中小型水庫大壩除險加固措施

朱茂明

(南京市水利規劃設計院股份有限公司常州分院，江蘇 常州 213000)

1 工程項目概況

文章以國內某縣域內的小型水庫為研究案例，系統闡述了針對小型水庫大壩壩體除險加固的設計及施工措施。該小型水庫建成于20世紀70年代初，壩體由黏性土夯實而成，屬均質土壩，主要承擔旱季農田灌溉和雨季防洪調水工作，水庫設計等級為Ⅳ級，按照20年一遇洪水標準設計，50年一遇洪水校準。經現場勘察發現，水庫地處村鎮交匯處，水庫壩體下游有兩個鄉鎮，總計超過50個自然村，涉及人口7萬余人，地理區位十分重要，該小型水庫自20世紀70年代初建成并投入運營后，一共經歷過3次中型以上加固維修，最近一次壩體除險加固于2009年完成，自最近一次加固后已服役十余年，經專業檢測發現土壩局部已出現了不同程度的病害，亟須開展一次中型以上的除險加固。

2 水庫壩體滲漏原因分析

該水庫壩體滲漏原因大致可歸納為四點：一是壩體原本的填筑質量不佳，密實度不足，壩體內空隙發育(e=1.15～2.11)，大部分土體壓縮性大，整體抗剪強度分布不均勻；二是壩頂施工的外載荷作用。壩體上部由于外部施工機械工作，特別是長時間機械振動的影響，槽段穩定性遭到破壞；三是混凝土澆筑強度及速度的影響。壩體施工成槽時耗時過長，混凝土的澆筑強度及速度對槽段的穩定產生影響；四是灌漿時造成壩體劈裂。原施工中壩體灌漿時漿液的灌入量過大，在壩體內形成了連續的劈裂縫，從而使得壩體的抗滲性降低。

3 水庫壩體除險加固方案設計

3.1 水庫壩體除險加固設計原則及安全校核

考慮到該水庫已建成投運將近40余年，水庫各主體、附屬結構趨于穩定，因此，除險加固方案設計應堅持“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盡可能維持壩體及附屬結構的原貌，不改變結構格局和地理坐標，僅對存在安全隱患的局部進行除險加固處置；在除險加固前，為了明確壩體當前的運營情況，應校核滲流參數及穩定性參數，驗算正常水位、設計洪水位及校核洪水位是否達到滲流穩定規范要求。

3.2 壩體頂部、迎風坡、下游坡面設計

土壩壩體在自重及頂部頻遇荷載的長期作用下，容易出現整體沉降，故在壩體加固設計時，應先觀測壩頂標高是否滿足設計要求，對于不滿足標高設計的土壩應進行壩體增高設計；此外，壩頂凈寬應根據壩頂道路設計標準確定，以滿足壩頂通行需求，為了避免汛期水流沖刷壩頂公路，在壩體兩側應增設混凝土阻浪墻，墻體凈高不低于0.75 m,寬度應根據墻體內配筋情況確定。觀測壩體迎風坡面是否存在塌陷、鼓包等病害，對迎風坡局部坡率不達標的位置進行削坡設計，削坡率按照上半坡1∶2.50、下半坡1∶4.00設計，削坡后，為了提高迎風坡表面的抗侵蝕性能，應對表面進行干砌片石護坡；經論證，采用干砌片石進行迎風坡面防護，坡面的沉降適應能力明顯提高，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，坡面原有防護破損殆盡，局部出現連續的坍塌病害，坡面的抗滲及抗沖刷性能明顯下降，因此，需加強對下游坡面進行護坡及防排水設計，經論證擬采用草皮護坡法處置下游坡面，在鋪設草皮前應徹底清理坡面表面，對坡面進行結構補強后再種植草皮；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，應在壩腳位置增設梯形截面排水溝，并將排水溝直接引至河道內。

3.3 溢洪道加固設計

溢洪道作為壩體的保護設施是水庫系統中的關鍵結構之一，溢洪道通常布置在水壩壩體一側，外形為一個敞口型水槽，隨著水庫庫容的增長，水位不斷攀升，一旦水位達到或超過水庫庫容警戒值后，水可經由溢洪道向下游流出，從而避免了壩體被沖毀的風險，溢洪道由進水渠、控制段、泄洪槽及出水渠組成；該水庫溢洪道在水流的長期浸透、沖刷作用下，其地基強度逐漸下降，為了確保水庫壩體的安全性，本項目擬重建溢洪道，為了保證溢洪道內的水流效率，溢洪道軸線應保持平直，其中進水渠按“八”字形向內收縮，泄洪槽內表面坡率≥1∶4.00,槽內表面按照矩形布設。

4 水庫壩體除險加固主要施工措施

4.1 壩體除險加固處置

壩體迎風坡除險加固采取“機械為主、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，為了保證壩體的結構強度和剛度，應采用壓實法對壩體進行培厚，用于培厚的土料應就近取材，以控制施工成本，做好現場施工組織調配，保證壓實培厚作業的連續性，壓實路徑沿壩體主軸線交錯覆蓋壓實，以保證壓實效果，局部壓實機械無法觸及的位置應配合人工壓實，壓實過程中應實時觀測壓實土體的含水率，現場調配灑水車及時補水，保證培厚土體的含水率指標滿足規范要求。

下游坡面除險加固以人工作業為主，下游坡面依靠植草覆蓋防護，為了提高草皮對坡面土體的緊固能力，草皮類型宜選用根系發達的盤根草，草皮種植季節應盡量安排在春秋兩季，為了便于施工，提高現場作業效率，草皮應提前加工成矩形條塊，草皮厚度根據坡面防護實際需求確定，大體應介于50～60 mm之間，草皮覆蓋以人工作業為主，以保證覆蓋的均勻性和全面性，避免漏蓋、缺蓋，覆蓋后應及時灑水養護，保持草皮的濕潤性，為了最大程度避免壩體遭受白蟻災害，在草皮加工過程中應提前剔除其中的白毛草根。

壩頂整平及壩頂公路施工應在迎風坡及下游坡面除險加固完工后進行，先對壩體坡頂進行表面清理，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：一是根據溢洪道過流量等各方面綜合需求適量改變溢洪道的泄洪斷面;二是采用現澆混凝土或漿砌石等對溢洪道進行襯砌保護;三是對布置不合理或設施不完善的溢洪道進行調整、配套完善，如：溢洪道在平面上轉彎角度太大，給予調順，使過流順暢，或者在彎道上游增設消能設施等;四是對溢洪道地基滲透性不能滿足要求的，采取相應的防滲措施。溢洪道消力池護坦抗浮力穩定計算公式如下：

(1)

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

從表1中可以看出，本工程溢洪道第一級和第二級消力池護坦抗浮穩定安全系數滿足規范要求。

表1 溢洪道消力池護坦抗浮穩定復核計算結果表

溢洪道土方開挖、運輸借助機械完成，開挖出的土石方料應就近調運，以壓縮現場運距，降低施工措施成本，開挖出的部分土石方料可用于后期回填，槽道開挖成型后，應使用機械打夯機夯實槽道表面，局部打夯機無法觸及位置應由人工夯實整平。槽道內應均勻澆筑混凝土，混凝土采用集中拌和的方式，以保證混凝土強度等級和施工和易性等指標滿足澆筑要求，拌和后的混凝土經由罐車運輸至施工現場，澆筑后應人工振搗密實。

4.3 除險加固混凝土工程施工措施

水庫除險加固施工中涉及混凝土澆筑作業的主要為溢洪道重建工程，在澆筑混凝土前應妥善處理槽道基面，可使用高壓水槍沖洗槽道內表面，以清理表面的松散碎石，清表后方可澆筑水泥混凝土。項目的溢洪道重建工程選在春季進行，由于混凝土采取集中廠拌的方式，應考慮外界環境條件對拌和及運輸的影響，結合溫度變化情況動態調整水泥混凝土配合比，案例工程大壩水庫除險加固混凝土配合比如表2所示。

表2 大壩水庫除險加固混凝土配合比表(kg/m3)

運輸前應提前確定運輸路徑，盡可能縮短混凝土運輸時間，以防止因長距離運輸導致的水泥混凝土骨料離析問題；溢洪道澆筑方法應根據溢洪道槽道深度及結構特點選定，溢洪道常用的澆筑方式為平鋪法，平鋪法通過分層澆筑實現，先澆筑攤鋪一層后，及時振搗密實，保證密實度達到要求后，再繼續下一層澆筑，依次循環完成；為了保證溢洪道結構整體的施工質量，用于澆筑溢洪道的水泥混凝土應使用同一批次原材料拌和，實現水泥混凝土質量的源頭把控，混凝土模板支護強度應滿足振搗要求，避免因振搗誘發模板接縫處漏漿。

5 結語

水庫大壩壩體及溢洪道等附屬設施的可靠性和安全性關系到整個水庫的運營服役質量，隨著大壩壩體服役年限的增長，壩體及附屬設施容易出現不同類型的病害；文章以小型水庫壩體及溢洪道為研究對象，重點闡述了壩體壩頂、迎風坡及下游坡面的表面加固施工措施，同時分析了溢洪道重建過程中的混凝土工程施工要點，為小型水庫大壩的除險加固施工積累了寶貴經驗。