楊坪水庫除險加固設計分析

熊偉杰

(湖南欣盛建設有限公司,湖南 常德 415000)

長期以來，越來越多的水庫存在著使用時間較長、維修不及時的質量問題，需要進行有效的除險加固處理，保證其運行安全性和可靠性。水庫除險加固工程要分為3個階段，分別為前期準備、實際施工以及后期驗收。其中，施工階段是最為重要的關鍵部分，是水庫加固修復后功能能否得以改善的基礎。為了保證水庫加固后能夠有效減少安全隱患，提高施工質量，在工程中要對施工管理工作予以高度重視，使水庫發揮更大的社會效益。

1 工程概況

1.1 工程概況

楊坪水庫位于常德市臨澧縣佘市橋鎮歇駕村，屬于道水水系，是一座以灌溉為主、兼顧防洪等綜合利用的小(Ⅱ)水利工程。樞紐工程由大壩、溢洪道和輸水涵管組成。楊坪水庫大壩壩型為均質土壩，最大壩高為16.1m，現狀壩頂高程為122.38m，壩頂軸線長245m，壩頂寬度4m，大壩上游壩坡坡比為1∶2.57，上游為C20砼防滲面板，護坡整體結構完好；大壩下游壩坡分3級，坡比分別為1∶2.5、1∶2.5、1∶3.2，平臺高程分別為116.74m、112.83m。溢洪道堰型為開敞式溢洪道，堰頂高程為120.67m，溢洪道位于大壩右側，溢洪道由進口段、控制段、泄槽段、消力池、泄洪渠組成[1]。輸水涵洞位于大壩右側壩體下部，為砌石拱涵。進口底板高程111.21m。輸水涵洞周邊滲水，啟閉設備陳舊。水庫在流域中有著重要的地位與作用，該水庫建成四十多年來，經濟效益與社會效益十分顯著。

1.2 除險加固改造緣由

該水庫興建于1973年11月，1974年9月完成建設并開始運行。在后續使用中又進行多次擴建，到達現在規模。在當時技術、資金等眾多方面的限制下，其設計標準和施工質量相對較低。該大壩的施工人員主要為當地村民，施工整體周期較長，并且專業指導不足，在施工質量上有很大欠缺，存在著填土混雜、清基不徹底、施工分層等問題。填筑土碾壓情況欠佳，甚至很多局部存在漏壓現象，無法滿足土壩填筑的標準和要求。在長期的運行中出現了壩體散浸、壩肩滲漏等問題，威脅到大壩的安全使用，同時也對下游人民的生命財產安全產生嚴重威脅。

目前工程存在的問題和安全隱患主要有以下幾個方面：①大壩壩肩滲漏嚴重，下游壩坡未整形達標，無反濾排水設施；②溢洪道進口段及泄槽段為漿砌石襯砌，整體結構完好，泄槽出口無消能設施，溢洪道整體淤塞、沖刷嚴重，泄洪渠不暢通；③白蟻危害嚴重；④輸水涵無啟閉機房，輸水涵管為塊石拱涵，經過多年運行，涵管管身老化出現滲漏；⑤無觀測設施；⑥無防汛倉庫。在長期的運行中大壩險情逐漸惡化，對其自身運行產生了嚴重隱患，為了更好地保護當地人民安全，必須要對其進行有效的除險加固處理。

2 除險加固設計

楊坪水庫設計正常蓄水位120.67m，正常庫容55萬m3，死水位111.21m，死庫容5.0萬m3。水庫設計灌溉面積700畝。該水庫為小(Ⅱ)型水庫，工程等別屬Ⅴ等工程，主要建筑物級別為5級，次要建筑物級別為5級；其設計洪水標準為20年一遇，校核洪水標準為200年一遇。消能防沖建筑物按10年一遇設計。水庫特征水位及相應庫容見表1。

表1 水庫特征水位及相應庫容表

2.1 擋水建筑物除險加固設計

2.1.1大壩存在的主要問題

(1)根據現場踏勘及管理人員介紹，楊坪水庫長期運行以來壩體、壩基滲漏嚴重，2015年除險加固大壩采用沖抓套井及帷幕灌漿防滲，處理了壩體及壩基滲漏，但效果不明顯，經過本次現場查勘發現，大壩壩肩及部分壩基依然出現滲漏情況，本次設計對壩體、壩肩進行防滲很有必要。

(2)下游壩坡未整修達標處理，且外坡排水溝不完整，水庫建成已運行多年，在雨水沖刷作用下，下游坡面淘刷嚴，壩下渠道局部開裂、老化。第三，大壩下游壩腳沒有設置反濾排水體，使排水不暢，效果差。

2.1.2壩頂改造設計

大壩壩頂為現狀為混凝土路面，寬5.0m，壩頂中部布置一盞防汛太陽能路燈。

2.1.3大壩防滲處理

據當年現場施工人員回憶，施工為民工大兵團包片作業，設備簡陋，大壩填筑用石夯和木夯夯砸壓實。由于采用大批民工作業，缺乏技術指導和施工管理，無法達到施工要求。壩體分層填筑時存在上部密實而下部疏松的問題，導致有水平滲水帶形成[2]。分段填筑上升速度存在差異，相鄰處存在漏壓、少壓問題，導致大壩存在散浸問題。投入使用后相繼存在不同險情，雖然對其進行修補和加固處理，但是其效果受到經費等方面的影響而不是十分理想，大壩運行安全存在嚴重問題。

(1)方案設計

根據大壩所存在的問題，對于其壩肩和壩身滲漏問題，再加上當年施工大壩填筑未壓實，碾壓質量不滿足規范要求，若采用高噴灌漿，對壩體擾動較大，而充填灌漿由于灌漿壓力較小，對壩體擾動亦較小，施工時有利于大壩穩定安全，因此本次除險加固施工采用充填灌漿技術。在大壩左右兩壩肩壩頂作壩體充填灌漿，右壩肩灌漿軸線長50m，左壩肩長45m，右壩肩長45m，總長90m，雙排布置，灌漿孔間排距3.0m，漿液采用水泥漿。

(2)灌漿材料與漿液控制

灌漿材料采用32.5普通硅酸鹽水泥，要求新鮮而無變質結塊現象。漿液采用水泥漿，水灰比1.2∶1～0.8∶1。通過漿液控制能夠保證漿液質量及其水灰比的合理性，減少使用中的冒漿量。對此，漿液水灰比要≤1∶1。在試驗中對工藝參數進行不斷調整，減少冒漿量。施工前進行現場配方試驗，保證漿液最優，提高施工質量。

2.1.4下游壩坡整修設計

大壩下游處坡面存在較多雜草，同時由于沒有設置排水體，導致浸潤線有所升高，土料逐漸發生軟化，在雨水的作用下發生一定沉降，坡面不平整，同時坡比標準性不足，需要進行除雜和平整處理。

(1)在下游進行坡面平整和雜草處理，厚度0.3m，完成修整后壩坡主要為3級，坡比分別為1∶2.75、1∶2.75、1∶2.75，平臺高程分別為116.74m、112.83m，第1級平臺寬2.5m，第2級平臺寬9.86m，設置內側排水溝。通過設置縱向和豎向的排水溝來防止壩坡在雨水沖刷的作用下而形成雨淋溝。沿著山體與壩坡交接處設置豎向排水溝，采用C20砼襯砌。拆除重建過壩渠道，采用三合土防滲。

(2)新建行人階梯，采用砼C20護砌厚200mm，斷面尺寸為b×h=150mm×300mm。

2.1.5排水棱體設計

由于下游處沒有社會排水棱體，無法進行順暢排水，造成了壩體浸潤線逐漸升高的問題。為了進行大壩的穩定滲流，根據其實際情況新建排水棱體，其頂部高程要比浸潤線高出一點，應使浸潤線在凍結深度以下，5級壩要大于1.5m。根據施工要求及現場觀測來確定頂部寬度，通常要大于1.0mm。最終確定排水棱體頂高程108.96m，底高程為106.96m；體頂寬為1.43m，選擇耐風化、質地堅硬的塊石進行砌筑。排水棱體與壩體之間設置反濾層，反濾層由兩層反濾料組成，選用耐風化的粗砂和碎石構成，每層粒徑隨滲流方向變大，第一層卵石反濾料厚度為200mm；第二層粗砂反濾料厚度為200mm。

2.2 溢洪道除險加固設計

2.2.1溢洪道加固改造設計方案

根據溢洪道存在的問題以及地質專業、水文專業和管理單位意見，經分析比較，本次設計將采用如下方法對其進行加固改造：①對溢洪道進行清淤；②新建消能設施，對泄洪渠進行襯砌。

2.2.2溢洪道結構布置

溢洪道由進口段、控制段、泄槽段、消力池組成，結構布置如下。

(1)進口段、控制段溢洪道堰型為開敞式溢洪道，堰頂高程為120.67m，進口段、控制段及泄流槽段為M7.5漿砌石護砌，現狀較好。從樁號0-020～0+000為進口段，長20m，凈寬2.0m，側墻為M7.5漿砌石擋墻，底板為C25砼襯砌；控制段從樁號0+000～0+005，長5m，凈寬2.0m，側墻為M7.5漿砌石擋墻，底板為C25砼襯砌，頂部高程為123.10m，其中，控制段上部現狀設有1座工作橋連接壩頂與村級公路。

(2)泄槽段控制段后接泄槽，泄槽段從樁號0+005～0+030，共長25m。凈寬2m，坡降i=0.067。橫斷面為梯形，底板為砼結構。兩側均為M7.5漿砌石擋土墻，現狀結構較好。

(3)永久縫、止水與排水設施泄槽橫向永久縫2條；縱向縫1條(在邊墻與底板交接處)，縫寬均為20mm。縱、橫向永久縫均設橡皮止水，縱、橫向永久縫處均設無砂管排水設施。

(4)消能防沖楊坪水庫溢洪道消能防沖設施采用10年一遇的洪水標準。設計采用底流消能出水條件較好。消力池樁號0+030～0+034，消力池池深0.5m，池長4.0m，底板C25鋼筋砼厚0.3m，側墻為M7.5漿砌石重力式擋土墻墻高1.4m。側墻、底板設排水孔，孔徑φ50mm。

(5)尾渠段尾渠段樁號0+034～0+090，底板C25砼厚0.3m，側墻為M7.5漿砌石重力式擋土墻墻高1.4～1.1m。

2.3 輸水建筑物除險加固設計

2.3.1輸水涵管存在的主要問題

根據安全鑒定資料、地勘資料、現場檢查資料并經復核驗算，輸水涵管存在的主要問題如下：輸水涵洞位于大壩右側壩體下部，為砌石拱涵，進口底板高程111.21m。輸水涵管經過多年運行，涵管管身老化出現滲漏，多次出現險情，且尺寸較小無法檢修，出口無消能設施；閘門及啟閉設施老化銹蝕嚴重，啟閉機啟動方式為人工啟閉，操作不便，涵管需全部翻建并更換閘門及啟閉設施[3]。

2.3.2設計方案擬定

為徹底消除輸水涵管存在的隱患，保障下游灌面供水，以及便于日后檢修，本次設計對原涵管、消力井、斜拉閘進行挖除，挖除后新建鋼筋混凝土箱涵、消力井、斜拉閘、消力池，新建啟閉機房，并按原設計參數要求恢復壩體[4]。

2.3.3加固方案設計

本次除險加固將涵管拆除，改建為鋼筋混凝土箱涵，根據地質土方開挖建議值，其兩邊開挖坡比均為1∶1。新建的箱涵設在原址，采用鋼筋砼箱涵，尺寸為0.8m×1.2m，厚0.3m，進口采用斜拉閘控制，5t手電兩用啟閉機；消力井采用C25鋼筋砼，消力井上游側設防空孔，孔徑0.4m；箱涵長65m，進口底板高程為110.90m，出口底板高程為110.90m。

3 水庫防滲加固中所用到的技術分析

3.1 高壓旋噴灌漿施工技術

高壓旋噴灌漿技術是一項常見的處理技術，在水庫除險加固施工中較為常見，有著較好的加固效果[5]。但是在實際應用中對于現場土質有著相對較高的要求。一些軟性地基會顯著加大該技術的應用難度，例如沙土、粘性土等等。高壓旋噴灌漿施工技術往往應用于工藝簡單、設備要求不高的工程當中，需要通過該技術的應用就能夠對水庫壩體的結構效果以及實際組成進行整體把握和控制，有利于保證施工作業的安全性和穩定性，同時有效提高水庫的強度[6]。

3.2 帷幕灌漿施工技術

相比于高壓旋噴技術，帷幕灌漿技術的工藝更為簡單，并且其施工成本較低，能夠在保證施工質量的基礎上降低所需成本，在水庫除險加固工程中采用該技術，借助壓送機械設備將漿液直接灌入到水庫底部，使其以自然方式進行凝結，從而對水庫起到加固作用。在壓送時，要根據水庫的實際情況來對漿液流量和流速進行有效控制，保證滲透效果和加固效果良好，滿足除險加固的需求[7]。

3.3 劈裂式灌漿加固技術

劈裂式灌漿加固往往應用于壩體質量較差的土壤中，通過有效的加固，水庫壩體整體強度顯著提高。為了保證該技術的應用效果，使其加固作用更為明顯，可以通過自動壓力形成黏土幕布，但是要保證壩體軸線方向準確。在形成壩體幕布時要注意重力承載能力，同時移動時檢測壩體密實度，保證其穩定性。

3.4 大壩防滲墻加固技術

在水庫現場，其地貌因素以及地質因素都可能會對大壩防滲墻加固施工產生直接影響。如要較好地應用大壩防滲墻加固施工，必須要綜合考慮到水庫地理位置的具體特點，同時照顧到周邊各種環境因素。同時，通過大壩防滲墻加固施工可以將壩體的不均勻沉降問題有效解決。在建立壩體過程中都是采用混凝土來進行防滲墻施工，在這過程中，需要在底部放置一定的基石，然后對壩體兩側進行處理，形成結構較好的防滲墻。同時由于壩體需要長時間使用，必須要保證其在均勻性、連續性和長久性方面的要求[8]。

4 結語

水庫的正常運行是關系民生的基礎保障，密切關系到人民自身利益，結合時代發展情況和水庫運行狀況，科學合理地分析水庫運行中的實際問題，重視施工管理，加強后期維修保養，使水庫發揮更大的經濟效益和社會效益，楊坪水庫項目完成后，渠道、大型建筑物及險工、隱患得以防滲、除險、加固，使干渠上跑水、漏水現象基本得到控制，因漏水、跑水灌道、建筑物附近的“冷浸田”及“泥腳田”得以改觀，恢復正常產量，避免減產，并改善生態環境。