫除險加固措施，保證小型水庫的正常運行和管理具有重要意義。本文通過對綏中縣李金水庫進行現狀研究，提出大壩除險加固處理措施，通過理論計算分析加固大壩穩定性，對類似小型水庫除險加固具有重要的指導和借鑒意義。

1 工程概況

李金水庫于1974年建成并投入使用，現已投入使用40多年。該水庫位于綏中縣大王廟鎮境內小黃村王寶河支流上，具有灌溉農田、養殖、供水、旅游、防洪等多重功能。各參數指標見表1。

表1 水庫洪水調節水量

依據水利電力部頒發的(DL5180-2003)《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》(山丘、丘陵區部分)規定，并結合上表數據進行分析，確定李金水庫工程規模為小(1)型，判定李金水庫工程等級為Ⅳ等，壩體建筑物級別為4級。

2 李金水庫壩體加固設計

2.1 李金水庫除險加固設計

針對李金水庫現狀、存在的問題及除險加固設計原則，制訂以下除險加固設計：

1)對大壩上游出現的護坡問題可采用干砌石護坡方案進行工程防護，砌石材質堅硬，無風化剝落層或裂紋。壩頂采用泥結石修筑路面，加大局部防浪墻維修力度，墻身每隔15m布置一道設有止水的沉降縫。下游壩坡的工程問題可采用碎石護坡方案進行工程防護，并對大壩下游進行草皮種植。根據排水棱體損壞情況，著重對其修復，確保排水暢通。

2)溢洪道基礎與擋墻進行處理，溢洪道進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構，擋墻部分拆除重建，消力池拆除重建。

3)對輸水洞更換進口螺桿啟閉機和閘門、出口閘閥，對輸水洞進水塔排架進行鑿毛，砂漿抹面。對輸水洞出口兩側擋墻及消力池進行拆除重建處理[3]。

2.2 迎水面護坡改造

本次除險加固設計，針對迎水坡問題，采用厚度為300mm干砌石進行護坡。當水庫水位變動或者水庫里的水產生波浪時，水庫內的水會對壩殼造成沖刷破壞，在水沖刷作用下進一步造成護坡塌陷、護坡變形甚至會造成護坡滑塌。如圖1 和圖2所示。因此，本次除險加固設計需要對護坡采取粒徑20-40mm碎石墊層進行加固，加固厚度為20cm。

圖1 排水棱體破損

圖2 迎水面護坡石破損

通過現場調研，發現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灘面進行拋石護灘中用到塊石，利用率僅為30%。在本次除險加固設計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，以便進一步減少外運費用。現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)拋在水庫死水位以下。拋石施工應在水庫放水之后，以避免施工不當造成的工程事故。拋石施工完成后，要對水庫進行水下勘察，記錄拋石量以及拋石位置。

通過現場勘察，發現葦子溝大壩上游護坡破壞較嚴重，需要對大壩上游護坡迎水面護坡石更換，確保迎水面護坡石的完整性，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，用于護坡材料運輸上料口，完工后恢復。在壩頂要增設厚度為0.38m，寬為3.5m的砂石路面，在壩頂砂石路面一側增設路緣石，尺寸為35cm×15 cm×100cm。

2.4 下游護坡改造

本次除險加固設計決定采用碎石護坡。對下游的腐殖土進行清除，清除厚度約0.1m，并且及時回填碎石，回填厚度約0.1m。由于李金水庫年久失效，下游坡腳排水棱體已失去功能，因此本次除險加固設計采用新的塊石重建，以便恢復排水棱體的排水功能，最大發揮下游護坡的工程性能[4]。

3 壩體滲透性及穩定性分析

3.1 壩體土體物理力學參數

在2015年，遼寧省水利水電勘測設計研究院接受綏中縣水務局的委托，針對李金水庫大壩的質量進行了檢測，主要檢測內容為黏土心墻和壩殼砂礫料。表2為設計研究院對大壩土料檢測結果。

表2 壩體土體物理力學參數

通過上表數據，并結合水庫當前段勘察結果相對比分析，可以發現土壩整體質量、性能良好。土壩的剖面中心位置黏土心墻性能狀態較好，沒有較大損壞，地質勘察中土壩內部沒有出現大范圍的黏土的塑性狀態發生改變區域，在改變區域中也沒有出現突變性分層情況。當然小規模軟塑黏土夾層也可能出現在土壩局部中，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。

李金水庫壩基主要由絹云母片巖構成，土壩壩基心墻下方基巖會產生裂隙帶，因此水庫里的水可能通過裂隙帶產生滲漏。當水庫水位變動或者水庫里的水產生波浪時，水庫內的水會對壩殼造成沖刷破壞，在水沖刷作用下進一步造成護坡塌陷、護坡變形甚至會造成護坡滑塌[5]。

綜合上述并結合壩體實際情況分析可知，造成李金水庫上游壩坡塌陷并伴隨著壩坡變形的主要原因：①上游壩坡護坡下部缺少反濾層；②水庫內部水位變動，水庫里的水沖蝕壩殼。此外，李金水庫滲透還包括：①原設計的壩坡坡度大小；②壩殼填筑質量。

3.2 滲流穩定計算分析

本次除險加固設計，李金水庫壩體擋水建筑物級別為4級，對李金水庫洪峰流量和洪水總量統計分析，設計李金水庫為10a一遇的設計洪水標準，20a一遇的校核洪水標準。壩體滲流及壩坡穩定計算斷面選取最大壩高作為典型計算斷面。地質報告中指出李金水庫壩基巖體受到風化程度影響較嚴重，并且發現壩基巖體節理裂隙發育，壩基巖體局部節理密集。對此可以推斷出李金水庫順河床可能會有節理密集帶區域，致使壩基巖體的強度相對較低，壩體工程性能不達標，防洪效果差[6]。通過鉆孔壓水法進行試驗，根據所得結果進行研究可以表明：李金水庫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，該地區的單位吸水率可達30-50Lu。

對正常蓄水位、設計洪水位以及校核洪水位不同工況情況進行分析，以便確定水庫大壩穩定性。

滲流穩定分析：建立拉普拉斯方程并對其求解，該方程求解過程需要建立在(SL274—2001)《碾壓式土石壩設計規范》規定的基礎上，求解數值計算時要對李金水庫土壩采用流體力學有限元法。見公式1。

(1)

式中：H為滲流平面域內水頭；Kx、Ky為土體x、y向滲透系數。

通過理正巖土軟件對土壩滲流指標進行分析計算，計算結果見表3所示。

表3 滲流穩定計算結果

通過對表3數據進行分析可知：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。數據表明壩體在各種工況下，壩體的壩坡均符合相關技術指標，滿足滲流穩定要求。

因此，文中所提出的除險維修措施能夠保證滲流條件下，水庫大壩維持穩定。

3.3 壩體抗滑穩定性研究

依據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)規定，來確定壩體穩定計算方法，本次壩坡抗滑穩定安全系數可以采用簡化畢肖普法來計算求的[7]。見公式2。

(2)

式中：c′、φ′為有效強度指標；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的直線距離；u為水庫壩體的孔隙水壓力(穩定滲流期或水庫水位降落期)；β為通過條塊底面中心點的半徑延伸線與此條塊的重力線之間的夾角；W1為條塊實重(位于壩坡外水位以上)；W2為條塊浮重(在壩坡外水位以下)；

李金水庫壩體邊坡穩定計算通過采用理正巖土軟件進行計算分析，表4是本次計算所得相關成果。

運用畢肖普法對李金水庫壩體邊坡穩定進行核算，通過計算可以得出水庫在各種不同工況條件下，水庫上、下游的設計水位、正常水位、校核水位，以及水庫壩體在地震或者水位驟降條件下的穩定結果。通過相關技術規范查閱，水庫上、下游水位均符合《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)所規定的水位值，因此，通過水庫排險加固措施，李金水庫抗滑穩定性良好，不存在安全隱患[8]。

表4 邊坡穩定計算

4 結 語

本次通過水庫壩體現狀調研，總結出李金水庫壩體土體的加固除險措施，通過滲流穩定性計算、抗滑穩定性計算對加固壩體進行計算驗證，計算參數準確合理、除險加固措施合理有效。小型水庫除險加固措施的提出，對于我國水利工程小型水庫的加固修復具有重要的指導和借鑒意義。但是由于水庫年久失修，在工程施工中除險加固措施未能完全實施，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，研究方向為水利工程設計、水土保持、水利工程施工和監理等。

TV698.23

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