中小型水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固措施

朱茂明

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司常州分院，江蘇 常州 213000)

1 工程項(xiàng)目概況

文章以國(guó)內(nèi)某縣域內(nèi)的小型水庫(kù)為研究案例，系統(tǒng)闡述了針對(duì)小型水庫(kù)大壩壩體除險(xiǎn)加固的設(shè)計(jì)及施工措施。該小型水庫(kù)建成于20世紀(jì)70年代初，壩體由黏性土夯實(shí)而成，屬均質(zhì)土壩，主要承擔(dān)旱季農(nóng)田灌溉和雨季防洪調(diào)水工作，水庫(kù)設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅳ級(jí)，按照20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，50年一遇洪水校準(zhǔn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)地處村鎮(zhèn)交匯處，水庫(kù)壩體下游有兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總計(jì)超過(guò)50個(gè)自然村，涉及人口7萬(wàn)余人，地理區(qū)位十分重要，該小型水庫(kù)自20世紀(jì)70年代初建成并投入運(yùn)營(yíng)后，一共經(jīng)歷過(guò)3次中型以上加固維修，最近一次壩體除險(xiǎn)加固于2009年完成，自最近一次加固后已服役十余年，經(jīng)專業(yè)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)土壩局部已出現(xiàn)了不同程度的病害，亟須開(kāi)展一次中型以上的除險(xiǎn)加固。

2 水庫(kù)壩體滲漏原因分析

該水庫(kù)壩體滲漏原因大致可歸納為四點(diǎn)：一是壩體原本的填筑質(zhì)量不佳，密實(shí)度不足，壩體內(nèi)空隙發(fā)育(e=1.15～2.11)，大部分土體壓縮性大，整體抗剪強(qiáng)度分布不均勻；二是壩頂施工的外載荷作用。壩體上部由于外部施工機(jī)械工作，特別是長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械振動(dòng)的影響，槽段穩(wěn)定性遭到破壞；三是混凝土澆筑強(qiáng)度及速度的影響。壩體施工成槽時(shí)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，混凝土的澆筑強(qiáng)度及速度對(duì)槽段的穩(wěn)定產(chǎn)生影響；四是灌漿時(shí)造成壩體劈裂。原施工中壩體灌漿時(shí)漿液的灌入量過(guò)大，在壩體內(nèi)形成了連續(xù)的劈裂縫，從而使得壩體的抗?jié)B性降低。

3 水庫(kù)壩體除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)

3.1 水庫(kù)壩體除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)原則及安全校核

考慮到該水庫(kù)已建成投運(yùn)將近40余年，水庫(kù)各主體、附屬結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，因此，除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持“總體維持、適度改造、因地制宜”的基本原則，在施工總體布置方面應(yīng)盡可能維持壩體及附屬結(jié)構(gòu)的原貌，不改變結(jié)構(gòu)格局和地理坐標(biāo)，僅對(duì)存在安全隱患的局部進(jìn)行除險(xiǎn)加固處置；在除險(xiǎn)加固前，為了明確壩體當(dāng)前的運(yùn)營(yíng)情況，應(yīng)校核滲流參數(shù)及穩(wěn)定性參數(shù)，驗(yàn)算正常水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位是否達(dá)到滲流穩(wěn)定規(guī)范要求。

3.2 壩體頂部、迎風(fēng)坡、下游坡面設(shè)計(jì)

土壩壩體在自重及頂部頻遇荷載的長(zhǎng)期作用下，容易出現(xiàn)整體沉降，故在壩體加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先觀測(cè)壩頂標(biāo)高是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)于不滿足標(biāo)高設(shè)計(jì)的土壩應(yīng)進(jìn)行壩體增高設(shè)計(jì)；此外，壩頂凈寬應(yīng)根據(jù)壩頂?shù)缆吩O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定，以滿足壩頂通行需求，為了避免汛期水流沖刷壩頂公路，在壩體兩側(cè)應(yīng)增設(shè)混凝土阻浪墻，墻體凈高不低于0.75 m,寬度應(yīng)根據(jù)墻體內(nèi)配筋情況確定。觀測(cè)壩體迎風(fēng)坡面是否存在塌陷、鼓包等病害，對(duì)迎風(fēng)坡局部坡率不達(dá)標(biāo)的位置進(jìn)行削坡設(shè)計(jì)，削坡率按照上半坡1∶2.50、下半坡1∶4.00設(shè)計(jì)，削坡后，為了提高迎風(fēng)坡表面的抗侵蝕性能，應(yīng)對(duì)表面進(jìn)行干砌片石護(hù)坡；經(jīng)論證，采用干砌片石進(jìn)行迎風(fēng)坡面防護(hù)，坡面的沉降適應(yīng)能力明顯提高，坡面阻抗水浪的綜合能力顯著提高。下游坡面由于年久失修，坡面原有防護(hù)破損殆盡，局部出現(xiàn)連續(xù)的坍塌病害，坡面的抗?jié)B及抗沖刷性能明顯下降，因此，需加強(qiáng)對(duì)下游坡面進(jìn)行護(hù)坡及防排水設(shè)計(jì)，經(jīng)論證擬采用草皮護(hù)坡法處置下游坡面，在鋪設(shè)草皮前應(yīng)徹底清理坡面表面，對(duì)坡面進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)后再種植草皮；整修坡面排水溝道，由于排水溝敞口面積較大，為了防止雨水沖刷坡面，應(yīng)在壩腳位置增設(shè)梯形截面排水溝，并將排水溝直接引至河道內(nèi)。

3.3 溢洪道加固設(shè)計(jì)

溢洪道作為壩體的保護(hù)設(shè)施是水庫(kù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，溢洪道通常布置在水壩壩體一側(cè)，外形為一個(gè)敞口型水槽，隨著水庫(kù)庫(kù)容的增長(zhǎng)，水位不斷攀升，一旦水位達(dá)到或超過(guò)水庫(kù)庫(kù)容警戒值后，水可經(jīng)由溢洪道向下游流出，從而避免了壩體被沖毀的風(fēng)險(xiǎn)，溢洪道由進(jìn)水渠、控制段、泄洪槽及出水渠組成；該水庫(kù)溢洪道在水流的長(zhǎng)期浸透、沖刷作用下，其地基強(qiáng)度逐漸下降，為了確保水庫(kù)壩體的安全性，本項(xiàng)目擬重建溢洪道，為了保證溢洪道內(nèi)的水流效率，溢洪道軸線應(yīng)保持平直，其中進(jìn)水渠按“八”字形向內(nèi)收縮，泄洪槽內(nèi)表面坡率≥1∶4.00,槽內(nèi)表面按照矩形布設(shè)。

4 水庫(kù)壩體除險(xiǎn)加固主要施工措施

4.1 壩體除險(xiǎn)加固處置

壩體迎風(fēng)坡除險(xiǎn)加固采取“機(jī)械為主、人工配合”的基本施工組合方式，壩體表面清表后，由于壩體厚度下降，為了保證壩體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，應(yīng)采用壓實(shí)法對(duì)壩體進(jìn)行培厚，用于培厚的土料應(yīng)就近取材，以控制施工成本，做好現(xiàn)場(chǎng)施工組織調(diào)配，保證壓實(shí)培厚作業(yè)的連續(xù)性，壓實(shí)路徑沿壩體主軸線交錯(cuò)覆蓋壓實(shí)，以保證壓實(shí)效果，局部壓實(shí)機(jī)械無(wú)法觸及的位置應(yīng)配合人工壓實(shí)，壓實(shí)過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)觀測(cè)壓實(shí)土體的含水率，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)配灑水車及時(shí)補(bǔ)水，保證培厚土體的含水率指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

下游坡面除險(xiǎn)加固以人工作業(yè)為主，下游坡面依靠植草覆蓋防護(hù)，為了提高草皮對(duì)坡面土體的緊固能力，草皮類型宜選用根系發(fā)達(dá)的盤根草，草皮種植季節(jié)應(yīng)盡量安排在春秋兩季，為了便于施工，提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率，草皮應(yīng)提前加工成矩形條塊，草皮厚度根據(jù)坡面防護(hù)實(shí)際需求確定，大體應(yīng)介于50～60 mm之間，草皮覆蓋以人工作業(yè)為主，以保證覆蓋的均勻性和全面性，避免漏蓋、缺蓋，覆蓋后應(yīng)及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)，保持草皮的濕潤(rùn)性，為了最大程度避免壩體遭受白蟻災(zāi)害，在草皮加工過(guò)程中應(yīng)提前剔除其中的白毛草根。

壩頂整平及壩頂公路施工應(yīng)在迎風(fēng)坡及下游坡面除險(xiǎn)加固完工后進(jìn)行，先對(duì)壩體坡頂進(jìn)行表面清理，再按照公路路基路面施工工藝修建壩頂公路，以滿足壩頂車輛通行需求。

4.2 溢洪道重建

溢洪道的加固措施主要包括：一是根據(jù)溢洪道過(guò)流量等各方面綜合需求適量改變溢洪道的泄洪斷面;二是采用現(xiàn)澆混凝土或漿砌石等對(duì)溢洪道進(jìn)行襯砌保護(hù);三是對(duì)布置不合理或設(shè)施不完善的溢洪道進(jìn)行調(diào)整、配套完善，如：溢洪道在平面上轉(zhuǎn)彎角度太大，給予調(diào)順，使過(guò)流順暢，或者在彎道上游增設(shè)消能設(shè)施等;四是對(duì)溢洪道地基滲透性不能滿足要求的，采取相應(yīng)的防滲措施。溢洪道消力池護(hù)坦抗浮力穩(wěn)定計(jì)算公式如下：

(1)

公式(1)中：Kf表示抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，允許值在1.00～1.20之間；P1表示護(hù)坦自重(kN)；P2表示護(hù)坦頂面上的時(shí)均壓力(kN)；P3表示采用錨固措施時(shí)，地基的時(shí)效重量(kN)；Q1表示護(hù)坦頂面上的脈動(dòng)壓力(kN)；Q2表示護(hù)坦地面上的揚(yáng)壓力(kN)。工程溢洪道消力池護(hù)坦抗浮穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，本工程溢洪道第一級(jí)和第二級(jí)消力池護(hù)坦抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

表1 溢洪道消力池護(hù)坦抗浮穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算結(jié)果表

溢洪道土方開(kāi)挖、運(yùn)輸借助機(jī)械完成，開(kāi)挖出的土石方料應(yīng)就近調(diào)運(yùn)，以壓縮現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)距，降低施工措施成本，開(kāi)挖出的部分土石方料可用于后期回填，槽道開(kāi)挖成型后，應(yīng)使用機(jī)械打夯機(jī)夯實(shí)槽道表面，局部打夯機(jī)無(wú)法觸及位置應(yīng)由人工夯實(shí)整平。槽道內(nèi)應(yīng)均勻澆筑混凝土，混凝土采用集中拌和的方式，以保證混凝土強(qiáng)度等級(jí)和施工和易性等指標(biāo)滿足澆筑要求，拌和后的混凝土經(jīng)由罐車運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，澆筑后應(yīng)人工振搗密實(shí)。

4.3 除險(xiǎn)加固混凝土工程施工措施

水庫(kù)除險(xiǎn)加固施工中涉及混凝土澆筑作業(yè)的主要為溢洪道重建工程，在澆筑混凝土前應(yīng)妥善處理槽道基面，可使用高壓水槍沖洗槽道內(nèi)表面，以清理表面的松散碎石，清表后方可澆筑水泥混凝土。項(xiàng)目的溢洪道重建工程選在春季進(jìn)行，由于混凝土采取集中廠拌的方式，應(yīng)考慮外界環(huán)境條件對(duì)拌和及運(yùn)輸?shù)挠绊懀Y(jié)合溫度變化情況動(dòng)態(tài)調(diào)整水泥混凝土配合比，案例工程大壩水庫(kù)除險(xiǎn)加固混凝土配合比如表2所示。

表2 大壩水庫(kù)除險(xiǎn)加固混凝土配合比表(kg/m3)

運(yùn)輸前應(yīng)提前確定運(yùn)輸路徑，盡可能縮短混凝土運(yùn)輸時(shí)間，以防止因長(zhǎng)距離運(yùn)輸導(dǎo)致的水泥混凝土骨料離析問(wèn)題；溢洪道澆筑方法應(yīng)根據(jù)溢洪道槽道深度及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選定，溢洪道常用的澆筑方式為平鋪法，平鋪法通過(guò)分層澆筑實(shí)現(xiàn)，先澆筑攤鋪一層后，及時(shí)振搗密實(shí)，保證密實(shí)度達(dá)到要求后，再繼續(xù)下一層澆筑，依次循環(huán)完成；為了保證溢洪道結(jié)構(gòu)整體的施工質(zhì)量，用于澆筑溢洪道的水泥混凝土應(yīng)使用同一批次原材料拌和，實(shí)現(xiàn)水泥混凝土質(zhì)量的源頭把控，混凝土模板支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)滿足振搗要求，避免因振搗誘發(fā)模板接縫處漏漿。

5 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)大壩壩體及溢洪道等附屬設(shè)施的可靠性和安全性關(guān)系到整個(gè)水庫(kù)的運(yùn)營(yíng)服役質(zhì)量，隨著大壩壩體服役年限的增長(zhǎng)，壩體及附屬設(shè)施容易出現(xiàn)不同類型的病害；文章以小型水庫(kù)壩體及溢洪道為研究對(duì)象，重點(diǎn)闡述了壩體壩頂、迎風(fēng)坡及下游坡面的表面加固施工措施，同時(shí)分析了溢洪道重建過(guò)程中的混凝土工程施工要點(diǎn)，為小型水庫(kù)大壩的除險(xiǎn)加固施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。