小竿嶺水庫埋石混凝土雙曲拱壩安全復核及除險加固防滲處理

向紅利，劉慧霞，譚劍波

（1.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324002；2.楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100）

小竿嶺水庫埋石混凝土雙曲拱壩安全復核及除險加固防滲處理

向紅利1，劉慧霞1，譚劍波2

（1.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324002；2.楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100）

小竿嶺水庫高水位運行中，存在防滲層未封閉、壩體滲漏、壩頂貫穿性裂縫、壩面拉應力超標等問題。為消除水庫安全隱患，根據壩體滲漏病險現狀和鉆探分析資料，結合壩體安全復核成果，優選上游壩面涂賽柏斯防水層為主，輔以增補混凝土塊和灌漿防滲的除險加固方案。補強防滲處理后，經測試，3個試驗段透水率均能滿足設計要求的5Lu指標，壩體密實度和砌石強度得到有效增強，歷經3年蓄水運行考驗，整體運行狀況良好。

壩體滲漏；抗滑穩定性；賽柏斯防水層；透水率；小竿嶺水庫

1 工程概況

小竿嶺水庫位于江山市保安鄉龍溪村，水系屬錢塘江流域江山港廣渡溪支流化龍溪?；埾娱L16.8km，河道平均坡降 45.8‰，流域面積為37.5km2。水庫位于化龍溪支流上游，水庫壩址以上集水面積5.4km2，主流長度3.73km，河道比降154‰。小竿嶺水庫是一座以灌溉為主，結合發電、防洪等綜合利用?。?）型水庫，灌溉范圍為廿八都鎮及保安鄉龍溪村部分農田，灌溉面積 5000畝。水庫正常蓄水位581.00m，正常庫容92.0萬 m3。水庫設計洪水標準50年一遇，校核洪水標準500年一遇。復核后設計洪水位582.23m（原設計洪水位 582.63m），校核洪水位 582.46m，總庫容100.25萬m3（原500年一遇校核水位582.94m，總庫容為103萬m3）。

2 大壩滲漏現狀分析

小竿嶺水庫1975年開始籌建，1978年冬天開始正式大壩混凝土澆筑。原設計大壩壩型為埋石混凝土雙曲拱壩，壩高70.9m，壩頂高程607.40m，總庫容360萬m3，溢流段堰頂高程604.0m，相應正常庫容333萬m3。工程在1983年由于資金等原因影響停建，停建時壩面高程560.0m，蓄水14萬m3。1987年水庫列入糧專項目續建，原則上澆筑至不移民為止，按正常水位581m進行溢流堰設計，為加快施工步伐，對高程568～583.5m間大壩厚度及壩體布置作適當調整，修改方案中從壩高568m高程開始收縮斷面，收縮后保持大壩橫斷面下游面與已澆筑壩體光滑連接，收縮平臺留在上游面。工程于1991年建成投入使用，建成后溢流堰頂高程581.0m，溢流段凈長40m，非溢流段壩頂高程583.5m。正常蓄水位581.00m，正常庫容92萬m3，500年一遇校核洪水位582.94m，總庫容103萬m3。

水庫由于受當時建設技術、資金和標準等因素的影響，加上歷史條件的制約，不僅施工中停建后續建完成，同時屬典型的“三邊”工程，缺乏完善的地質勘探資料和科學的規劃設計［1］。經查閱工程檔案資料和現場勘探分析，大壩樞紐存在以下多方面的問題：①經復核計算，拱壩在各種工況作用下，壩體上下游面均出現拉應力超標現象。②大壩迎水面水位變動區域混凝土表面不平整，水平施工縫處理不到位，施工縫混凝土松散，層間結合差。大壩背水面有較多游離鈣析出，554.0m高程以下壩面潮濕，有一定程度的滲漏，現場可見滲水點。壩體在560.0m高程附近存在較大漏水。③右壩肩混凝土與基巖結合部位透水率較大，壩上游568.0m高程上下層防滲面板未封閉，存在滲漏通道。④壩頂有貫穿性裂縫，經觀測裂縫開展基本無變化，防浪墻和欄桿混凝土開裂、老化嚴重。

滲漏破壞對壩體和壩肩穩定性帶來不利，將導致壩體和基巖發生移位，嚴重威脅到大壩的安全穩定運行［3］，需進行全面安全復核和選擇合理除險加固措施，確保大壩運行具有較高的安全可靠性。

3 壩體安全復核結論及除險加固設計

3.1 壩體安全復核結論

為了準確掌握在不同荷載組合工況下，壩體的應力分布狀況和整體穩定性，為大壩除險加固提供可靠的數據支撐，運用拱梁分載法對小竿嶺水庫拱壩壩體的結構應力和穩定性進行全面安全復核。結果表明：①洪水標準復核：大壩滿足50年一遇設計和500年一遇校核的洪水標準，現狀大壩防洪能力滿足規范要求。②結構穩定分析：拱壩在各種工況作用下，壩體壓應力均滿足規范要求，但壩體上下游均存在少許拉應力超標。大壩拱座抗滑穩定安全系數滿足規范要求。③滲流穩定分析：大壩壩型為單圓心埋石混凝土雙曲拱壩，壩體防滲為上游混凝土防滲面板，壩體混凝土防滲面板厚度滿足現行規范要求，但水平施工縫處理不到位，存在滲水現象。下游壩面白色游離鈣析出較多，大部分從施工縫中析出，少部分從壩面出現裂縫處析出。高程554m以下壩面潮濕，可見滲水點。

3.2 除險加固設計參數及安全系數選擇

根據《混凝土拱壩設計規范》（SL282-2003）的規定，采用拱梁分載法計算時，壩體容許壓應力等于混凝土極限抗壓強度（按90天抗壓強度計算）除以安全系數。小竿嶺水庫基本荷載組合安全系數采用3.5，特殊荷載組合安全系數采用3.0［4］。大壩上游面采用150#混凝土防滲面板（按現行規范折算成90天齡期極限抗壓強度為22.35MPa），下游面采用 150#埋石混凝土（90天齡期抗壓強度為18.73MPa）。

根據《水工混凝土結構設計規范》與《混凝土拱壩設計規范》的相關要求，得容許壓應力為：①基本荷載組合：大壩上游面容許壓應力取6.38MPa；下游面容許壓應力取5.35MPa。②特殊荷載組合：大壩上游面容許壓應力取7.45MPa；下游面容許壓應力取6.24MPa。壩體容許拉應力：基本荷載組合取1.2MPa；特殊荷載組合取1.5MPa［5］。

3.3 拱壩除險加固設計

小竿嶺水庫除險加固是對原水工建筑物進行加固，因此加固后工程總布置不變。加固后主要建筑物仍為攔河大壩、灌溉發電涵管、放空底涵、電站廠房。

3.3.1 壩頂高程復核

小竿嶺水庫正常蓄水位581.00m，溢流壩堰頂高程581.00m，根據庫水位～流量關系曲線，經調洪計算，水庫校核洪水位（P=0.2%）為582.94m，設計洪水位（P=2%）為582.63m。根據規范規定，壩頂高程應不低于校核洪水位［5］。經計算：正常運用（正常蓄水位）工況，大壩安全超高為1.22m，計算所需防浪墻頂高程為582.46m；非常運用（校500年一遇核洪水位）工況，大壩安全超高為0.75m，計算所需防浪墻頂高程為583.21m?，F狀壩頂高程為583.50m，防浪墻頂高程為583.80m，現狀壩頂高程滿足500年一遇校核洪水標準。

3.3.2 壩體防滲設計

根據大壩安全鑒定結論，壩體防滲為上游混凝土防滲面板，防滲面板厚度和混凝土標號滿足現行規范要求，但水平施工縫處理不到位，存在滲水現象。下游壩面白色游離鈣析出較多，高程554m以下壩面潮濕。由于大壩死水位以下淤積較嚴重，基礎清理難度較大，施工難度較大。除險加固考慮對大壩壩體543.0m高程以上進行防滲處理，截斷壩體滲漏通道，確保大壩安全。

擬采用兩種方案進行壩體防滲處理，即：①方案一：鑿孔灌漿。對壩體滲漏位置進行超細水泥灌漿防滲，即：對上游壩面進行清洗，找出裂縫所在位置，鉆孔并埋設灌漿嘴進行灌漿，灌漿壓力需嚴格按試驗得出，不得過大，以免對壩體產生破壞，且不得過小，以免達不到防滲效果。②方案二：涂賽柏斯防水層。對上游壩面進行清洗，在上游壩體混凝土裂縫上下口開挖成“V”形槽，清洗干凈后采用環氧砂漿對“V”形槽進行填補。裂縫處理結束后對整個上游壩面外側涂一層賽柏斯防水層。兩種方案比較情況，如表1所示。

表1可知，在上游壩面涂賽柏斯防水層不會影響大壩現有結構，施工簡便，使用年限較長，30年以上；且工程區已有工程實例（浙江開化縣齊溪水庫），防滲加固效果較好。

采用上游壩面涂賽柏斯防水層防滲方案，即：①壩體防滲處理。對需處理壩面進行清洗，通過下游壩面游離鈣析出點明確滲水位置，作出標記，重點觀察這些位置的上游壩面情況。對縫寬大于等于2mm的貫穿裂縫/深層裂縫，先進行裂縫處理，然后對壩體表面進行塞柏斯（XYPEX）涂刷施工。對縫寬小于2mm的混凝土裂縫，直接對壩體表面進行塞柏斯（XYPEX）涂刷施工。②大壩上游568.0m高程兩次澆筑混凝土防滲面板未封閉，此次除險加固在568.0m高程以上增補混凝土塊。增補混凝土塊厚度為0～2.5m，高1.0m，自拱冠至拱座部位收縮至原壩體，采用C20W6F50混凝土現澆，混凝土與原壩面接觸面須鑿毛處理。③右壩肩防滲處理。根據地質勘探階段壓水試驗成果，右壩肩巖石受剪節理切割影響，淺表部巖石完整性較差，透水率達到37.22Lu，具中等透水性。因此，此次除險加固需對右壩肩壩體混凝土與基巖結合部位進行灌漿處理。灌漿孔為單排孔，布置在壩頂，孔徑φ56mm，孔距2m，灌漿壓力按水頭的1.5～2.0倍考慮，灌漿孔伸入基巖相對不透水層（q≤5Lu）5m。

表1 壩體防滲方案對比成果

3.4 大壩加固后結構安全復核

3.4.1 壩體應力復核

大壩為單圓心埋石混凝土雙曲拱壩，計算參數取自《江山市廿八都鎮小崗嶺水庫大壩修改設計》，根據加固后壩體體型，計算得大壩體型參數成果，如表2所示。

表2 拱壩體型參數表

壩體應力計算采用浙江大學編制的《拱壩分析及優化系統ADAO》軟件，采用11拱27梁網格全向調整法計算。根據工程特點及SL282-2003規定，選擇4種荷載組合，即：（1）基本組合：①工況1（正常蓄水位581.00m+泥沙壓力，自重及溫降）；②工況2（發電死水位548.00m+泥沙壓力，自重及溫升）；③工況3（設計洪水位582.23m+泥沙壓力，自重及溫升）。（2）特殊組合： ④工況 4（校核洪水位582.46m+泥沙壓力，自重及溫升）。計算得壩體拉壓應力分析成果，如表3所示。

表3 壩體加固后應力計算分析成果

應力計算數據分析成果表明：加固后壩體壓應力較加固前稍有減小。加固前后最大拉應力均出現在發電死水位548.00m+溫升工況（應力分布如圖1～4所示），加固前最大拉應力為1.66MPa，加固后最大拉應力1.58MPa，較加固前有所減小，但仍超過壩體材料容許拉應力1.2MPa。參照類似工程經驗，小竿嶺水庫壩體拉應力超標并不算大，分析認為大壩應力狀態基本正常。建議在今后運行中，應盡量避免水庫在低溫高水位和高溫低水位條件下運行，且注意對壩面裂縫的觀測。

圖1 基本組合工況2條件下上游壩面主拉應力分布（單位：MPa）

圖2 基本組合工況2條件下上游壩面主壓應力分布（單位：MPa）

圖3 基本組合工況2條件下下游壩面主拉應力分布（單位：MPa）

圖4 基本組合工況2條件下下游壩面主壓應力分布（單位：MPa）

3.4.2 拱座抗滑穩定復核

采用剛體極限平衡法進行拱座抗滑穩定分析時，拱座抗滑穩定安全系數（按抗剪斷公式）：正常情況K1≥3.0，非常情況K1≥2.5。根據初設時工程地質報告以及壩基開挖時的地質條件，計算大壩拱座抗滑穩定時采用的左右岸巖體地質參數為：f1=0.86，c1=0.9MPa；容重取25.3kN/m3。復核拱壩拱座抗滑穩定計算時考慮三種荷載組合，即：（1）基本組合：①工況 1拱端推力（正常蓄水位581.00m+溫降）+可能滑移巖體的重量+滲透壓力。②工況2拱端推力（設計洪水位582.23m+溫升）+可能滑移巖體的重量+滲透壓力。（2）特殊組合：③工況3拱端推力（校核洪水位582.46m+溫升）+可能滑移巖體的重量+滲透壓力?；娱_挖后兩岸壩肩未發現明顯的不利結構面組合，故采用平面分層核算其穩定性［6］，即切取單位拱高，假定拱端側向滑移面為直立面并不計及假想滑移體上下滑面上的阻滑力進行核算。滲壓計算采用壩趾處揚壓力系數為0.3，壩踵處為全水頭，假想滑動面下游坡的出露位置為零，壩踵至壩趾以及壩趾至滑出點的場壓力按直線分布。采用浙江大學編制的《拱壩分析及優化系統 ADAO》軟件，計算得到各高程拱座抗滑穩定安全系數，如表 4所示。

表4 拱座抗滑穩定安全系數

根據水庫原施工資料，拱壩拱腳與等高線交角大約為30°～45°，拱腳山體厚度約為2～5m。結合拱座抗滑穩定計算成果，左、右岸拱座整體穩定，基本組合工況下最小安全系數為5.37（發生在右岸583.5m高程），特殊組合工況下最小安全系數為4.99（發生在右岸583.5m高程），均大于規范規定的基本組合K=3.0和特殊組合K=2.5的技術指標，拱座抗滑穩定性較好。

3.5 壩頂結構加固設計

對壩頂存在4條貫穿性裂縫進行處理，考慮到裂縫的寬度和深度都不大，且經多年觀察無開展現象，僅對裂縫表面進行處理，即：對裂縫面進行清洗，裂縫兩側開挖成“V”形槽，清洗干凈后采用環氧砂漿對“V”形槽進行填補。壩體上游防浪墻原采用混凝土澆筑，已運行二十多年，多處出現開裂，防浪墻頂部欄桿立柱之間僅通過一根鋼筋連接，局部鋼筋銹蝕脫落，存在較大安全隱患。按500年一遇校核標準計算所需防浪墻頂高程為583.21m，低于現狀壩頂高程583.50m，因此考慮不另設計防浪墻。壩頂上游防浪墻及頂部欄桿、下游護欄混凝土多處開裂，影響正常使用，除險加固設計拆除原護欄，新建1.1m高花崗巖欄桿。欄桿縱向每隔2.5m設置一根立柱，斷面尺寸0.3m×0.3m（長×寬），高1.5m。

4 壩體涂賽柏斯防水層防滲應用效果分析

（1）砌體透水率檢測

滲漏處理結束后，為檢測壩體涂賽柏斯防水層防滲效果，根據大壩整體布置共選擇3個試驗段，對壩體砌體透水率進行檢測分析，檢測結果表明：3個試驗段透水率檢測值為0.9～2.7Lu，均滿足砌石拱壩透水率5Lu防滲限值，防水層補強防滲合格率達100%。其中，有2個連續試驗段，其透水率檢測值低于2.0Lu，達到優良防滲水平，防滲加固效果顯著。

（2）運行效果

2013年3月，水庫除險加固工程順利竣工并蓄水運行。運行3年來，壩體滲漏水量一直為零。2014年4月中旬水庫開始進入汛期，水庫維持在正常蓄水位581.00m條件下運行達90d；2015年7月中旬，庫水位達到 582.10m，接近 50年一遇設計洪水位582.23m，壩體、壩肩等均未出現滲漏問題，滲漏水量也為零，表明壩體滲漏問題得到有效處理，壩體涂賽柏斯防水層防滲效果良好。

5 結論

小竿嶺水庫大壩由于地形地質條件較復雜、間斷施工、施工質量監控不到位、資金和技術力量限制等原因，加上20余年的運行，存在防滲層未封閉、壩體滲漏、壩頂貫穿性裂縫、上下游壩面拉應力超標等問題，大壩壩體穩定性、結構強度和砌石中充填材料膠結性能等，均受到不斷增強滲水壓力的破壞。為了確保水庫滲水處理方案具有較高的科學性、匹配性和可實施性，有效提高大壩運行的安全可靠性，在除險加固設計階段對水庫大壩的壩頂高程、壩體防滲方案、加固后壩體結構應力及抗滑穩定性等進行了安全復核。

（1）現狀壩頂高程583.50m，滿足500年一遇校核洪水標準。大壩背水面有較多游離鈣析出，554.0m高程以下壩面潮濕，有一定程度的滲漏。右壩肩混凝土與基巖結合部位透水率較大，壩上游568.0m高程上下層防滲面板未封閉，存在滲漏通道。

（2）壩體加固后，在4種荷載組合工況下，主壓應力均未超過規范要求的6.38MPa（基本工況）和7.45MPa（特殊工況）的允許值；最大拉應力1.58MPa，雖超過壩體材料容許拉應力1.2MPa，但由于超標不算大，分析認為大壩應力狀態基本正常，整體結構穩定性較好。

（3）左、右岸拱座抗滑穩定，其基本組合和特殊組合的安全系數復核指標，均大于規范規定的［3.0］和［2.5］允許值，滿足規范要求

（4）優選防滲效果較好，施工簡單， 對大壩不會產生新破壞的“上游壩面涂賽柏斯防水層”為主的補強防滲方案。通過賽柏斯結晶防水材料沿滲透水向內層反應發展，以堵塞細小的滲漏通道，有效增強壩體密實度和砌筑石材間的膠結強度。檢測結果表明：3個試驗段，補強灌漿防滲合格率100%，并歷經多次高水位蓄水運行考驗，滲漏水量為零，壩體滲漏問題得到有效處理。

［1］陳正茂，卓淳.白云江拱壩加固方案結構穩定分析［J］.水利規劃與設計，2011（02）：31-33.

［2］張季平.雙曲砌石拱壩壩體密實性不足的補強灌漿處理［J］.中國水能及電氣化，2013（09）：16-19.

［3］王貴明.平橋砌石拱壩防滲加固設計研究［J］.水利技術監督，2015，23（02）：71-73.

［4］代彬，陳章淼.魚洞壩水利工程壩體應力及壩肩穩定分析［J］. 2013（12）：50-51，60.

［5］燕荷葉.混凝土拱壩應力分析的有限元方法探討［J］.水電能源科學，2012，30（07）：76-79.

［6］鄭紹敦，卓淳.源口水庫拱壩加固設計抗滑穩定分析［J］.水利規劃與設計，2008（01）：38-40.

TV698.2+3

B

1672-2469（2017）02-0125-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.038

2016-08-12

楊凌職業技術學院科學研究基金項目（A2016003）

向紅利（1984年—）， 男， 工程師。