牌坊塢水庫大壩除險加固設計研究

馬 立，趙心宇，伍美華

（杭州水利水電勘測設計院有限公司，浙江 杭州 311200）

我國現有的小型農田水利基礎設施，經過幾十年的運行使用，普遍存在運行效率低、安全難達標等問題[1，2]。為確保此類水利設施的利用效益最大化、排除潛在的安全隱患，必須對其進行除險加固改造升級[3，4]。

牌坊塢水庫經過48 a 的運行，已成為亟待治理的病險水庫。通過系統排查，目前該水庫大壩存在較多安全隱患，包括壩體填土壓實度較差、壩體及壩基滲透性不達標、壩體結構穩定性不滿足要求、附屬設施老化或缺失等問題。為保證該水庫大壩的安全運行和功能高效發揮，對現存安全隱患進行了針對性除險加固設計及處理，并同步開展工程質量與運行管理評價、防洪標準復核、水庫大壩結構安全計算等系統性的水庫大壩安全評價工作。

1 工程概況

牌坊塢水庫是一座以灌溉為主的?。?）型水利工程，灌溉面積213.33 hm2。水庫位于臨安區太陽鎮登村，壩址以上主源長3.12 km，集雨面積2.98 km2，總庫容24.3 萬m3，正常庫容19.8 萬m3。樞紐由攔河壩、溢洪道、輸水建筑物等組成。攔河壩為黏土心墻土壩，壩高20 m，壩頂寬4.7～5.7 m，壩軸線長約50 m，壩頂高程287.65～287.85 m。水庫大壩典型橫剖面，如圖1所示。

圖1 水庫大壩典型橫剖面

2 工程地質條件及評價

2.1 基本工程地質條件

牌坊塢水庫位于天目山脈，所在流域地勢總體為西北高、東南低，微向東南傾斜。地貌形態是以凝灰巖為主的低山、高丘地貌。庫壩區出露地層較單一，主要為侏羅系上統勞村組凝灰巖和第四系松散堆積物。場地地質構造以褶皺為主，無較大的斷層通過。物理地質現象以小型土質滑坡為主，未發現其他不良地質現象。測區內未發現較大斷層分布。

壩址區地下水以孔隙潛水和基巖裂隙水為主，孔隙潛水分布于覆蓋層內，基巖裂隙水分布于基巖表層或節理裂隙帶內，壩基基巖上部透水率較小，多為弱透水性。河床及兩壩肩弱風化基巖為弱透水性。

根據調查分析，壩殼填土由基巖上層殘積含礫黏土與表層全風化、強風化層與開挖料填筑而成，稍密。含礫量一般50.0%～60.0%，個別達70%，含砂量20%～30%，黏粒含量10%～20%，根據現場探坑注水試驗，滲透系數為4.80×10-3cm/s，屬強透水。

心墻填土為粉質黏土，多呈硬可塑狀態，局部含礫，礫徑0.2～2.0 cm，含礫量一般在10.0%～20.0%，含水量一般在26.8%～38.5%。土的分散度3.3%～6.1%，為非分散性土。

2.2 壩區工程地質評價

工程區區域構造穩定，地震動峰加速度小于0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，相應地震基本烈度為Ⅵ度，根據《水工建筑物抗震設計規范》[5]可不進行抗震計算。

壩體經工程地質鉆探和注水試驗揭露，心墻填土以粉質黏土為主，局部含礫，平均滲透系數K=8.72×10-5cm/s，滲透系數大值平均值K=2.24×10-4cm/s，建議滲透系數K=2.24×10-4cm/s，為弱—中等透水性。滲透性不滿足規范要求。大壩壓實度＞0.96 的比例僅為30%，壓實度＜0.90 的比例高達20%，填土壓實度較差，碾壓填筑質量不能滿足現行規范的要求。

根據鉆孔注水試驗，壩基強風化基巖為中等透水性，弱風化凝灰巖基巖面以下為弱透水性，壩基滲透性不滿足規范要求。

3 壩體主要工程問題及除險加固措施

3.1 主要工程問題

牌坊塢水庫運行以來已經歷多次洪水考驗，在灌溉、防洪等方面發揮了較大的經濟和社會效益。由于水庫大壩運行時間較長，并缺乏必要的管理設施，大壩及其附屬設施存在較多問題，主體工程存在嚴重安全問題。

經現場檢查，大壩壩腳存在滲漏現象；大壩迎水坡坡面高低起伏，凹凸不平，塊石護砌不完整，存在較為嚴重的風化、損壞情況；背水坡不平整，右壩坡堆有松散塊石，壩腳為干砌石擋墻。溢洪道左岸漿砌塊石邊墻老化，灌木雜草叢生；右側天然山體邊坡無護砌，局部塊石風化坍塌，出現懸空面。溢洪道漿砌石底板老化破碎，出現滲漏情況。溢流堰體混凝土已老化破碎，右端出現滲漏情況；壩下放水設施為漿砌石方涵與素混凝土圓涵組合涵管，年久失修，存在斷裂隱患，危及大壩安全。放水涵管進口采用啟閉機控制，啟閉設施銹蝕，拉桿上螺絲銹蝕脫落。啟閉機房較為狹小、破舊，無法滿足水庫日常管理運用需要；大壩未設置必要的沉降、滲流等安全監測設施；水庫運行近40 a 來基本未進行過清淤治理。另外，經復核計算大壩滲漏安全不滿足要求，大壩結構安全不符合規范要求。除險加固前的水庫大壩，如圖2所示。

圖2 除險加固前的水庫大壩

總體上，目前水庫大壩存在的主要問題包括：大壩滲漏不滿足規范要求，壩腳存在少量滲漏現象，大壩穩定性不滿足規范要求，無必要的大壩監測設施等。這些不但嚴重影響了水庫綜合效益的正常發揮，而且還會對下游人民的生命財產安全造成威脅。

3.2 除險加固措施

為滿足工程安全要求，同時考慮經濟合理性，將壩頂寬度設置為6 m，壩頂平整后高程為287.80 m，壩長50 m，壩頂寬6 m，采用厚8 cm 瀝青路面，下部為水泥穩定碎石層，厚20 cm。大壩無防浪墻，上游側設不銹鋼欄桿，除險加固后的大壩橫剖面如圖3 所示。上游壩坡現有塊石清除，整個坡面整平至1∶3.0，為方塊石護坡，方塊石規格為30 cm×30 cm×20 cm，下部為15 cm 厚的碎石墊層，為減少土方開挖，在壩坡高程285.20 m 處設置3 m 寬馬道，在壩踵處新建M10 漿砌塊石齒墻，壩坡與山體接觸部位新建M10漿砌塊石界墻。下游壩坡夯實后整平至1∶2.0，在高程279.80 m 處設置1 條2.0 m 寬的馬道，將下游壩坡分為2 級，在壩趾處新建排水棱體、壩坡與山坡交接處設岸坡排水溝。下游壩坡采用草皮護坡，下部鋪30 cm 厚的種植土。為了便于運行管理，下游壩坡新建1 道1.5 m寬的C20混凝土踏步。

圖3 水庫大壩除險加固設計橫剖面

重建溢洪道進口段及漸變段的兩側導墻及底板，泄槽段左岸導墻。進口段側堰堰體拆除重建，基礎開挖至弱風化基巖。為減少堰體開挖，底板采用“L”形C20 混凝土結構，齒墻深1 m，底板厚0.3 m。堰體為C25 混凝土溢流堰，長20 m，寬1.5 m。側槽首端底高程283.5 m，寬2.0 m；末端底高程283.10 m，寬6.85 m。溢洪道平直段長6 m，寬6.5～6.0 m，左側為C25 混凝土截滲墻，右側為C20 混凝土護坡。泄槽段長52 m，左岸為M10漿砌石擋墻，擋墻高2.0 m；右側為C20 混凝土護坡，底板坡度根據現狀坡度清除表面風化塊石，樁號Y0+024—Y0+043 段底板采用C20混凝土襯砌、厚20 cm，樁號Y0+043—Y0+076段清除表面風化塊石、不襯砌。泄槽段末端連接3 m長平直段，寬4.2 m，防止底部淘刷。新開1 條林道作為上壩道路，道路寬3.0 m、長626 m。

水庫大壩最大高度為20.0 m，目前的虹吸及開挖埋管均不合理，采用非開挖定向鉆孔布置放水涵管。灌溉放水涵管的管徑可減小為300 mm，管道供水規模為700 m3/d，取水管管徑為200 mm，將放水涵管與取水管一并布置在非開挖定向鉆孔孔徑為700 mm 涵洞內。涵管進口高程為268.10 m，出口高程為265.00 m。涵管出口設出水池，底板高程264.70 m。

水庫金屬結構主要有啟閉機、進水口攔污柵、閘閥等。經計算，開啟力P0=5.91 t，閉合力Pw=4.72 t，考慮安全余量，本工程采用啟閉力為10 t 的手動啟閉機，啟閉機拉桿采用φ60 圓鋼拉桿。攔污柵位于進水池上端，尺寸為0.88 m×1.2 m，以30 mm×3 mm 的扁鋼焊接而成，鋼筋間距55.6 mm，表面采用防銹蝕處理措施。涵洞孔徑為0.3 m，進口設直徑40 cm 的平板插門。

另外，進行水庫清淤也十分必要?？紤]到牌坊塢水庫庫區較大，清淤位置可偏向水庫飲用水取水口。

牌坊塢水庫滲漏很小，滲流量基本穩定，且大壩壩體心墻很寬，故不對大壩壩體做防滲加固。水庫壩基上部強風化基巖為中等透水性，下部弱風化凝灰巖基巖面以下為弱透水性，因此對壩基滲漏采用帷幕灌漿處理，在原壩頂軸線位置處布置單排灌漿孔，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三序進行鉆孔灌漿，終孔距為2.0 m，孔深深入巖基相對隔水層（透水率≤10 Lu）以下5 m。

4 壩體抗滑穩定復核

4.1 巖土體參數及計算模型

大壩主要建筑物級別為5 級，為心墻壩，可使用理正軟件采用瑞典圓弧法開展穩定性計算分析[6]。各土層材料的物理力學參數，詳見表1。

表1 大壩各分區土體的物理力學指標

模型計算范圍上表面取至壩頂，壩基的深度及向上、下游延伸長度各取1.0 倍壩高，大壩穩定計算斷面如圖4所示。

圖4 大壩穩定計算斷面

4.2 壩體抗滑穩定計算成果

大壩壩坡穩定分析應分別計算上、下游壩坡在穩定滲流期以及庫水位降落期的抗滑穩定性。各工況下大壩壩坡抗滑穩定計算成果，詳見表2。

表2 各工況下壩坡穩定分析成果

正常蓄水工況下壩坡的穩定性特征，如圖5 所示。根據計算結果，除險加固后的大壩在各運行工況下的抗滑穩定安全系數均可滿足規范要求。

圖5 正常蓄水工況下壩坡穩定性特征

5 結論

牌坊塢水庫建造年代較早，受當時條件限制，目前存在嚴重的安全問題，主要包括大壩防洪安全不達標、壩基滲漏問題較突出及壩體穩定性偏低等，嚴重影響了水庫的正常運行。通過開展系統性的除險加固設計及處理，該水庫大壩穩定性可滿足規范規程要求，保證了整個小型水利設施的安全運行及功能高效發揮。相關設計經驗可為同類工程提供一定的借鑒。