水庫大壩除險加固設計要點探析
——以豐城市三門坑水庫為例

朱非建

(豐城市豐東水資源開發利用中心，江西 豐城 331106)

1 除險加固工程施工條件

1.1 工程概況

項目名稱為豐城市三門坑水庫大壩除險加固設計工程，地處豐城市橋東鎮東岸村，屬贛江一級支流清豐山溪富水。水庫壩址以上控制流域面積23.3 km2，水庫總庫容4469萬m3，水庫設計聯合灌溉面積0.33萬hm2。該水庫是一座以灌溉為主，兼有防洪、養殖等綜合效益的中型水庫。自1958年投入運行以來多次出現險情，嚴重影響水庫正常運行，因此水庫急需進行除險加固。除險加固后該樞紐工程的主要建筑物有大壩、非常溢洪道、引流渠和輸水建筑物及灌溉渠首等。本加固工程共分大壩加固、新建左岸隧洞和輸水涵管封堵、引流渠加固、灌溉渠首加固五個部分。

1.2 施工特點

本大壩除險加固工程施工特點如下：(1)水庫為0.15萬hm2農田灌溉水源，加固施工會對農田供水產生影響，為了降低影響，加固工程需要在供水較少的月份進行施工，并在第二天雨季來臨之前完成水庫蓄水。(2)項目施工較多，需要多工種交叉作業，施工時存在一定的干擾，且施工受環境與水位的影響，有必要做好施工管理與組織設計，提前安排施工導流，優化施工工序，按照施工計劃與氣象預報進行計劃調整。(3)本工程為水庫大壩加固工程，施工布置期間需要綜合利用路網與場地設施，盡可能地減少臨時費用支出。

1.3 地質與水文條件

水庫大壩左岸巖石主要為強風化變質巖，由于巖層屬于反坡向的結構形式，有利于大壩邊坡穩定。大壩右岸邊坡為強風化變質粉砂巖，屬于順坡向，坡角測量之后在27°左右，但是順坡向巖層視傾角大于坡腳，在80°左右。近年來水庫運行期間未出現崩塌現象，整體水文地質條件簡單，地下水多為松散巖層孔隙潛水，庫水和地下水不會對混凝土結構產生腐蝕影響。

水庫壩址位于亞熱帶季風氣候區域，全年氣候較溫和，降水量較大，光照充足，年降水量平均在1630 mm左右，但是各季節降水分配不夠均勻，4—7月為汛期，降水量在全年降水中占比51.4%。該區域平均氣溫可以達到17.8 ℃，相對濕度79%。水庫所在河流是一條雨洪式河流，洪水的產生主要與夏季暴雨有關，從4月開始為洪水期，至8月左右結束，洪峰集中在5—6月。

2 大壩滲流復核及主要問題分析

2.1 大壩滲流復核

為了保證大壩運行安全，尋找影響大壩安全的因素，根據大壩現場勘查情況對其進行滲流情況復核，找出其中問題。在計算斷面時，選擇樁號0+055.4斷面和0+105.4斷面展開分析，前者斷面壩高較大，處于老河床的位置，后者位于大壩中部位置，存在貼坡排水塌陷問題，位于險情位置，大壩下游處存在貼坡排水情況。確定大壩滲透指標時，基于地質勘察報告與大壩質量檢查結果，得出大壩滲透系數情況，具體如表1所示。

表1 大壩滲透系數分區指標

大壩土體在固結狀態時，水頭函數與拉普拉斯方程式相符合，具體如式(1)：

(1)

式中：?2為拉普拉斯算子；h為水頭邊界高度，m；z為坐標位置高程,m；x為方程未知數。

該滲流理論計算以《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)為參考依據，適合用于飽和土和不規則邊界滲流場，旨在解決堤壩滲流問題。

穩定滲流計算時，按照復核結果，水庫正常蓄水位在46.64 m左右，50 a和1000 a一遇的水庫設計洪水位與校核洪水位分別為47.32 m和48.08 m，取排水溝水位為本次計算標準。由于大壩下游坡腳位置存在貼坡排水現象，沒有分級反濾料的情況，存在局部損壞現象，且孔隙被淤泥堵住，無法達到良好的反濾效果，下游壩坡設計可以按照無排水情況進行設計，壩體浸潤線容易在壩坡的位置出逸，所以壩坡出逸的臨界滲透坡降計算公式(2)如下：

(2)

式中：γ′為土體浮容重；γ為水容重；C為土體黏聚力；φ為內摩擦角，(°)；β為浸潤線出滲坡面與水平面夾角，(°)。經過計算后得出以下計算結果：Jc=1.81，J允=Jc/3.5，J允取0.51。根據不同工況得出各個計算斷面滲透坡降實際滲流情況，如表2所示。

表2 各計算斷面滲透坡降計算值及滲流量

檢查時發現水庫的水位只有0.5 m，樁號0+170～0+222的下游壩腳位置有滲漏帶，這與水庫修建時上游黏土覆蓋層被挖除有關，下層強風化巖透水性較大，上下游之間形成了一條滲漏通道，導致此處存在較多滲漏點。本次除險加固工程設計重點就是防滲處理[1]。

2.2 大壩現存問題

結合現場情況排查與地質勘察，得知當前大壩工程主要存在以下幾方面問題：(1)大壩滲漏現象嚴重，其中樁號0+047～0+114壩段下游壩腳共有7處較大且集中滲漏點，樁號0+170～0+222壩腳存在滲漏帶。當水庫水位達到45.14 m的時候，樁號0+028位置40.0 m高程處有一集中滲水點。(2)水庫大壩混凝土護坡工程施工質量不理想，護坡表面存在嚴重的剝蝕現象，局部已經被掏空。下游貼坡排水體局部有淤堵現象和塌陷問題。(3)輸水涵管出口閘房側踏步的位置有明顯的斷裂現象。

3 除險加固設計要點

3.1 大壩加固設計

大壩加固包含以下施工要點：(1)土方開挖，計劃采用人工與反鏟相互配合的方式進行土方削坡，人工完成薄層壩段，反鏟開發厚層壩段，最后再人工進行修正。料場填筑土方開挖計劃采用74 kW推土，配1 m3反鏟挖土，需要依靠5T自卸汽車及0.5 m3機動翻斗車運至工作面。(2)土方回填，旨在平整壩坡。填筑過程中，按照設計斷面進行放樣，清除表層石渣和雜草等雜物，經過刨毛和灑水處理后使新舊土料緊密結合，最后再填入新土，厚度不宜超過30 cm，針對大面積填土需人工與推土機相互配合進行，要求壩身壓實度在0.96以上，含水率偏差不能超過3%[2]。(3)拋石護坡與混凝土澆筑。將原護坡塊石料拆除，其他料運輸到現場，人工拋石與船拋方式相結合，要求拋石粒徑、拋石位置以及高程必須滿足工程加固設計要求。混凝土澆筑時，粗細骨料外場購入，提前平整并夯實坡面，采用自下而上的砌筑方式，現場拌制混凝土，機械振搗，對庫水位之下的混凝土結構表面采取瀝青防水層。

3.2 大壩防滲處理設計

大壩填土主要為黏土，碾壓不夠密實且滲透系數較大，無法滿足加固設計要求。工程有必要對壩體、壩基、壩肩部位做出防滲處理，采用垂直防滲或者斜墻防滲施工方案，結合大壩地形與填土土質特點，考慮各方影響因素，最終擬定了兩種防滲方案，具體如表3：(1)方案1為壩體混凝土防滲墻方案，全長239.0 m，墻頂自48.58 m起，軸線位于壩軸線下游0.95 m，墻厚0.4 m。(2)方案2為壩體上游側填筑黏土斜墻方案，計劃在斜墻底部開挖一3.0 m寬的截水槽，槽底部至基巖，上下游開挖邊坡為1∶1.5，貫穿整個壩腳。表3為兩種方案對比情況。

表3 兩方案工程量及造價比較

經過對比得知，方案2施工后需要增加 32.33萬元的施工成本，且水庫蓄水多年，具體斜墻施工時將無法保證施工質量。相比之下方案1可以有效處理最低水位之下的區域，防滲性能高，且經濟性較好，成本較低[3]。

在混凝土大壩防滲處理過程中，防滲處理措施也能起到壩體加固的作用，需根據滲透區域做出造槽施工，同時清孔換漿。在孔槽內澆筑混凝土，使混凝土與壩體相融合，同時達到防滲與加固的效果。在孔槽設置方面，建議將孔槽泥漿控制在導墻頂部50 cm左右的位置，將偏差保持在3 cm之內。完成清孔操作之后，要求孔內泥漿厚度在10 cm以下，4 h內完成泥漿混合施工。

3.3 下游護坡及壩面排水設計

經過調查分析發現，大壩下游部位，壩坡的草皮護坡已經滿是雜草，且排水溝出現了不同程度的破損。原計劃清除草皮，重新鋪設草皮，強化草皮的護坡效果。為了避免雨水沖刷使下游成為雨淋溝，依據施工規范需求，縱向排水溝應在排水反濾體當面布置，橫向排水溝相隔100 m需要設置一道。貼坡外坡腳設置集水溝，邊墻采用M7.5漿砌塊石砌筑，表面3 cm水泥砂漿抹面，縱向排水溝斷面0.4 m×0.4 m，岸坡排水溝斷面0.45 m×0.45 m，壩下游排水溝斷面0.5 m×0.5 m。

3.4 壩頂及上游護坡加固設計

依據工程壩頂高程的復核情況，本次加固施工設計無須設置防浪墻，但是水庫壩頂已經出現了沉陷的情況，且已經建設的防浪墻存在局部傾斜與開裂的問題，為了保證整體美觀性與安全性，工程決定將出現拉裂傾斜問題的防浪墻拆除重新建設[4]。墻高為1 m，頂部與底部寬為0.5 m和1.5 m，水泥漿砌石后在墻頂部位澆筑混凝土完成壓頂，要求混凝土厚度在0.15 m左右。水庫大壩壩頂路面應鋪設0.25 m泥結石路面。對于上游大壩的護坡加固設計，將局部干砌石護坡拆除，同時按照護坡原有規模重新建設，恢復0.3 m干砌石，護坡下鋪設350 mm碎石墊層與砂墊層。為了保證施工安全，計劃在施工處安裝監控系統，詳情如表4所示。

表4 三門坑水庫大壩安全監測系統匯總

4 結 論

通過對豐城市三門坑水庫除險加固工程的研究與分析，了解工程所在區域的地質條件與水文條件，經過氣候環境研究提出水庫除險加固工程設計方案。工程完成之后，能夠恢復下游水田灌溉的基本功能，解決以往水庫的病險問題，使水庫可以正常防洪防汛和農業灌溉，促進當地水利事業與農業事業的發展。