拋石擠淤加固技術在土石壩加固中的應用

遲翔天

(遼寧潤中供水有限責任公司,遼寧 沈陽 110166)

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拋石擠淤加固技術在土石壩加固中的應用

遲翔天

(遼寧潤中供水有限責任公司,遼寧 沈陽 110166)

壩前流塑性淤泥的處理是小型水庫加固施工中的重要工程技術難題。為了尋求一種便捷、經濟的清淤方式，本文以米倉溝水庫加固工程為研究對象，對土石壩擠淤加固技術進行了深入探討和研究。結論顯示拋石擠淤施工技術可以節(jié)省工程費用、縮短工期，具有顯著的經濟效益和社會效益，具有一定的推廣應用價值。

大壩加固；土石壩；拋石擠淤

1 工程概況

米倉溝水庫是遼寧省本溪市的一座小(2)型水庫，水庫壩址位于桓仁滿族自治縣雅河鄉(xiāng)米倉溝村境內的雅河支流上。水庫控制流域面積9.7 km2，總庫容80萬m3。米倉溝水庫是一座以灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖的綜合性水利工程。水庫大壩為土石壩，最大壩高8.0 m，壩長274.0 m，壩頂寬4.2 m[1]。

米倉溝水庫流域屬于溫帶大陸性季風氣候，四季分明，溫差變化大，壩區(qū)最高氣溫35.6 ℃，最低氣溫-43.2 ℃。多年平均降水量879 mm，受氣候特征影響，降水量的年際和月際變化大，在6—9月的汛期容易出現強降雨，并引發(fā)短時洪水。

米倉溝水庫為典型的河道型水庫，河谷為U型，河谷周圍為太古宙變質巖構成的剝蝕丘陵。其中，河谷右岸為陡立的巖壁，左岸為緩坡。巖性主要以灰?guī)r為主，下部夾雜有砂巖，第四紀全新沖積地層主要為砂質粗砂或中砂，主要分布于河床中。

米倉溝水庫建設標準本來不高，又經歷多年運行已經處于病險狀態(tài)，并被列入遼寧省病險水庫加固工程涵蓋范圍。加固設計的主要內容包括：壩頂加寬和防浪墻翻修、上游砂殼翻壓、壩腳拋石壓重、黏土斜墻防滲以及上游護坡翻修。加固工程等級為五等，建筑物級別為5級，加固工程完工后水庫防洪能力可提高到20 a一遇。

按常規(guī)施工方式，在進行壩腳拋石壓重前需要對壩前淤積層進行清理，以保障壓重體的整體穩(wěn)定。但是該水庫的壩前淤積層是水庫建成后多年運行的產物，不僅含水量高，還含有大量的細黏粒，基本處于流塑狀態(tài)。無論是人工清淤還是機械清淤，不僅難度大、投入高，還會延長施工工期[2]。如果不能按計劃在汛前完成加固工程施工，會直接影響水庫的安全度汛。為解決這一技術性問題，決定在施工中采用“拋石擠淤”技術。

2 拋石擠淤加固技術的理論計算與工程設計

2.1 水庫淤積情況的實測分析

水庫經過長期運行，在大壩的壅水作用下，壩址上游的水深和過流斷面不斷增大，而流速則不斷降低，最終造成庫區(qū)的泥沙淤積。由于細土粒相對不易沉積，會隨水流一直運行到壩前，因此，壩前的淤積物主要是細土粒和懸移質[3]。資料顯示，米倉溝水庫壩前500 m處的淤積層厚度約為1～2 m，d50的粒徑約為0.005 mm。為了進一步掌握壩前淤積物的物理力學特征，在壩腳前40 m處提取了水下淤泥試樣，并進行了土工試驗，其主要物理力學指標如表1所示。

表1 淤積層主要物理力學指標

2.2 拋石擠淤技術的相關計算

拋石擠淤技術的原理是利用拋石壓重體的重力作用將壩前淤泥擠出工程范圍之外，以達到清淤和壓重的雙重作用。對米倉溝水庫壩前處于飽和、流塑狀態(tài)的淤泥而言，因為其抗剪強度非常低，一旦發(fā)生塑性變形，就會產生很大的沉降量，拋石壓重體就會直接穿透淤泥層下沉，從而導致滑動的土體被直接擠出[4]。因此，對于這種淤泥，應該將局部發(fā)生剪切破壞時的荷載視為臨塑荷載。對拋石擠淤工程而言，需要對拋石擠淤所需要的最小荷載進行計算確定，并由此獲得拋石壓重體的最小高度。

本工程中的拋石擠淤施工采用的是進占式施工方式，也就是在預定高程修筑能夠滿足交通要求的施工平臺，然后沿與壩軸線垂直的方向進行拋石作業(yè)，受施工方式和施工環(huán)境的影響，壩前的淤泥只能向庫區(qū)流動。在具體計算過程中，淤泥塑流的最大深度主要由兩部分組成，一部分是壩前淤泥層的原有深度，這需要前期勘測獲得[5]。根據勘測數據，米倉溝水庫壩前淤泥層的最大厚度為3.75 m。二是拋石壓重體前淤泥的最大隆起高度Zl，其計算公式如下：

(1)

式(1)中:Zl為拋石壓重體前淤泥的最大隆起高度，m；c為淤泥土黏聚力，kPa；φ為淤泥土內摩擦角，度；γ為淤泥土浮容重，kN/m3。

淤泥的最大深度為：

(2)

式(2)中：Zmax為淤泥最大深度，m；Ζy為淤泥原有深度，m。

在Zmax深度內淤泥全部發(fā)生塑流時，所需要的最小荷載Pmin可以通過如下公式計算[6]：

(3)

式(3)中各變量的意義同上。

根據上述公式計算獲得的最小荷載以及拋石體的浮容重γs，就可以計算出拋石體的高度H，計算公式如下：

(4)

根據上節(jié)的實測計算結果，米倉溝水庫壩前淤積層的物理力學指標的平均值為：浮容重γ=5.2 kN/m3，黏聚力c=3.0 kPa，內摩擦角為2°，淤泥層的最大厚度為Ζy=3.75 m。

由公式(1)可以計算出淤泥的最大隆起高度：

(5)

最大淤泥高度為：

(6)

進一步利用公式(3)可以計算出拋石壓重體的最小荷載值為：

=13.36 kPa

(7)

根據相關經驗，水下拋石的石材浮容重取10 kN/m3，由公式(4)計算獲得最小拋石高度為：

(8)

2.3 拋石壓重體的設計

2.3.1 設計需要考慮的因素

(1)安全儲備。考慮到壩前淤泥的復雜狀況，同時壓重體的力學參數也存在一定誤差，在上述計算的基礎上還需要對壓重體最小荷載預留一定的安全儲備，以保證擠淤的可靠性，提高施工質量。

(2)施工條件。根據計算結果，壓重體的最小高度為1.34 m，遠小于壩前淤泥的實測厚度。因此，按照這一高度設計壓重體，拋石體必將淹沒于淤泥層中。為了施工方便，同時保證擠淤效果，壓重體的最小高度一般不得小于淤泥層的最大厚度。根據計算，米倉溝水庫壩前淤泥的隆起高度為1.9 m，根據前期勘測，壩前淤泥頂面的高程為158.69 m。因此，設計確定壓重頂平臺的高程為161.0 m即可滿足相關施工要求。

(3)壓重范圍。拋石壓重體的設計不僅要滿足上述條件，還必須向庫內延伸足夠的范圍，以保證壩基的抗地震液化加固需求[7]。利用現場波速測試法，計算分析認為下游壩腳深度6 m內和上游壩坡深度8 m內在7度的地震烈度下存在沙土液化的可能。通過進一步的動、靜力分析計算，大壩拋石壓重體需要向庫內延伸至少16.2 m。

2.3.2 拋石壓重體斷面的優(yōu)化設計

TANG Shi-jie, LIU An-wei, MA Chong, XU Wei-dong, SUN Ying-hao, XU Chuan-liang

根據以上原則進行拋石壓重體的斷面設計，不僅可以實現清淤和壓重的雙重目的，還能滿足壩基的抗震穩(wěn)定性要求。但是該設計也需要進行進一步優(yōu)化，使其與其他工程有機結合，發(fā)揮更

大的經濟和工程效益[8]。例如，水庫大壩在地震烈度為7度時存在震動液化的風險，因此在方案比選過程中需要統一考慮壩基和壩體的加固措施，最終確定對壩體實施砂殼翻壓加固措施，翻壓加固設計的底部高程為163.5 m，拋石壓重體的頂高程為164.0 m，兩者可以實現0.5 m厚的搭接。此外，將溢洪道拓寬開挖和大壩護坡翻修工程中產生的塊石作為拋石壓重的原材料，不僅解決了就地取材，還解決了棄渣占地問題，具有顯著的經濟效益。通過優(yōu)化設計，米倉溝水庫拋石壓重體最終確定采用如圖1所示的復式斷面。

圖1 拋石壓重體斷面示意圖

3 拋石擠淤加固的施工試驗與實施

3.1 拋石擠淤施工試驗

為了進一步驗證拋石擠淤理論計算的合理性和實際工程效果，在正式施工前在大壩樁號1+100～1+140之間的壩段進行了施工試驗。

試驗方法為：在大壩上游距離壩腳0.5 m和3.5 m處設置垂直插入淤泥層、間距0.2 m的兩排鋼管。通過試驗施工過程中測量鋼管處淤泥層高度的變化，對施工效果進行間接判斷。試驗記錄如表2所示。

表2 拋石擠淤施工試驗部分數據 m

從表2中數據可以看出，試驗段淤泥層隆起明顯。再利用鋼管測試顯示，大部分石塊已經沉降至淤泥層底部，雖然有部分石塊仍懸浮于淤泥層中，但是距離底部的距離也不超過0.3 m。鑒于淤泥層為流變體，其變形仍會隨著時間而發(fā)展，因此，隨著壓重量的不斷增加，這些石塊最終會沉降至淤泥層底部，所以工程設計完全滿足要求。

按照前期勘測資料，試驗區(qū)的平均力學指標為：浮容重γ=5.2kN/m3，黏聚力c=1.9 kPa，內摩擦角為1.6°，按公式(1)計算獲得淤泥層隆起最大高度為1.2 m。雖然施工試驗中的最大隆起高度為1.03 m，但是考慮到表2中給出的是擠淤施工10 d后的測試值，這一誤差是合理的。因此，拋石擠淤理論計算是科學、合理的。

3.2 拋石擠淤的實施

2013年10月在整個壩段實施了拋石擠淤施工作業(yè)，拋石壓重體寬度為32～36 m，厚度為6～8 m。在工程實施后的2個月內對壓重體平臺進行了沉降觀測，結果顯示平均沉降量為4.9 cm，處于自身壓實沉降范圍。監(jiān)測結果說明拋石壓重體底部淤泥擠出比較徹底，工程效果良好。

4 結 語

在拋石擠淤加固工程完工后，米倉溝水庫已經蓄水運行3年，并且經歷了較大洪水的考驗。工程實踐進一步證明拋石擠淤技術十分成功。此外，與傳統的清淤加固施工方式相比，不僅節(jié)省近50萬元的施工費用，還縮短了2個月工期，獲得了良好的經濟社會效益，具有極大的推廣應用價值。當然，該工程技術的具體應用還需要進一步研究，使其逐步擺脫設計與施工依靠現有工程經驗的問題，進一步促進拋石擠淤法的發(fā)展。

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遲翔天(1990-)，男，助理工程師，主要從事水利工程施工管理工作。

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2096-0506(2016)11-0086-04