紅山水庫大壩除險加固工程設計及滲流穩定分析

樊建新

（阜康市農業供水管理站，新疆 阜康 831500）

0 引言

對已有水庫進行除險加固處理是保障水庫安全運行，為當地居民謀求福祉的關鍵舉措。在我國已對大量的水庫進行了除險加固處理，有較多的學者對此進行了相應的科學研究。劉木蘭[1]、單良玉[2]、劉敬峰[3]對高壓旋噴技術進行水庫防滲加固處理時的應用進行研究，結果表明高壓旋噴灌漿技術可以有效減少工程投入，提升工作效率。顏志斌[4]以城頭水庫為例對大壩防滲加固方案設計進行研究，通過4個方案對比，選取壩頂砼防滲墻進行大壩加固處理具有較好的效果。譚軍[5]、吳恭王[6]分別以花馬沖水庫、石坑垅水庫為例，對大壩穩定性進行計算，加固后的大壩穩定性得到了明顯的提升。孫文杰[7]使用有限元數值模擬方法對土石壩滲流進行分析，可為大壩除險加固提供參考。洪振國[8]、郝永志[9]、李青[10]、李昌友[11]等分別從帷幕灌漿試驗、方案設計、施工工藝等方面對帷幕灌漿技術在水庫大壩加固中的應用進行研究，認為帷幕灌漿是一種有效的加固方法。在前人研究基礎之上，以紅山水庫為例，進行大壩加固除險方案優化設計及滲流穩定性分析。

1 工程概況

紅山水庫位于新疆阜康市，水庫控制面積為228 km2。水庫設計初期庫容為560×104m3，是一座兼具防洪和灌溉的小型水庫。工程始建于1971年，壩高設計為32 m，5年后水庫開始蓄水，水庫大壩在運行過程中進行加高處理，蓄水后的7年內，水庫已具有一定的規模。1996年，洪水的發生，造成水庫大壩嚴重損毀。重新修復設計后的水庫庫容為400×104m3，水庫設計灌溉面積5×104畝。

2 大壩加固設計

2.1 壩頂處理

目前，紅山水庫大壩壩頂平整度較差，最大高差達到50 cm。根據防洪設計要求，水庫大壩壩頂高程應高于833.0 m，因此，需要對壩頂高程不足的部位，進行平整，滿足壩高要求。在現場調查過程中，紅山水庫大壩上游壩坡坍塌現象嚴重，造成壩體上游壩坡坡度較大，穩定性較差，同時壩體下游壩坡也存在同樣的問題。因此，壩體設計為頂寬5 m。高程823 m～833 m段上游壩坡設計為1:2.5，下游壩坡為1∶2.75；823 m以下上游壩坡設計為1∶2.75，下游壩坡為1∶3.0。

2.2 壩體、壩基防滲設計

2.2.1 防滲方案比選

方案一:壩前塑性混凝土防滲墻+斜坡土工膜。清除大壩上游高程823.0 m以上的砂殼，筑成寬度大于8.0 m的施工平臺，防滲墻軸線布置在平臺內邊沿，防滲墻厚度為0.6 m和0.4 m，防滲墻垂直貫穿壩體下伏松散覆蓋層和強風化層，深入相對隔水的基巖0.5 m?？绾炊晤A留10 m不作連續墻，墻前后各布設兩排灌漿孔，采用灌漿，形成防滲帷幕體過渡與兩側防滲墻連接，灌漿孔間距、排距均為2.0 m。

在大壩上游心墻坡面823.0 m高程以上，采用貼坡土工膜防滲，具體做法是:將心墻坡面整平，鋪復合土工膜（兩布一膜200/0.5/200），膜上填砂殼料，現澆混凝土板護坡。823.0 m高程以下，混凝土板護坡，不設土工膜。

在兩壩肩處，沿斜坡布置混凝土防滲墻。壩基和壩肩防滲墻頂設混凝土齒槽，土工膜與齒槽的結合部位采用壓條固定方法處理。

方案二:壩體塑性混凝土防滲墻。在壩頂軸線位置布置塑性混凝土防滲墻，墻體厚度根據其深度不同分為0.6 m和0.4 m，防滲墻自壩頂軸線貫穿心墻底下伏松散覆蓋層和強風化層，深入弱風化基巖0.5 m。考慮到防滲墻最大深度超過35 m，對鉆孔及清槽設備要求較高，在壩頂適當開挖，以降低防滲墻的深度。壩頂開挖深度包括砂礫石層共計4 m。

表1 比選方案工程量及投資對照表

針對上述兩個方案各自的特點，進行技術經濟比較:塑性混凝土防滲墻可采用鉆機配合抓斗成槽，泥漿護壁，國內施工技術成熟，墻體整體性最好，厚度均勻，質量可靠，防滲效果好，易檢測。從表1中可以看出，單從垂直防滲費用來看，方案一投資773.53萬元，方案二投資838.77萬元，相差65萬元。

方案一在壩前坡施工，考慮到砂殼排水的需要，土工膜須鋪在心墻斜面上，施工平臺以上的砂殼料要清除，開挖、回填量稍大。但防滲墻的受力條件要明顯優于方案一，工程造價低。

方案二在壩頂施工，防滲墻高度較大，對施工機具要求較高，更主要的是在心墻中央施工，改變了原心墻的受力條件，對防滲墻在設計范圍內水頭作用下的強度要求提高，若使用中出現防滲墻變形和裂縫，將很難處理，而且對大壩的安全不利。

綜上所述，壩前塑性混凝土防滲墻+斜坡土工膜方案施工條件允許、防滲效果有保證，本著措施安全、技術可行、經濟適用的原則，綜合比選，推薦方案一，即壩前塑性混凝土防滲墻+斜坡土工膜方案為大壩防滲除險主要措施。

2.2.2 防滲方案設計及布置

使用與原壩體材料相同的筑壩砂殼材料進行壩體加固。在填筑工作開始前，需要對河道淤泥、坡面雜物進行徹底的清除。

（1）防滲墻軸線及長度確定

防滲墻軸線布置在壩前823.00 m位置平臺內邊沿，軸線向兩壩肩延伸至設計水位線與強風化巖層底的交點，墻頂設混凝土齒墻，與壩坡土工膜可靠連接，土工膜與兩壩肩岸坡的連接亦采用防滲墻辦法。

（2）防滲墻深度確定

大壩防滲的薄弱環節主要為壩體填筑不均勻心墻、壩基松散覆蓋層和強風化層，防滲墻體必須穿透上述部位巖（土）層；依據規范，防滲墻底線應落于相對隔水層內，紅山水庫壩區弱風化層為相對不透水層，可作為防滲墻依托層，設計防滲墻深入弱風化層0.5 m。

（3）防滲墻體材料

塑性混凝土為柔性材料，與普通混凝土材料相比其變形模量更接近于周圍土體材料的變形模量，適應土體變形能力強，造價相對較低；墻體材料選用塑性混凝土，其抗滲標號W8，混凝土等級C15。

（4）防滲墻厚度

紅山水庫大壩上下游游水位差在正常運用條件下約30 m，防滲墻應滿足抗滲要求，其厚度按下式計算:

式中:H為上下水頭差；[J]為防滲材料允許水力梯度。

根據資料，塑性混凝土的允許水力梯度為80，則防滲墻厚度為0.375 m，考慮到施工時可能的誤差，參照已建工程經驗，防滲墻厚根據高度不同分別選取0.6 m、0.4 m。

2.3 壩坡加固方案設計

2.3.1 下游壩破

紅山水庫大壩老壩段下游壩坡現狀坡度不足，新老壩段下游基本無防護。設計大壩下游坡要求按1∶2.5、1∶2.75坡度，砂殼材料填筑、碾壓，干砌塊石護坡。根據大壩滲流計算的成果，大壩垂直防滲處理后，下游滲流出逸點較低，出口為排水良好的砂殼，不做其它處理。為防止岸坡雨水浸蝕壩體，在壩體一定部位和大壩與岸坡的連接部位設30 cm×30 cm（寬×深）的排水溝，用漿砌石砌筑。

2.3.2 上游護坡

考慮到當地屬于高寒地區，砌石護坡有抗凍要求，根據《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL 211-1998），應采用良好塊石，邊長不應小于0.3 m～0.5 m，層厚不應小于0.35 m～0.40 m。由于當地大型良好石料采集有難度，決定采用鋼筋混凝土菱形框格內砌塊石的護坡方式?；炷翉姸炔捎肅20F200，菱形框格順坡對角線長取3 m，另一對角線長取2 m，框格梁寬度30 cm，高度60 cm。框格內干砌石厚度取50 cm。

2.3.3 壩坡穩定性分析

紅山水庫大壩壩頂長506 m，根據壩體工程地質條件和險情，計算斷面選取大壩河床最大斷面（0+134斷面資料）。根據地質勘探及土工試驗成果綜合分析，壩坡穩定計算采用的各土層物理力學指標見表2。計算結果見表3。

表2 巖土體力學參數

表3 穩定性計算結果

由表3可知，各工況下，安全系數均滿足規范要求。

3 滲流穩定性分析

按照平面穩定流進行大壩滲流穩定性計算，假設各個圖層為各向同性材料，計算斷面為0+134斷面，根據前期調查資料，巖土體參數見表2，各土層滲透系數見表4。根據材料參數，進行有限元數值模擬，計算結果見表5。

表4 滲流計算采用各土層滲透系數

表5 數值模擬計算結果

從以上結果可以看出，加固工程前，設計洪水位條件下，滲流出逸點高程為805.7 m，水平出逸坡降為0.78，大于允許值，水庫滲漏量達5.65 m3/（d·m）；除險加固工程完成后，滲流出逸點高程降到801.55 m，水平出逸坡降為0.04，滲漏量為0.34 m3/（d·m）。說明防滲措施基本能解決大壩的滲漏和滲流穩定問題。

4 結論

（1）從壩頂加固、防滲加固、壩坡加固三個方面進行大壩加固方案設計，通過不同的方案進行比選，認為壩前塑性混凝土防滲墻+斜坡土工膜，可以滿足工程加固要求，同時方案操作簡便，經濟性較高。

（2）通過有限元數值模擬方法對加固后的大壩滲流結果進行分析，加固后水庫的水平出逸坡降、滲流量均產生明顯的降低，因此，使用的加固方案、防滲方案具有較好的除險加固效果。