卡爾塔水庫除險加固設計方案比選研究

李旭東

（巴州天寶水利工程設計有限公司,新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

由于年久失修，工程存在各種破壞、侵蝕、老化等問題而形成病險水庫[1]。水庫加固施工設計方案的優化需要根據水庫的實際使用需求來制定[2]。通過多方案比選對工程除險加固設計方案優化，不僅保證了工程質量，還能最大限度發揮投資效益。本文結合新疆輪臺縣卡爾塔水庫除險加固設計，采用多方案比選方式優化各分部工程的加固設計方案，有效地提升了方案的科學性和可操作性，為工程的高效實施奠定了堅實基礎。

1 工程現狀

1.1 水庫概況

卡爾塔水庫位于新疆輪臺縣境內，距縣城約22 km。該水庫建于上世紀60 年代初期，攔蓄迪那河支流卡爾塔河。壩長5.84 km，最大壩高5 m，死水位為945.0 m，正常蓄水位為947.30 m，校核洪水位947.99 m，總庫容773.99 萬m3，死庫容70 萬m3，興利庫容410.0 萬m3，調洪庫容703.99 萬m3，屬Ⅳ等小（1）型平原水庫，主要建筑物為4 級，次要建筑物為5 級，用于調節3.5 萬畝耕地用水和下游草場生態用水。

1.2 水庫安全鑒定及存在問題

卡爾塔水庫至今已運行了40 余年，期間經受了多次超標準洪水的考驗。現主要存在如下問題：

（1）壩頂高程不滿足設計要求，大部分壩段壩頂高程未達到設計高程。

（2）受風浪沖刷淘蝕破壞上游壩坡，造成壩體斷面尺寸不符合設計要求。

（3）部分壩段滲透系數大，滲透穩定性差。

2 除險加固設計方案比選

卡爾塔水庫擬對壩體、壩基和壩體上游護坡部分進行除險加固設計。

2.1 壩體防滲加固方案比選

水庫壩體、壩基滲漏嚴重，擬在不改變壩體結構的前提下，采用土料和土工膜防滲、土料作為防滲支撐體的形式對壩體防滲加固。

（1）方案一：粘土斜墻防滲

粘土斜墻防滲效果和結構穩定性好，能滿足設計要求。在現有壩體上游壩坡布設粘土斜墻，最大高度豎向投影8 m，上游坡比1∶3，設計頂寬3.0 m，最大底寬6.0 m。經初步估算，斜墻需粘土料8.36 萬m3，土料場儲量滿足設計需用量。方案一壩體防滲加固部分投資約178 萬元。

（2）方案二：土工膜防滲

土工膜防滲效果和結構穩定性亦能滿足設計要求。設計在現有壩體上游布設土工膜，上游坡比1∶2.5，本工程共需土工膜約8.44 萬m2，則該部分工程投資約131.77 萬元。

（3）方案比選

綜合比選，從壩體防滲體填筑料方面分析，采用防滲體＋土料支撐體形式的方案在工程投資、與實際情況結合的程度等方面，均遠優于采用粘土斜墻方案。最終推薦采用土工膜作為防滲體的方案對壩體進行防滲加固。

2.2 壩基防滲方案比選

壩基由粉質粘土、粉砂層構成，中等透水性，故須對壩基進行防滲處理。

（1）方案一：開挖截水槽

根據地勘資料，壩基由2 m～5 m的粉質粘土和粉砂層構成。可采取阻滑墻前1 m處開挖截水槽，壩體土工膜延伸至截水槽底部的防滲措施。方案一需鋪設土工膜1.05 萬m2，開挖土方約3.6 萬m3，投資估算105 萬元。

（2）方案二：深層攪拌樁

將水泥作為固化劑將軟土、沙與水泥強制拌和，提高軟基強度。該方法可成樁、墻，適用于處理砂土、淤泥或粉土等軟弱地基，效果顯著。方案二處理地基需開挖2 m～5 m，成樁6410 m，投資估算137 萬元。

（3）方案比選

綜上，為使壩體和壩基形成一個安全、經濟、有效的封閉防滲體，推薦采用開挖截水槽方案。

2.3 壩體上游護坡方案比選

護坡形式可采用砌石、混凝土板、土坡等多種形式，需經各不同形式經濟、施工條件比選后，確定合適的護坡形式。

（1）方案一：混凝土護坡

混凝土護坡厚度由波浪壓力及壓力可按式（1）計算：

式中：t為混凝土板厚度，m；η為系數，對整體式大塊護坡面板，取1.0，對裝配式護面板取1.1，取1.0；hp為累積頻率為1%的波高，m；經計算為1.5 m；Lm為波浪的平均波長，m，經計算為10.9 m；b為沿壩坡向混凝土板長，m；ρc為混凝土板的密度，t/m3；ρw為水的密度，t/m3；

計算可得t=7.1 cm，依據計算結果結合類似工程建設經驗，設計護坡砼板主壩段厚度取15 cm。

（2）方案二：干砌卵石護坡

干砌卵石護坡厚度由波浪壓力及壓力按式（2）計算：

式中：D為石塊換算球型直徑，m；Q為石塊質量，t；D50為石塊平均粒徑，m；t為護坡厚度，m；Kt為隨坡率變化系數；ρk為塊石密度，t/m3；ρw為水的密度t/m3。

經計算可得t=23.5 cm，依據計算結果結合類似工程建設經驗，設計干砌卵石厚度取50 cm。

（3）護坡方案比選

混凝土護坡外形美觀，抗沖、耐久性較好，施工質量易于保證，且運行管理、維護修補較為便利；缺點為抗凍性能較弱，運行維護費用較高。估算混凝土護坡方案直接投資為200.74 萬元。

干砌卵石護坡適應壩坡變形較好，施工簡單，運行管理、維護修補方便，維護費用低；缺點為易受水庫水位變化影響，造成淘刷破壞，引起不均勻沉陷，且卵石采集較為困難。估算混凝土護坡方案工程直接投資為276.53 萬元。

綜上確定護坡形式采用混凝土板護坡。護坡內外邊坡依據工程地質條件評價，壩體穩定邊坡為1∶2.5。綜合考慮邊坡穩定、壩體滲流穩定及現狀壩坡坡比，設計壩體上游邊坡坡比為1∶2.5，下游培厚壩體邊坡為1∶2。

2.4 壩頂構造設計方案比選

卡爾塔水庫壩體為均質土壩，壩頂處理采用防浪墻方案和土料填筑方案比選。

（1）方案一：防浪墻方案

在壩頂設置“L”型鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程為949.70 m，墻高2 m，底寬1.5 m，墻厚0.2 m，混凝土設計指標為C25、F200、W6，墻頂高出壩頂1.2 m，防浪墻沿長度方向每隔5 m設一道伸縮縫，縫內設止水。估算主壩段工程投資為857.72 萬元，副壩段工程投資為477.13 萬元。

（2）方案二：土料填筑方案

用土料將壩頂高程填筑至949.70 m，本方案設計最大壩高為5 m，壩頂高程為949.70 m，壩頂寬4 m，壩長5838 m，上游壩坡為1∶2.5，下游壩坡為1∶2。估算主壩段工程投資為780.09 萬元，副壩段工程投資為349.33 萬元。

（3）方案比選

從工程量及投資比較，方案一投資較大；從施工比較，防浪墻方案涉及混凝土澆筑、鋼筋制安，工藝較填筑方案復雜。綜合考慮投資、施工周期、施工條件，設計采用土料填筑方案。

3 大壩滲流穩定驗證

為驗證除險加固方案的可靠性，需復核土體滲透變形形式，判斷壩體、壩基和下游出逸段的滲透穩定性。

計算0+800、1+722、2+100、4+800 斷面，上游壩坡1∶2.5，壩頂寬4.0 m，下游壩坡1∶2.0。計算軟件采用Autobank6.1滲流分析模塊，采用有限元求解滲流場的拉普拉斯方程計算，見式（3）。

式中：Kx、Ky為X、Y方向的滲透系數。

滲流穩定計算工況采取下列水位組合：

（1）正常蓄水位（947.30 m）與下游相應的最低水位；

（2）正常運行+地震作用時壩坡穩定最不利的情況。

針對壩體現狀和采取加固方案后在工況條件下分別計算，成果見表1。

計算工況位置現狀情況 除險加固后J計算 [J]滲透穩定性 J計算 [J]滲透穩定性0+800壩坡出逸段 0.466 不穩定 0.304 0.466 穩定下游壩基 0.424 不穩定 0.296 0.424 穩定1+722壩坡出逸段 0.460 不穩定 0.422 0.460 穩定下游壩基 0.443 不穩定 0.428 0.443 穩定2+100壩坡出逸段 0.475 0.466 不穩定 0.446 0.466 穩定下游壩基 0.465 0.460 穩定 0.324 0.460 穩定4+00壩坡出逸段 0.460 不穩定 0.203 0.460 穩定下游壩基 0.443 不穩定 0.313 0.443 穩定

通過計算可知，采取除險加固方案后，壩體壩基均由滲透不穩定狀態變為穩定。

4 結論

根據水庫存在的險情和主要問題，針對壩體、壩基防滲、護坡和壩頂構造等內容進行了綜合比選，推薦除險加固工程設計方案如下：

（1）鑒于壩基和壩體處理不到位，施工質量不滿足規范要求，采取了開挖截水槽并將壩體土工膜延伸至截水槽底部的防滲方案。

（2）鑒于壩頂高程不滿足要求，完成壩體加高培厚以達到設計要求。

（3）鑒于壩體結構穩定性差，壩坡失穩易造成坍塌滑坡，采取在上游坡面設1∶2.5的混凝土護坡，坡面板下鋪設30 cm厚防凍砂礫石墊層措施。

（4）鑒于壩體有發生管涌風險，采取在坡面墊層下設200 g/m2/0.5 mm復核土工膜措施。

經過計算驗證，綜合比選得出的加固設計方案滿足滲流穩定要求，其經濟性與合理性也得到較好的平衡。