勝利水庫均質土壩安全復核及除險加固防滲處理

毛志華，邱寬紅，向紅利，李光建

（1.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324002；2.西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100）

勝利水庫均質土壩安全復核及除險加固防滲處理

毛志華1，邱寬紅1，向紅利1，李光建2

（1.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324002；2.西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100）

勝利水庫大壩在高水位運行中，存在壩體滲漏、壩體壩基接觸段滲漏、防洪標準偏低等問題，雖經多次加固，但由于缺乏全面計算分析，壩體和壩基仍滲漏嚴重。為消除水庫安全隱患，根據壩體滲漏病險現狀，結合壩體安全論證結果，優選增加防洪墻與套井回填粘土防滲相結合的除險加固方案。防滲加固處理后，經測試，12個抽樣鉆孔，其滲透系數均小于1.0×10-5cm/s指標要求，壩體密實度和結構強度得到有效增強。歷經3年蓄水運行考驗，壩體和壩肩等均未出現滲漏問題，大壩整體運行狀況良好。

壩體滲漏；安全復核；滲透系數；套井回填粘土；勝利水庫

1 工程概況

勝利水庫位于衢州市衢江區賀邵溪村，水系屬衢江支流下山溪，水庫以灌溉為主，兼顧防洪、生態養殖等功能。灌溉面積300畝，養殖面積50畝。水庫周邊有大洲雨量站，水庫壩址以上集水面積為0.2km2，河道長度0.61km，比降為18.6‰。水庫正常蓄水位79.80m，正常庫容26.0×104m3，總庫容29.34×104m3。復核后大壩設計洪水標準為20年一遇，校核洪水標準為 200年一遇。水庫主要建筑物由大壩、溢洪道等組成，為?。?）型水庫，工程等別為 V等，主要和次要建筑物級別均為5級。

2 大壩滲漏現狀分析

勝利水庫大壩為均質土壩，現狀壩頂高程80.80～81.08m，最大壩高9.3m，壩頂長97.0m，寬3.4～4.1m不等。大壩迎水坡平均坡比1∶2.89，壩坡面不平整，雜草叢生。背水坡被上壩道路分為兩級，上壩道路至壩腳坡比1∶2.12，至壩頂坡比1∶2.39，雜草叢生，壩腳未設排水和反濾設施，壩腳潮濕。

水庫由于受當時社會經濟條件限制，且屬典型的“三邊”工程，缺乏完善的地質勘探資料和科學的規劃設計，工程建設質量較差［1］。經現場勘查分析，大壩樞紐存在以下多方面的問題：①壩坡面不平整，表面雜草叢生，壩腳未設排水和反濾設施，壩腳潮濕。②大壩壩體填土碾壓填筑質量較差，壩體土滲透系數較大，存在嚴重壩體滲漏問題。③大壩壩體與壩基土、基巖接觸帶滲透系數不能滿足規范要求，存在接觸滲漏問題。④大壩白蟻危害嚴重。

工程填筑質量差、防洪標準低、未設排水反濾設施和滑坡坍塌破壞等安全隱患，將會對壩體和壩肩穩定性帶來不利，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，需進行全面安全復核和選擇合理防滲除險加固措施，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，運用簡化畢肖普法結合理正邊坡穩定計算軟件，對勝利水庫壩體穩定性進行全面安全復核。論證結果表明：①工程質量：壩體土碾壓填筑質量和壩體土滲透系數不能滿足規范技術指標要求，壩體滲漏問題嚴重。大壩壩體與壩基土、基巖接觸段滲透系數不能滿足規范要求，存在接觸滲漏問題［2］。②防洪安全： 按設計 20年一遇、 校核200年一遇的洪水標準進行復核，現狀大壩的防洪標準不滿足規范要求。大壩防洪安全等級評定為“C”級。③滲流安全：從滲流計算結果可以看出，滲流出逸點較高，從現場檢查情況看，壩腳未發生滲透破壞，因此大壩滲流基本穩定。但壩腳潮濕，且未按規范要求設置排水反濾設施。大壩滲流安全性等級評定為“B”級。④結構安全：各種運用條件下，勝利水庫大壩壩坡抗滑穩定安全系數均大于規范指標，壩坡穩定性較好。大壩結構安全評定為“B”級。

3.2 均質土壩除險加固設計

3.2.1 壩頂高程復核

勝利水庫正常蓄水位79.80m，對應庫容26.00 ×104m3。經調洪計算，水庫設計洪水位（P=5%）為80.06m，對應庫容28.23×104m3；水庫校核洪水位（P=0.5%）為80.19m，對應庫容29.34× 104m3。多年平均年最大風速W=15.7m/s，風區長度 D=310m。按《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）推薦公式計算［3］，得壩頂高程復核成果，如表1所示。

表1 壩頂高程計算成果表

經計算：正常運用（20年一遇設計洪水位）工況，大壩安全超高為1.55m，計算所需壩頂高程為81.61m；非常運用（200年一遇校核洪水位）工況，大壩安全超高為 1.06m，計算所需壩頂高程為81.25m。現狀壩頂高程為80.80～81.08，大壩防洪標準不滿足規范要求。

3.2.2 壩體防滲加固設計

根據大壩安全認定結論，壩體碾壓填筑質量和滲透系數均不滿足規范要求，除險加固原則是通過對大壩進行防滲處理，截斷壩體滲漏通道，確保大壩安全［4-5］。另外，壩體與壩基、 壩體與基巖接觸帶均存在接觸滲漏和繞壩滲漏問題，需進行防滲處理。

（1）防滲處理方案選擇

擬采用粘土斜墻和套井回填兩種方案進行壩體防滲處理，即：①方案一：粘土斜墻方案。壩坡開挖至粘土設計填筑面后進行斜墻填筑施工，斜墻基礎開挖要求進入基巖0.5m。②方案二：套井回填方案。在壩頂采用套井回填粘土法進行壩體防滲處理。套井孔徑為 φ110cm，孔距0.75m，套井有效防滲厚度為0.8m。套井嵌入強風化基巖 0.5～1.0m，單排孔布置。

根據地質勘察資料，勝利水庫壩體以下第四系覆蓋層較厚，采用粘土斜墻方案開挖量大，對粘土需求量大，投資高，工期長。而采用套井回填方案工程量小、施工簡單、施工技術成熟，設計采用套井防滲方案。

（2）大壩結構加高設計

壩體加高設計擬采用兩種方案進行比較：①方案一：加高壩頂至計算高程。利用壩體土將壩頂加高至81.70m高程，壩頂加寬至4m，加固后壩頂與背水坡通過 1∶2坡比連接。②方案二：增加防浪墻。壩頂整平至80.80m高程，加寬至4m，壩頂靠迎水坡設置混凝土防浪墻，防浪墻頂高程81.70m，壩頂外側設置干砌石邊墻。

現狀壩頂高程80.80～81.08，計算所需壩頂高程為81.61m。由于壩頂長97m，整體加高壩體填筑量大，而采用防浪墻方案填筑量小，工程量少，投資省。為減少大規模填筑，設計采用增加防浪墻的大壩結構加高方案。

加固后壩頂高程 80.80m，防浪墻頂高程81.70m，頂寬4m。采用套井回填粘土的方法進行大壩防滲處理，由于大壩壩基與基巖接觸帶存在繞壩滲流情況，因此套井須嵌入強風化基巖0.5m以上。套井為單排孔，孔徑 φ110cm，孔距 0.75m，有效防滲厚度為0.8m。套井孔回填土料采用粘性土料，含水量控制在最優含水率附近為宜，壓實度不小于0.96。壩頂采用瀝青混凝土路面，路面靠近迎水側設置 C25鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程81.70m，頂寬0.3m，底寬0.6m。壩頂背水側設置50cm×50cm（寬×高）干砌石邊墻，15cm厚C20混凝土壓頂。路面向下游側傾斜，坡度為2%。迎水面壩坡削填結合，調整為設計坡比1∶2.75，壩體填土表面鋪設20cm厚砂礫石墊層，再在其上鋪設12cm厚C25預制混凝土塊護坡。預制塊體為邊長30cm的正六邊形，預制塊間用1∶3水泥干砂漿嵌縫，縫寬2cm。迎水坡坡腳設置 C20混凝土基座，頂寬0.8m，底寬1.0m，高1.0m，基座深入兩岸山體不小于0.5m。壩頂沿迎水坡至基座新建壩體臺階，臺階寬3m，采用15cm厚C20混凝土現澆，單步步高15cm，步長41.3cm，兩側設置C20混凝土肋條，尺寸為30cm×35cm（寬×高），臺階基礎鋪設20cm厚砂礫石墊層。左右壩肩新建C20混凝土界墻，頂寬0.3m。背水坡被上壩道路分為兩級，加固將上壩道路拓寬至4m，壩坡削填結合，調整為設計坡比1∶2。背水坡設置C20混凝土框格草皮護坡，草皮選用矮生百慕大草皮，滿鋪，草皮底部鋪設30cm厚種植土。

3.3 大壩加固后結構安全復核

3.3.1 大壩加固后滲流計算分析

根據地質勘探資料，壩體填筑料為粘質粉土，壩基土為含礫粉質粘土，各材料的滲透特性指標，如表2所示。

表2 壩基和大壩土體各滲透系數指標 （單位：cm/s）

大壩滲流采用理正滲流分析軟件按有限元法進行計算［6］。根據工程特點及 SL274-2001規定，選擇2種運用條件，即：（1）正常運用條件：正常蓄水位、設計洪水位時穩定滲流期；（2）非常運用條件：校核洪水位時穩定滲流期。各種運用條件下流網圖如圖1-圖3所示。

計算得壩體滲流分析成果，如表3所示。

表3 壩體滲流計算成果

從滲流計算結果可以看出，加固后大壩最大滲透比降出現在套井部位，為2.35，滿足土料允許滲透比降要求，大壩加固后滲流穩定。

3.3.2 大壩加固后結構穩定計算分析

采用地質勘察報告中的土料參數建議值，其數值如表4所示。

表4 壩基和大壩各物理力學指標表

壩坡滑動按圓弧滑動進行滑動穩定分析，采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法，選取大壩最大斷面進行壩坡抗滑穩定計算［7］。選擇 2種運用條件，即：（1）正常運用條件：正常蓄水位和設計洪水位穩定滲流期；（2）非常運用條件：校核洪水位穩定滲流期和水庫水位非常降落期。大壩抗滑穩定計算成果，如表5所示。

圖1 正常蓄水位穩定滲流期流網圖

圖2 設計洪水位穩定滲流期流網圖

圖3 校核洪水位穩定滲流期流網圖

表5 壩坡抗滑穩定計算成果

從表5可以看出，大壩整體穩定，正常運用條件下最小安全系數為1.554（發生在設計洪水位穩定滲流期），非常運用條件下最小安全系數為1.548（發生在校核洪水位穩定滲流期），均大于規范規定的正常運用條件K=1.25和非常運用條件K=1.15的技術指標，大壩抗滑穩定性較好。

3.4 白蟻防治

大壩白蟻危害嚴重，大壩加固工程中采取挖除蟻巢、隔離溝帶和壩面消毒等人工和藥物相結合的方法， 對白蟻進行綜合防治［8］。

（1）挖除蟻巢：在大壩及大壩兩端10m范圍內清挖蟻巢，不管新生蟻巢和成年蟻巢及副巢，徹底清挖抓出蟻皇蟻后，巢內施藥回填夯實，使用滅蟻靈粉使巢內殘留的白蟻在一定時間內徹底死亡。

（2）隔離溝帶：在大壩背水坡兩端各挖一條隔離溝帶（規格為40cm×40cm），同時在隔離溝帶內投放藥物回填完善，重點阻隔大壩外及周邊地區的白蟻進入大壩吸水取食，使用藥物是（滅蟻靈粉），此藥物在土壤中具有較長的特效作用，以及水解和光解速度快，使白蟻無法進入大壩。

（3）壩面消毒：在大壩背水坡打孔灌藥（規格為2m×2m，深度25～35cm），使整座大壩形成消滅白蟻的毒土網。壩面消毒使用藥物為100%比中啉懸浮劑，此藥物不易污染環境和水域。毒死大壩內無法挖出的白蟻蟻巢，防止今后白蟻在分飛季節飛落大壩，使白蟻無法在大壩建巢和生存，徹底消滅蟻害。

4 套井回填粘土防滲加固應用效果分析

（1）施工質量檢測

施工中嚴格《土工試驗規程》（SL237-1999）控制分層回填粘土厚度，回填后的套井其密實度嚴格按照96% ～98%設計密實度和不大于1.0×10-5cm/s的指標進行全程動態質量控制。每個套井抽檢干密度的合格率均在92.5%以上，沒有出現集中不合格樣，且最小壓實度達到設計壓實度的99.5%。為檢測套井回填粘土的防滲效果，防滲工程施工完成后，根據大壩整體布置共選擇12個抽樣鉆孔進行注水試驗，測結果表明：12個抽樣鉆孔的滲透系數最大為0.93×10-5cm/s，小于1.0× 10-5cm/s的指標要求，合格率為100%，防滲加固效果顯著。

（2）運行效果

2013年9月，水庫除險加固工程順利完工并蓄水試運行。運行3年來，壩體未發現滲水。2014年4月中旬水庫開始進入汛期，水庫維持在正常蓄水位79.80m條件下運行達70d；2015年7月中旬，庫水位達到80.09m，接近200年一遇校核洪水位80.19m，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，套井回填粘土壩體防滲效果良好。

5 結論

勝利水庫大壩由于受建設資金和施工技術力量不足、施工質量監控不到位、清基不徹底、土質混雜、壩體填土壓實不佳防滲性能差等因素的制約，加上40余年的運行，存在壩體滲漏、壩體與壩基土及基巖間接觸滲漏、壩體浸潤線偏高、壩體蟻害等問題，大壩壩體穩定性和結構強度等，均受到不斷增強滲水壓力的破壞。2012年，大壩被鑒定為“三類壩”，必須通過合理安全論證和加固后壩體結構和抗滑穩定復核，確保除險加固方案具有較高的安全可靠性，徹底根除大壩現存的安全隱患。

（1）現狀壩頂高程80.80～81.08m，不能滿足20年一遇設計洪水和 200年一遇校核洪水標準，需采取大壩加高處理。壩體與壩基土及基巖間接觸段滲透系數不能滿足規范要求，大壩存在壩體滲漏和接觸滲漏等問題，需采取合理的防滲加固措施進行處理。大壩白蟻活動蔓延擴大，嚴重威脅到大壩的運行穩定。

（2）設計采用增加防浪墻的壩體加高方案，墻頂高程 81.70m，以滿足大壩防洪標準。同時，優選施工技術成熟、施工便捷和投資效益高的套井回填粘土的防滲方案進行大壩防滲加固處理。

（3）壩體防滲加固后， 在 2種運用條件下，大壩最大滲透比降出現在套井部位為 2.35，滿足土料允許滲透比降要求，大壩加固后滲流穩定。

（4）大壩在正常運用和非常運用條件下的抗滑穩定安全系數復核指標，均大于規范規定的［1.25］和［1.15］允許值，滿足規范要求

（5）套井回填粘土經分層夯實后，壩體材料干密度增大、滲透系數降低，有效增強壩體密實度和壩體結構穩定性。檢測結果表明：12個抽樣鉆孔，其滲透系數均小于1.0×10-5cm/s指標要求，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，加固后工程達到設計要求，大壩滲漏安全隱患得到徹底解決。

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TV698.2+3

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1672-2469（2017）02-0137-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.041

2016-08-22

中央高?；究蒲袠I務費專項資金（50020208）

毛志華（1985年—）， 男， 工程師。