水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)探析

劉玄

（中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙410000）

0 引言

近些年，我國(guó)不少水庫(kù)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中因受到滲漏、大壩變形、壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差等安全隱患的影響，不僅無(wú)法發(fā)揮出其實(shí)際應(yīng)有的效果，而且對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅。因此，加強(qiáng)水庫(kù)病險(xiǎn)問(wèn)題與除險(xiǎn)加固研究具有重要意義，本文主要圍繞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)問(wèn)題展開(kāi)論述。

1 我國(guó)水庫(kù)發(fā)展現(xiàn)狀

水庫(kù)對(duì)防汛減災(zāi)、供水保障和農(nóng)業(yè)灌溉等至關(guān)重要。而我國(guó)現(xiàn)有水庫(kù)大多數(shù)修建于上世紀(jì)50 至70 年代，雖然近年來(lái)已對(duì)近7.2 萬(wàn)座病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固，但隨著歲月推移，仍有許多水庫(kù)陸續(xù)進(jìn)入病險(xiǎn)行列。究其原因，我國(guó)20 世紀(jì)六七十年代興建的水庫(kù)多數(shù)為“邊勘測(cè)、邊設(shè)計(jì)、邊施工”，由于缺乏施工、管理、技術(shù)等經(jīng)驗(yàn)，普遍存在穩(wěn)定性差、防洪效果差、破損嚴(yán)重等問(wèn)題，產(chǎn)生了不同程度的病險(xiǎn)。

大多數(shù)病險(xiǎn)水庫(kù)不能安全穩(wěn)定運(yùn)行，水庫(kù)調(diào)蓄能力有限，能發(fā)揮水庫(kù)工程應(yīng)有的效益，長(zhǎng)時(shí)間帶病運(yùn)行也使保護(hù)范圍內(nèi)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全面臨巨大威脅，因此做好水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固工作十分重要。

2 水庫(kù)大壩病險(xiǎn)原因分析

據(jù)調(diào)查，水庫(kù)產(chǎn)生病險(xiǎn)的原因比較復(fù)雜，往往是一種或幾種因素共同作用的結(jié)果，且以多種險(xiǎn)情并存為主，原因可以歸納為以下幾種：

①防洪標(biāo)準(zhǔn)低。頂高、壩坡坡比及溢洪道斷面達(dá)不到規(guī)范要求是主因。若壩頂高和溢洪道斷面不足極易在特大暴雨時(shí)漫壩漫溢洪道導(dǎo)致壩坡與溢洪道擋墻被洪水沖刷崩塌潰壩倒墻。若壩坡過(guò)陡，因穩(wěn)定不夠而引起壩體滑坡等破壞。

②施工質(zhì)量差。水庫(kù)病險(xiǎn)大壩較多為均質(zhì)土壩，大多土料不達(dá)標(biāo)，人工夯填不實(shí)，防滲層薄，塊石硬度及大小不足，防雨與排水不及時(shí)，施工質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)，施工質(zhì)量差。

③清基不到位。病險(xiǎn)大壩多建于軟土地基，軟土層相對(duì)較厚，多數(shù)未清基至相對(duì)不透水層，土壩完工后沉陷大，常引發(fā)壩體局部變形、坍塌。

④壩頂壩周無(wú)排水溝。遇短歷時(shí)大到暴雨，洪水順壩面漫流，沖刷成溝成渠，導(dǎo)致壩表土松散、滑塌。

⑤管理不善。水庫(kù)無(wú)專(zhuān)人巡庫(kù)，無(wú)管理房，發(fā)現(xiàn)工程問(wèn)題處理不及時(shí)；閘門(mén)、拉桿與啟閉機(jī)不配套、銹蝕重且設(shè)備老化更換不及時(shí)；閘門(mén)變形、涵洞漏水處理不及時(shí)；啟閉房破舊漏水修繕不及時(shí)；缺少專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員、除險(xiǎn)資金嚴(yán)重不足、缺乏防汛物資，加固及維養(yǎng)計(jì)劃工作難開(kāi)展。

針對(duì)水庫(kù)存在的病險(xiǎn)問(wèn)題，必須開(kāi)展針對(duì)性的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，由此方可確保水庫(kù)安全和效益的充分發(fā)揮，對(duì)地方經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有十分重要的意義。

3 實(shí)例探析水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案

3.1 項(xiàng)目概況

本文僅以某病險(xiǎn)水庫(kù)大壩為例展開(kāi)分析，水庫(kù)工程等別Ⅱ等，控制流域面積1782km2，現(xiàn)狀總庫(kù)容5.28 億m3，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等功能的大（2）型水庫(kù)。水庫(kù)樞紐由土壩、漿砌石壩、溢洪道（閘）、放水洞及壩后水電站等建筑物組成。水庫(kù)擋水建筑物全長(zhǎng)2216.2m，最大壩高33.65m。水庫(kù)灌溉面積48.7 萬(wàn)畝，壩后電站總裝機(jī)容量5640kW。

3.2 水庫(kù)大壩病險(xiǎn)問(wèn)題

大壩滲漏方面的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①大壩接高部分斜墻壤土：滲透系數(shù)值1.2×10-4～1.3×10-3cm/s，為中等透水層，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

②大壩下部心墻壤土：壤土平均壓實(shí)度0.95，達(dá)不到現(xiàn)行規(guī)范要求。心墻土滲透系數(shù)范圍值 4.2×10-5～1.4×10-4cm/s，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

③截滲槽齒墻壤土：壤土平均壓實(shí)度為0.96，達(dá)不到現(xiàn)行規(guī)范要求。齒墻土滲透系數(shù)為5.6×10-5cm/s，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

④西副壩壩體寬心墻壤土：壩體壓實(shí)度為0.88～0.90，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。大壩填筑質(zhì)量不均勻，勘察過(guò)程中多產(chǎn)生不同程度的漏漿現(xiàn)象。滲透系數(shù)范圍值為1.8×10-4～2.5×10-3cm/s，具有中等透水性，不滿(mǎn)足規(guī)范要求，壩體質(zhì)量差。

⑤東副壩壩體寬心墻壤土：壓實(shí)度為0.74～0.99，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。滲透系數(shù) 6.9×10-5～1.2×10-3cm/s，具有中等透水性，不滿(mǎn)足規(guī)范要求，壩體質(zhì)量差。

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3.3 滲流加固設(shè)計(jì)方案

3.3.1 加固前滲流計(jì)算分析

綜合大壩分區(qū)分帶性結(jié)合重點(diǎn)部位分析，選取大壩0+290 斷面進(jìn)行二維滲流分析。計(jì)算程序選用巖土計(jì)算仿真軟件GeoStudio2007 中的Seep/W（地下水滲流分析軟件）模塊。依據(jù)地勘建議綜合歷次勘探成果結(jié)合測(cè)壓管觀(guān)測(cè)反演調(diào)整，選定大壩各分區(qū)土料滲透系數(shù)。其中，主壩上部壤土滲透系數(shù)根據(jù)注水試驗(yàn)情況估算所得。滲透系數(shù)選取值見(jiàn)表1。

表1 大壩滲透系數(shù)選取值

表2 各計(jì)算斷面控制部位計(jì)算比降及滲漏量

3.3.2 計(jì)算工況

根據(jù)水位組合確定計(jì)算工況如下：

工況1：正常蓄水位：上游水位：176.27m，下游水位：平壩后地面；

工況2：設(shè)計(jì)洪水位（p=1%）：上游水位：178.22m，下游水位：平壩后地面；

3.3.3 計(jì)算成果

正常運(yùn)用條件下，心墻出逸點(diǎn)、齒墻、壩坡出逸點(diǎn)比降均滿(mǎn)足規(guī)范及運(yùn)行要求，由于防滲體滲透系數(shù)偏大致使壩體單寬米滲漏量較大。非常運(yùn)用條件下，水流繞過(guò)心墻從上部斜墻出逸，出逸比降大于壤土允許值極易產(chǎn)生滲透破壞，浸潤(rùn)線(xiàn)及壩坡出逸點(diǎn)較高對(duì)下游壩坡穩(wěn)定不利，齒墻接觸面水平比降臨界于允許值容易產(chǎn)生沖刷破壞，壩體單寬米滲漏量大。

3.4 防滲加固設(shè)計(jì)方案比選

根據(jù)現(xiàn)狀結(jié)合水庫(kù)除險(xiǎn)加固的建設(shè)性質(zhì)，大壩防滲加固宜采用垂直截滲措施，即塑性混凝土防滲墻截滲方案。

根據(jù)防滲體的位置及擋水要求，初步擬定復(fù)合土工膜及粘土斜墻兩個(gè)方案。結(jié)合大壩上部防滲體的擋水要求確定大壩上部加固采用粘土斜墻方案，即防滲斜墻位于上游壩坡的棱錐體壤土斜墻處，為挖除原壤土置換為粘土方案。根據(jù)現(xiàn)有壩型情況，比選上游壩肩及壩前原心墻中心線(xiàn)兩條軸線(xiàn)，軸線(xiàn)Ⅰ上游壩肩處、軸線(xiàn)Ⅱ上游壩坡原心墻中心線(xiàn)處，從便于施工操作減少工程影響，盡可能保留現(xiàn)有大壩上部完好的護(hù)坡，降低工程總體造價(jià)，選用軸線(xiàn)Ⅰ上游壩肩處。

3.5 加固后滲流計(jì)算分析

防滲加固后計(jì)算斷面控制部位計(jì)算比降及滲漏量見(jiàn)表2。

經(jīng)防滲加固后，防滲效果明顯，壩體滲流流態(tài)及滲漏量較現(xiàn)狀有了顯著的改善。主壩段各計(jì)算工況下壩后浸潤(rùn)線(xiàn)已降至砂層，齒墻、防滲墻、壩后坡出逸比降均顯著降低滿(mǎn)足土體允許要求；大壩滲漏量較加固前減少63%，截滲效果明顯，水頭消減大于80%，壩后浸潤(rùn)線(xiàn)明顯降低，證明防滲方案合理可行。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)不少水庫(kù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，病險(xiǎn)問(wèn)題越加嚴(yán)重，落實(shí)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程具有重要意義。針對(duì)水庫(kù)實(shí)際情況，需科學(xué)開(kāi)展除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足水庫(kù)防洪等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，徹底消除大壩不穩(wěn)定隱患，保證工程安全運(yùn)行，保障庫(kù)區(qū)流域人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。