某小型水庫黏土斜墻壩除險加固設計

2021-03-02 11:00:58王倩

水利科技與經濟 2021年2期

王倩

(河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250)

1 工程概況

某水庫總庫容13.25×104m3，屬小(Ⅱ)型水利水電工程，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級。根據實際測量資料，攔河壩壩型為黏土斜墻式，壩長273 m，現狀壩頂高程50.0 m，頂寬約2.3 m，壩體上游為干砌石護坡，壩坡坡比1∶2.5，下游無護坡，壩坡坡比1∶2；壩體材料分區為黏土斜墻區、砂礫料區和壤土區；壩基坐落在全風化及強風化混合花崗巖上，裂隙發育，現場勘察該壩未見滲漏，但注水試驗結果滲透系數為1.93×10-4～2.85×10-4cm/s，屬中等透水，分析原因認為主要是壩基下巖石裂隙發育。原設計的洪水標準為30年一遇設計、300年一遇校核，經復核，現狀壩頂高程不滿足該標準；除險加固后設洪水標準取為20年一遇設計，校核洪水標準取為200年一遇，正常蓄水位為48.00 m，設計洪水位為48.63 m，校核洪水位為48.87 m，汛限水位為48.00 m，死水位為43.00 m。

2 黏土心墻壩存在的主要問題

根據現場查勘，上游大部分干砌石護坡存在脫落、損壞的情況，下游無護坡；根據復核計算，壩頂高程不滿足防洪要求，下游壩坡抗滑穩定系數不滿足規范要求。

2.1 壩頂高程不滿足防洪要求

攔河壩壩頂高程不同運用情況下的計算結果見表1。

表1 不同運用情況下壩頂超高及壩頂高程計算成果表

由表1可知，設計洪水位情況時壩頂高程最大為50.076 m，設計壩頂高程取為50.1 m，本次實測壩頂高程約50.00 m，攔河壩壩頂高程不滿足防洪要求[1]。

2.2 黏土心墻壩下游壩坡穩定不滿足規范要求

2.2.1 基本資料

攔河壩為黏土斜墻式，壩頂高程為50.00 m，壩頂寬2.3 m，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2，壩體下游壩腳棱體排水失效。攔河壩壩軸線為曲線，壩基條件較均一，現狀壩頂高程變化不大，因此計算斷面采用攔河壩下游壩坡最陡的斷面為典型計算斷面。該區地震動峰值加速度為0.15 g,相當于地震基本烈度Ⅶ度區，主要建筑物地震設計烈度為7度[2]。

2.2.2 壩體物理力學性質指標

針對攔河壩進行了地質勘探和試驗工作，在壩頂處布勘探孔并取樣，然后進行了壩體及壩基材料物理力學性質試驗，計算采用的壩體及壩基材料物理力學性質指標見表2。

表2 壩體及壩基材料物理力學性質指標表

2.2.3 計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001)[3]，攔河壩壩坡抗滑穩定計算工況見表3。

表3 攔河壩壩坡抗滑穩定計算工況表

2.2.4 計算結果

壩坡穩定計算采用圓弧法，按計條塊間作用力的簡化畢肖普法進行計算，計算采用河海大學水工結構有限元分析系統(Autobankv7.0)[4]。攔河壩上下游壩坡各種工況下的抗滑穩定計算成果見表4。

表4 攔河壩現狀壩坡抗滑穩定計算成果表

由表4可知，攔河壩現狀下游壩坡抗滑穩定安全系數在正常工作條件和非常工作條件下均不滿足現行規范要求，需要對下游壩坡進行貼坡放緩處理。

3 黏土斜墻壩除險加固

針對攔河壩工程存在的主要問題，黏土斜墻壩加固項目包括黏土斜墻加高、壩頂改造、上游干砌石護坡翻修、下游壩坡貼坡放緩等。

由地質勘測成果可知，壩基座落在全風化混合花崗巖上，巖芯呈砂土狀。滲透系數為1.93×10-4～2.85×10-4cm/s，屬中等透水。全風化混合花崗巖為黏土斜墻壩基礎，地質條件較好，故本次除險加固不再進行壩基防滲處理。

3.1 壩頂改造

3.1.1 黏土斜墻加高

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)[3]，土質防滲體頂部在正常蓄水位或設計洪水位以上的超高，對于斜墻，超高取值為0.80～0.60；非常運用條件下，防滲體頂部不應低于非常運用條件的靜水位。現狀斜墻高程為47.96 m，小于正常蓄水位48.0 m和設計洪水位48.63 m的超高及校核洪水位48.87 m，即在正常、非常運用條件下均不滿足規范要求，需對其進行加高處理。本次加固設計采用的洪水標準為20年設計、200年校核，所需斜墻高程計算結果見表5。

表5 斜墻加高計算成果表

綜合表5結果，最終確定斜墻從47.96 m加高至49.2 m。

對于斜墻加高的處理措施，本次進行了黏土接高斜墻和垂直鋪塑兩方案的比選。兩方案施工工序均為開挖壩頂至原斜墻防滲體，回填壩體土至壩頂高程。采用土工膜接高斜墻方案，結合部位銜接較繁瑣，容易形成滲漏通道，施工中土工膜也容易破損；而采用黏土接高斜墻，施工簡單，土體間結合較好。根據以上分析，選用黏土接高斜墻方案。

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)[3]規定，黏土斜墻加高土料采用黏土，其滲透系數要求小于1×10-5cm/s，壓實度不應小于96%。

3.1.2 壩頂路改建

改建后，壩頂高程50.1 m，壩頂寬3.0 m。路面上下游均設C25W4F200預制混凝土路緣石，尺寸50 cm×10 cm×30 cm(長×寬×高)，頂部與路面齊平。壩頂路面為厚20 cm的泥結碎石路面，寬2.0 m。

3.2 上游護坡翻修

根據壩體實測斷面資料，攔河壩上游壩坡坡比為1∶2.5。抗滑穩定計算結果表明，各種工況下，上游壩坡抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。但是現狀上游干砌石護坡大部分脫落、損壞，本次除險加固對死水位43.0 m以上損壞部位按原結構局部翻修。首先，對上游干砌石護坡進行拆除；然后，進行壩坡清表；最后，對上游壩坡進行干砌石護坡，厚30 cm，其下鋪設厚15 cm的砂礫石墊層。

3.3 下游壩坡整治

根據現場勘察，攔河壩下游無護坡；現狀壩頂寬2.3 m，下游壩坡1∶2。經過對現狀下游壩坡抗滑穩定復核發現，各種工況下的下游壩坡抗滑穩定安全系數均小于規范要求，故為保證下游壩坡安全，本次加固對攔河壩下游壩坡進行貼坡放緩處理。根據壩體實測斷面，對下游壩坡采用壤土回填，壓實度不應小于96%，達到坡比1∶2.3，下游壩坡回填范圍為現狀坡底高程41.9 m至壩頂高程50.1 m，沿壩軸線長度約171 m。下游貼坡壤土施工碾壓后壓實度不應小于96%。

對下游護坡方案進行單層干砌石護坡和草皮護坡兩種方案比選。單層干砌石方案護坡厚30 cm，下設厚10 cm碎石墊層；草皮護坡方案采用在下游壩坡上種植本地植物爬地草或矮草。經計算，單層干砌石護坡方案直接工程投資27.1萬元，草皮護坡方案3.4萬元，兩方案相比草皮護坡投資較省；同時考慮到該護坡方案施工簡便，日常維護工作量小，而且可以美化環境，與周圍景色能溶為一體，經綜合分析，改建后下游壩坡表面采用草皮護坡方案。