芻議大石洞水庫病險及其加固處理設(shè)計

趙 靜，鄭培溪

(1.新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責(zé)任公司云南分院，云南 昆明 650217；2.云南魯布革顧問有限公司，云南 昆明 650051)

1 概述

我國西南地區(qū)中小型病險水庫大多為土石壩，這些水庫多數(shù)建設(shè)于二十世紀五六十年代，未進行地質(zhì)勘探，采取邊設(shè)計、邊施工，導(dǎo)致水庫建成初期即存在不少問題[1]，后期因缺乏有效管理和年久失修，以致病險較為嚴重。

1998年以來，國家和地方水利部門多次規(guī)劃的病險水庫除險加固項目逾萬座，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。但部分水庫在除險加固設(shè)計前地質(zhì)勘探不到位、現(xiàn)場調(diào)查不仔細，未查清病險，尤其是壩基地質(zhì)和滲漏情況，以致防滲設(shè)計方案不科學(xué)、不合理，沒有針對性，處理后滲漏量未減少或者減少不明顯，部分工程滲漏量反而增加，未達到防滲處理目的，后期不得不再次處理，造成了不必要的資金浪費。因此，采用科學(xué)手段查明病險，針對性的除險加固設(shè)計，是確保水庫加固處理取得預(yù)期效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

大石洞水庫位于云南省楚雄州，為均質(zhì)土壩，最大壩高19.4 m，總庫容12.9萬m3，是一座以灌溉供水為主，兼顧防洪的小(2)型水庫，始建于1958年。工程區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.45 s，相應(yīng)地震基本烈度為7度。由于工程施工質(zhì)量和運行管理等原因，壩體、壩基、右壩肩滲漏嚴重，輸、泄水建筑物結(jié)構(gòu)損壞嚴重，已帶病運行逾60 a，經(jīng)本次加固處理后運行正常。本文擬對其工程病險勘察及加固處理方案進行分析與探討，以期為類似工程設(shè)計提供有益的啟示。

2 現(xiàn)場勘察工作簡述

大石洞水庫由于歷史的原因，前期勘察設(shè)計、施工和運行管理等資料缺失。本次為查清水庫大壩存在的病險，主要采用以下方式：

1)現(xiàn)場查看、量測。地質(zhì)勘察和水工技術(shù)人員實地查看水庫和壩址岸坡、壩頂、壩坡、溢洪道、輸水涵洞等，并用皮尺量測溢洪道、輸水底涵等關(guān)鍵水工建筑物尺寸。同時，安排身形偏瘦人員從輸水底涵出口進入查看洞身及涵洞進口現(xiàn)狀，但因輸水底涵洞身尺寸僅0.55 m×0.75 m，長約78 m，為安全計，技術(shù)人員未到達進口閘門處。

2)詢問調(diào)查。勘察設(shè)計人員向當(dāng)?shù)卮迕窈痛逦瘯畮旃芾砣藛T了解水庫建成時間、歷史運行情況、歷次除險加固處理情況、目前存在的病險、庫區(qū)有無泉水補給、對本次加固處理的要求、建議或意見等。大壩左壩肩存在已被封堵的二涵及具體位置等重要信息即為當(dāng)?shù)卮迕窀嬷?/p>

3)工程測繪、地質(zhì)鉆探及試驗。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查掌握情況，經(jīng)地質(zhì)和水工等有關(guān)負責(zé)人研究，在大壩左壩肩、河床中部和右壩肩沿軸線布置3個鉆孔，間距20 m～30 m，并進行平、剖面地質(zhì)測繪，鉆孔原位標(biāo)貫、壓(注)水測試，巖土、庫水和鉆孔水取樣及試驗等工作。同時，進行區(qū)域地質(zhì)復(fù)核，實測庫區(qū)及水下1∶1 000地形圖、樞紐區(qū)1∶500地形圖。

3 工程主要病險分析

根據(jù)現(xiàn)場檢查、工程測繪、水文復(fù)核計算，以及地質(zhì)鉆孔勘察資料等，基本查明了工程存在的主要病險：

1)大壩壩頂為土質(zhì)路面，高低不平、寬窄不一，高程2 110.0 m～2 112.0 m，寬度3.6 m～5.8 m，壩軸線長約93.0 m。上、下游壩坡凹凸不平，平均坡比分別為1∶2.5，1∶1.7，上游壩坡無護坡，下游壩坡無排水棱體和排水溝。

2)壩土為含礫粉質(zhì)黏土，為人工夯壓，碾壓質(zhì)量較差，密實度具明顯的差異性，壩土平均天然干密度1.49 g/cm3，室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗最大干密度1.70 g/cm3，壓實度87.13%，不滿足規(guī)范[2]大于95%的規(guī)定。其中含12%～20%的強風(fēng)化砂巖角礫，粒徑一般為0.3 cm～2.0 cm，局部可見水蝕裂縫。壩土鉆孔注水試驗滲透系數(shù)介于8.8×10-4cm/s～8.6×10-3cm/s，平均3.4×10-3cm/s，不滿足規(guī)范小于1.0×10-4cm/s的要求。壩體中下部可見明顯滲漏。

下伏基巖為白堊系上統(tǒng)馬頭山組(K2m)砂巖夾泥巖。左岸巖層產(chǎn)狀110°∠18°，右岸巖層產(chǎn)狀307°∠29°，整座水庫大體處于一個緩傾角向斜內(nèi)，巖層走向與溝谷近于平行。庫區(qū)和壩址區(qū)未見斷層、軟弱破碎帶，層間擠壓錯動較少，但節(jié)理裂隙發(fā)育，上部全～強風(fēng)化基巖透水率q介于8 Lu～31 Lu之間，屬中等～弱透水。

由此可見，壩基上部覆蓋層未完全清除，也未采取防滲處理措施。這也是壩基及右壩肩滲漏嚴重的主要原因。

4)水文復(fù)核和調(diào)洪演算結(jié)果表明，在設(shè)計洪水(20 a一遇)時，復(fù)核壩頂高程(2 113.45 m)比現(xiàn)狀壩頂高程(2 111.00 m)高2.45 m；在校核洪水(200 a一遇)時，復(fù)核壩頂高程(2 114.10 m)比現(xiàn)狀壩頂高程(2 111.00 m)高3.10 m。即大壩高程不夠，不能滿足防洪要求。

5)溢洪道位于左壩肩，為運行期間開挖的臨時土渠，全長41 m，局部已坍塌，出口被沖毀，且無消力池。控制段為底寬0.6 m、頂寬1.2 m、平均深1.1 m的梯形斷面。最大泄流量2.48 m3/s，遠小于設(shè)計、校核水位時的泄流量12.6 m3/s，16.7 m3/s，已基本不具備泄洪能力。

6)輸水底涵位于大壩中間，為漿砌石無壓涵洞，洞身尺寸0.55 m×0.75 m，全長78 m，進口安裝φ300 mm轉(zhuǎn)蓋閘，轉(zhuǎn)蓋閘銹蝕厚度3 mm～4 mm，關(guān)閉不嚴，存在漏水現(xiàn)象，采用鋼繩及簡易啟閉絞架啟閉，無啟閉機房。洞身滲漏嚴重，部分漿砌石砂漿開裂。另外，左壩肩還有一條已被封堵的二涵，由于年代久遠加上封堵不嚴，出口可見漏水。

7)大壩未設(shè)安全監(jiān)測設(shè)施，無庫水位、壩體變形、滲流等監(jiān)測資料。

8)防汛搶險道路長5 km，為不規(guī)則泥路，凹凸不平，工程搶險車輛難以通行，且無水庫管理房，不利于水庫運行管理和防汛搶險。

4 除險加固工程設(shè)計

4.1 大壩

4.1.1 滲透穩(wěn)定分析

采用“理正滲流有限元計算軟件”，按有限透水地基上的均質(zhì)土壩分區(qū)計算壩體壩基滲流量和浸潤線，并選用地質(zhì)及水文成果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。計算時假定：1)計算剖面為具代表性的最大壩高剖面[3]，并適當(dāng)簡化；2)計算深度同防滲處理深度；3)校核水位和正常水位時，下游無水。計算結(jié)果見表1。

表1 壩體滲流計算結(jié)果

計算成果表明：加固后，各種計算工況下大壩的滲透坡降均小于允許滲透坡降0.63，大壩局部滲流穩(wěn)定，不會發(fā)生滲透破壞；滲流量與加固前相比有較大減少。

4.1.2 大壩防滲處理設(shè)計

壩土平均滲透系數(shù)3.4×10-3cm/s，壩基砂礫石黏土、壩肩含碎屑粉質(zhì)黏土及強風(fēng)化砂巖夾泥巖透水率介于17.61 Lu～77.91 Lu，均為中等透水，壩體、壩基及右壩肩滲漏嚴重。結(jié)合工程實際、建筑材料與施工條件等，選定“壩體充填灌漿+壩基、右壩肩帷幕灌漿”作為防滲處理方案，同孔充填、帷幕灌漿。

鉆孔孔口高程為現(xiàn)壩頂及壩肩山體表面，灌漿上限為正常水位及輸水涵洞開挖線高程。

灌漿軸線為壩軸線，在壩頂布置一排灌漿孔，孔距2.0 m。采用單排孔直線布置，同次序等孔距形式，同次序孔中間等距插孔作為下一次序孔，終孔孔距2 m。其中，新建輸水涵洞段加強壩體夯實，不做灌漿處理。

灌漿前進行生產(chǎn)性灌漿試驗，以驗證設(shè)計灌漿壓力、水灰比、材料耗量及施工工藝，同時，在鉆孔過程中應(yīng)記錄分析掉鉆、涌砂等異常情況[4]，相應(yīng)調(diào)整有關(guān)灌漿參數(shù)、完善施工工藝。

4.1.3 壩坡穩(wěn)定復(fù)核

1)計算剖面、參數(shù)選取及壩體分區(qū)。選定最大壩高剖面進行穩(wěn)定分析，與滲流分析剖面一致。選用(巖)土體物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值作為計算參數(shù)，并根據(jù)筑壩土料的物理力學(xué)指標(biāo)分區(qū)，對壩坡邊界條件適當(dāng)簡化。典型分區(qū)見圖1。

2)計算方法和程序。根據(jù)規(guī)范，按有效應(yīng)力法計算；地震作用力按GB 51247—2018水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定處理。滑弧土體的地震荷載按擬靜力法考慮，在土條上直接作用地震慣性力，且只考慮順河流方向的地震作用。計算采用理正軟件、計及條間作用力的簡化畢肖普法，有關(guān)計算公式如下:

3)成果分析。由表2可知，加固前、后大壩壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，但加固前下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在“正常水位和正常水位+7度地震”工況下，富裕度較小，加固后，各工況下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均相應(yīng)提高。

表2 加固前、后大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

4.1.4 壩坡加固設(shè)計

1)上游壩坡。保留原馬道，馬道以上坡比1∶2.4，以下坡比1∶2.3。清除表層土后，鋪設(shè)10 cm厚的碎石砂墊層，再鋪設(shè)10 cm厚的C20矩形預(yù)制混凝土塊和現(xiàn)澆混凝土護坡，在死水位附近設(shè)置蹬腳，新設(shè)下庫梯步。

2)下游壩坡。清除表層土，按坡比1∶1.8進行風(fēng)化土料培厚，框格梁草皮護坡。理論和實踐已表明，排水體與反濾層結(jié)合布置，可有效控制滲流，并防止防滲體滲透破壞[5]。據(jù)此，新建排水棱體，頂寬1.0 m，底部設(shè)2層反濾料，分別為20 cm厚、0.1 mm～20 mm級配良好粗砂墊層和20 cm厚、1 mm～60 mm級配良好砂礫墊層。同時，在岸坡和新建排水棱體頂部分別設(shè)30 cm×30 cm，60 cm×60 cm的M7.5漿砌塊石排水溝。

3)壩頂。壩頂兼具鄉(xiāng)村道路的功能。加固方案為：清除表層土，整平至平均壩頂高程2 111.0 m，鋪設(shè)20 cm厚泥結(jié)石路面。上游側(cè)設(shè)0.8 m高防浪墻、采用“L”形結(jié)構(gòu)，下游側(cè)設(shè)20 cm×40 cm的路緣石，且壩頂設(shè)2%橫坡、傾向下游。加固后壩頂寬3.0 m，高程2 111.2 m，防浪墻頂高程2 112.0 m。

4.2 溢洪道

根據(jù)云水資財[2011]188號文，原則上不允許改變壩頂高程來滿足防洪要求，且溢洪道應(yīng)以原位改造、修復(fù)為主。但根據(jù)現(xiàn)場地形、地質(zhì)情況，已不具備相應(yīng)條件。因此，綜合比選后，采用回填原土渠溢洪道，在左岸新建溢洪道的方案。新建溢洪道全長64.18 m，為滿足防洪要求且減小寬度，控制段采用流量系數(shù)較高的駝峰堰，底寬5.0 m，高2.82 m，出口流入山崖，由進口段、控制段、泄槽段組成。布置如下：

進口段長10.0 m，底寬8.0 m～5.0 m，為喇叭口形狀。底板、邊墻為0.3 m厚C25鋼筋混凝土，邊墻設(shè)φ50 mm排水孔，間距3.0 m。

控制段長3.2 m，底寬5.0 m，底板高程2 109.18 m，堰頂高程2 109.60 m。底板為駝峰堰型C25鋼筋混凝土；邊墻為0.4 m厚C25鋼筋混凝土，與防浪墻頂?shù)雀摺?/p>

泄槽段包括漸變段、直線段和擴散段，全長50.98 m。三段底寬分別為5.0 m～3.5 m，3.5 m，3.5 m～5.9 m，底坡分別為0.10，0.22～0.08，0.08。底板、邊墻均為0.3 m厚C25鋼筋混凝土，左邊墻(靠山側(cè))設(shè)φ50 mm排水孔，間距3.0 m。

因泄槽擴散段后為天然基巖陡坡，抗沖刷能力強，消能效果好，因此，不設(shè)消力池。

邊墻穩(wěn)定復(fù)核結(jié)果表明，進口段、控制段、泄槽段邊墻抗滑穩(wěn)定系數(shù)介于1.49～1.73，抗傾穩(wěn)定系數(shù)介于1.87～2.21。滿足規(guī)范要求。

4.3 輸水涵洞

原輸水底涵為漿砌石無壓涵洞，僅0.55 m×0.75 m，洞身滲漏嚴重，部分漿砌石砂漿開裂，地基為全～強風(fēng)化砂巖夾泥巖，屬中等～弱透水，存在接觸沖刷滲透變形破壞的隱患，已不具備原位加固的條件。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比選，在左岸或右岸山體新建輸水隧洞，造價均較高，因此選用如下處理方案：拆除原輸水底涵，在原址明挖新建輸水涵洞及啟閉塔架。開挖時按1∶1坡比挖至高程2 102.70 m，設(shè)臨時1 m馬道平臺，后按1∶0.75坡比開挖至涵洞頂部起拱部位，最后垂直開挖至底板處；出水明渠段接至原灌溉渠道。另外，挖除漏水的二涵并回填。整個新建輸水涵洞由攔沙井、閘室段、洞身段及出口明渠組成。根據(jù)灌溉等要求，輸水涵洞設(shè)計最大過流量為6.50 m3/s。

攔沙井為3.5 m×2.2 m矩形斷面，C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

攔沙井后接塔架式閘室，閘室順流向長4.0 m，內(nèi)設(shè)0.8 m×0.8 m平板鑄鐵閘門。塔架啟閉層頂與防浪墻頂?shù)雀撸⒃O(shè)走廊及工作橋。

洞身段為1.2 m×1.8 m城門洞型，長74.5 m，底坡為0.03，采用30 cm厚C25鋼筋混凝土襯砌。在涵洞頂部1 m以內(nèi)人工回填夯實，以上機械碾壓回填。在進口及出口15 m范圍內(nèi)布置鋼支撐。

出口明渠段為1.20 m×1.45 m的矩形斷面，長4.0 m，采用0.3 m厚 C25鋼筋混凝土襯砌，接入原灌溉渠道。

4.4 安全監(jiān)測設(shè)計

土石壩應(yīng)設(shè)置必要的監(jiān)測設(shè)施及項目。安全監(jiān)測數(shù)據(jù)對于及時掌握和評判大壩運行性態(tài)，不可或缺。對于小型土石壩而言，一般主要設(shè)置壩面水平位移和垂直位移、滲流量以及水位觀測項目。

據(jù)此，設(shè)計在壩頂和下游壩坡平行壩軸線方向布設(shè)兩條測線，共5個觀測墩(壩頂3個、下游壩坡2個)，進行壩面水平和垂直位移觀測，工作、校核基點分別布置在左、右岸壩肩堅實基礎(chǔ)上。同時，在排水棱體下游排水溝出口設(shè)1座三角形量水堰，觀測壩體壩基滲流量，在上游壩坡、河床最大壩高剖面布置1組水位尺觀測庫水位。

4.5 其他

改造、擴寬防汛搶險道路，確保搶險車輛能正常通行；在大壩右岸新建管理房。

5 結(jié)語

對于小型病險水庫除險加固工程而言，雖然投資少、技術(shù)難度相對簡單，但前期勘測工作仍尤為關(guān)鍵，認真進行現(xiàn)場調(diào)查和測量，并適當(dāng)布設(shè)少量地質(zhì)鉆孔，盡可能全面客觀的查清病險，有利于除險加固工程設(shè)計和保證處理效果，必須引起重視。

大石洞水庫樞紐建筑物病險較多，且個別病險具有一定復(fù)雜性，除險加固設(shè)計方案充分考慮了地質(zhì)、地形條件和政策規(guī)定，并結(jié)合工程投資控制確定。同時，溢洪道采用駝峰堰，輸水涵洞在壩體上開挖深度約16 m，對施工質(zhì)量要求較高，實施過程中選擇了有相應(yīng)能力和經(jīng)驗的施工單位，并加強過程管控。

水庫除險加固處理后，已安全運行2 a多，經(jīng)受了汛期考驗，運行狀況良好，達到了預(yù)期效果。相應(yīng)除險加固設(shè)計方案可供類似工程借鑒參考。