三泉水庫大壩除險加固方案比選分析

劉振江

（烏蘇市水利局，新疆 烏蘇 833000）

1 水庫概況

三泉水庫位于烏蘇市頭臺鄉境內，距烏蘇市22 km，是一座以農業灌溉為主的平原注入式水庫。三泉水庫總庫容101×104m3，下游控制灌溉面積0.9750×104畝，主要建筑物包括大壩、放水涵洞。三泉水庫工程布置采用原樞紐布置，大壩壩型為均質土壩，壩軸線呈“П”型，其中壩樁號0-700～0-060 段（左副壩長640 m），壩軸線呈南北方向。壩樁號0-060～0+600 段（主壩段長660 m），壩軸線呈東西方向。壩樁號0+600～0+970段（右副壩長370 m），壩軸線呈南北方向。壩頂高程333.50 m～333.70 m，壩頂平均寬度5 m，最大壩高4.0 m，上游平均壩坡1∶2.5，下游平均壩坡1∶2.5。大壩填筑質量差，壩頂高低不平，大壩上游無護坡。

三泉水庫自1986 年建成至今已運行數十年，水庫位于多風區，壩頂高度不滿足風浪爬高要求，影響水庫正常運行；大壩土體滲透系數不符合規范要求，壩后坡腳存在滲透破壞；上游壩坡無護坡，由于風浪的淘蝕作用，壩前坡普遍存在沖蝕臺坎，壩后缺少反濾、排水設施等問題，水庫病險情況明顯亟待除險加固。

2 壩址工程地質

2.1 壩體物理力學指標

壩體為人工填筑土，厚度1.2 m～3.5 m，主要為低液限粘土，其顆粒組成砂粒含量平均值19.95%，粉粒64.22%，粘粒15.82%；土黃色，稍干～濕，呈硬塑～可塑狀態，根據6 個探井取10 個原狀土樣進行室內物理力學性質試驗，所得物理力學指標平均值如下：其濕密度1.89 g/m3，干密度1.61 g/m3，含水量17.59%，孔隙比0.681，塑性指數11.15，擊實后最大干密度1.77 g/m3～1.79 g/m3，最優含水量16.6%～17.2%，凝聚力30.0 kPa，摩擦角26.25°，滲透系數5.8×10-5cm/s，從以上指標可以看出，土體土層具屬弱透水，具中等壓縮性，經輕便動力觸探錘擊數N10=13～23 擊，其承載力特征值fak=140 kPa，壓縮模量8.7 MPa。

2.2 壩基工程地質條件

壩基土層巖性為低液限粘土（CL），局部有高液限粘土（CH），天然濕密度ρ=1.91 g/cm3，含水量ω=24.7%，干密度ρd=1.53 g/cm3，土粒比重GS=2.71，天然孔隙比e=0.78，飽和度Sr=86.0%，塑性指數Ip=14.6，液性指數Il=0.76，滲透系數K=6.17×10-5cm/s，壓縮系數a1-2=0.59 MPa-1，粘聚力C=22.5 kPa，壓縮模量Es=3.08 MPa，內摩擦角φ=26.38°。以上指標說明該土層地下水位以下處于飽和～軟塑狀態，具偏高壓縮性，低滲透性。土層抗剪強度低，經標準貫入試驗擊數N=2～4 擊，其承載力特征值為fk=80 kPa。

3 大壩除險加固方案

考慮到三泉水庫大壩工程地質條件，大壩壩體加固提出壩后填筑和壩前填筑兩個方案，并進行比較。

3.1 壩后填筑方案

經過對壩頂高程計算，除險加固后左副壩（樁號1-970～0-500）壩頂高程為334.52 m，主壩段和右副壩（樁號0-500～2+075）壩頂高程為335.38 m。主壩段壩頂高程比現狀壩頂高1.68 m～1.88 m，大壩采用壩后填筑方案可以充分利用老壩體。大壩壩型采用原壩型，最大壩高5.92 m，大壩輪廓尺寸為壩頂高程335.38 m，壩頂寬5 m，上游壩坡1∶2.5，采用15 cm 厚C20F200 現澆砼板護坡。下游壩坡1∶2。

根據三泉水庫大壩除險加固實際需要，壩后填筑方案又進行不設防浪墻方案和設防浪墻方案的比較。

3.1.1 不設防浪墻方案

主壩段壩軸線向后偏移4.35 m。左副壩（樁號1-970～0-500） 加高壩頂高程至334.32，主壩段和右副壩（樁號0-500～2+075）加高壩頂高程至335.18 m，并在壩頂上下游側設高出壩頂20 cm 的路沿石。壩頂寬5 m。壩頂設20 cm 厚砂礫石路面上游壩坡1∶2.5，護坡采用15 cm 厚C20 F200 現澆砼板。砼板下鋪設30 cm 厚砂礫石墊層。在壩腳設截水槽，截水槽斷面為梯形，底寬1.0 m，邊坡1∶1.5。下游壩坡1∶2，下游壩腳設貼坡排水，貼坡排水高0.8 m～2.0 m，厚1.0 m，貼坡排水回填粒徑d=5 mm～40 mm 的砂礫石。

3.1.2 設防浪墻方案

主壩段壩軸線向后偏移1.80 m。左副壩（樁號1-970～0-500）加高壩頂高程至333.32，主壩段和右副壩（樁號0-500～2+075）加高壩頂高程至334.18 m，并在壩頂上游設防浪墻。防浪墻頂高程335.38 m，露出壩頂1.2 m。防浪墻高2.70 m，結構形式為“L”型，材料為C20、F200 鋼筋砼。壩頂寬5 m，壩頂設20 cm 厚砂礫石路面，壩頂上下游側設路沿石。上游壩坡1∶2.5，護坡采用15 cm 厚C20F200 現澆砼板。其他同3.1.1[1]。

通過工程投資、運用管理、施工條件等方面，進行不設防浪墻方案和設防浪墻方案的對比，見表1。

表1 不設防浪墻方案和設防浪墻方案的對比

由表1 可知，不設防浪墻方案的特點是運用管理方便，施工容易，投資較低。設防浪墻方案施工質量不容易保證，投資過高。因此推薦不設防浪墻方案作為設計方案。

3.2 壩前填筑方案

高壩段（壩樁號0-500～0+800）壩頂寬5 m，壩頂高程335.18 m。壩頂設20 cm 厚砂礫石路面，壩頂上下游側設高出壩頂高程20 cm 的路沿石。大壩壩型采用原壩型，其他同3.1。

表2 壩前填筑方案與壩后填筑方案比較

通過表2 對壩前填筑方案與壩后填筑方案的綜合分析，壩前填筑方案比壩后填筑方案投資較少，故本階段采用壩前填筑方案。

4 加固后穩定分析

4.1 滲透穩定分析

壩基的臨界水力坡降可采用下式計算：

其中：GS為土粒比重；e 為孔隙比；n 為孔隙率。

安全評價中對最大橫斷面0-060 斷面進行滲透穩定判別，壩腳以上0.6 m 會發生滲透破壞，壩基下游3.50 m 范圍內會發生滲透破壞，滲透不穩定。本次設計采用《理正滲流分析軟件3.0 版》進行滲透穩定[2]分析，代表性斷面為0-300 斷面、0-075最大斷面和0+600 斷面。滲透比降計算結果見表3?？梢姶髩螡B透穩定。

表3 滲透比降計算結果

4.2 大壩結構穩定分析

三泉水庫大壩0+655 處有陡坎，大壩壩頂高低不平，壩前未設護坡。本次設計最大橫斷面（0-075）為計算斷面主要是最大橫斷面處水頭壓力最大，最容易出現異常情況。穩定計算采用北京理正軟件設計研究所的《邊坡穩定設計軟件3.0 版》進行計算?？紫端畨毫ψ饔每紤]方法為有效應力法，圓弧穩定分析方法為簡化畢肖普法，結果見圖1。大壩土層物理力學指標及結構穩定計算成果見表4。

表4 土層物理力學指標

正常運用條件下，正常蓄水位（333.00 m）穩定滲流期上下游壩坡穩定計算，最小安全系數K上=4.173，K下=2.389＞[K允許]=1.25。

非常運用條件Ⅰ：施工期的上下游壩坡穩定計算最小安全系數，K上=3.347，K下=2.405＞[K允許]=1.15；水庫水位驟降時的上游壩坡，水位由正常蓄水位333.00 m，驟降至死水位330.62 m，上游壩坡穩定計算最小安全系數K上=3.535＞[K允許]=1.15。

非常運用條件Ⅱ：正常運用遭遇地震（正常蓄水位333.00 m）上下游壩坡穩定計算，最小安全系數K上=3.459，K下=1.929＞[K允許]=1.10；水庫水位在1/3 壩高時遭遇地震，水位在1/3 壩高，上游壩坡穩定計算最小安全系數K上=3.021＞[K允許]=1.10。

圖1 大壩結構穩定分析

大壩在正常運用及非常運用條件下，上下游壩坡穩定計算的最小安全系數均滿足現行規范要求，大壩結構穩定。

5 結論

三泉水庫下游影響范圍涉及頭臺鄉一隊、頭臺鄉二隊、頭臺鄉六隊等村隊，三泉水庫除險加固后大壩運行良好，基本滿足了下游0.9725 萬畝灌溉面積的用水要求，進一步提高當地農牧民生活水平，促進灌區的經濟發展和社會發展。大壩除險加固前填筑質量差，壩頂高度不滿足風浪爬高要求而影響水庫正常運行，大壩土體滲透系數不符合規范要求，壩后坡腳存在滲透破壞等問題也得到了解決。