小堰水庫均質土壩除險加固防滲處理與結構計算

葛 棟

（安徽新安江水利水電勘測設計有限公司，安徽 六安 237000）

0 引言

小堰水庫位于安徽省六安市姚李鎮長塔寺村，修建于20 世紀70 年代，大壩為均質土壩，壩長401 m，最大壩高4.3 m，壩頂高程45.66～46.05 m，壩頂寬度為2.2 m～6.3 m。迎水坡無護坡，坡比約為1∶1.5，背水坡無排水溝，坡比約為1∶2，均雜草叢生。水庫壩址以上流域面積7.09 km2，河道平均坡降2.2‰，流域平均寬度約1.444 km，水庫總庫容16.23 萬m3。水庫設計正常蓄水位43.50 m，10 a 一遇洪水設計，設計洪水位45.30 m，50 a 一遇洪水校核，校核洪水位45.75 m。水庫樞紐建筑物由主壩、放水涵（兼溢洪）等組成，為Ⅴ等小（2）型水庫。工程安全鑒定為三類壩，急需采取加高培厚等工程措施進行全面除險加固處理，以恢復水庫灌溉、防洪和養殖等功能。

1 工程地質條件

庫區屬丘陵低崗地貌，地面高程42.48～46.08 m，地形略有起伏，庫區岸坡一般較低矮，高2.0～4.0 m。庫區地表均被第四系地層所覆蓋，以全新統（Q4）粉質黏土地層為主，可塑，局部為硬塑狀，厚度大于5 m，不存在庫岸不穩定、庫區滲漏、浸沒、誘發地震等問題。大壩填筑土料來源主要為附近崗地山坡或農田，摻雜有耕植土，壩基土層為第四系全新統沖積粉質黏土層。地下水主要為孔隙水，孔隙潛水主要分布于壩身填土深部及淺部粉質黏土中，為區內主要含水層。工程區地震動峰值加速度值為0.05 g，相應地震基本烈度值為Ⅵ度。

2 壩體質量評價

采取小堰水庫壩體具有代表性的土樣做擊實試驗，其最大干密度γdmax=1.64 g/cm3。按照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189—2013）對壓實度不低于0.95 的要求，用平均最大干密度的0.95 即γ控=1.56 g/cm3，作為大壩壓實度評價合格的判斷標準。壩身填土干密度試驗共4 組，范圍值為1.52～1.53 g/cm3，其中低于γ控值的有4組，占總數的100%。壩體的黏粒含量為21.0%～22.9%，塑性指數IP=12.9～13.7，根據《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》（SLT 251—2015）的規定，壩體填筑材料基本符合規程要求，平均干密度1.53 g/cm3，大壩壓實度合格率為0%。大壩壩體填筑土地層為素填土，滲透系數為3.00×10-4cm/s，屬中等透水層，壩體存在局部滲漏。壩基土體滲透性主要為弱透水，滲透系數為1.54×10-5～3.12×10-5cm/s，平均值為2.88×10-5cm/s，在允許值3.50×10-5cm/s 以內，產生滲透變形破壞可能性較小，壩基滲漏及壩體穩定安全性問題較小。

經試驗分析，壩體現存壩高不滿足防洪要求、局部壩體滲漏、壩坡沖蝕破壞、泄水閘過流能力不足等病險，需采取壩體加高培厚、壩坡穩定加固和壩坡防侵蝕加固等措施，全面消除水庫安全隱患［1-2］，保護和改善區域防洪安全，促進農村經濟發展，增加農民收入。

3 水庫大壩防滲補強加固處理

3.1 大壩加高培厚

小堰水庫正常蓄水位45.30 m，設計洪水位45.30 m，校核洪水位45.75 m。多年平均最大風速12 m/s，水庫計算吹程D=110 m。根據規范SL 189—2013，得出壩頂超高計算結果，如表1所示。

由表1 計算結果可知，小堰水庫壩頂高程由設計洪水工況控制，設計壩頂高程應不低于46.30 m。小堰水庫現狀壩頂高程45.66～46.05 m，部分壩段不滿足防洪要求，設計壩頂高程統一加高培厚至46.30 m。

表1 壩頂超高計算成果

3.2 大壩橫斷面加固

大壩填筑標準低，經過多年運行，壩坡沖蝕嚴重，不規整，坡度較陡，不滿足規范要求［3-4］。根據規范SL 189—2013，統一加高培厚至46.30 m高程，5 m 寬度；將上下游壩坡比加高培厚至1∶2.5；小堰水庫大壩為5 級建筑物，大壩加高培厚填筑土的壓實度應不低于95%。大壩加高培厚后的標準橫斷面，如圖1所示。

圖1 大壩標準橫斷面

3.3 壩體防滲加固

3.3.1 防滲加固方案比選。目前，中、小型土石壩垂直防滲加固方法較多，主要包括：黏土斜墻（心墻）、水泥土防滲墻、混凝土截滲齒坎、垂直鋪塑等。根據小堰水庫大壩的特點和各種防滲措施的適用范圍，設計優選黏土鋪蓋和高噴灌漿截滲齒坎兩種方案進行技術經濟比選。

方案一：黏土鋪蓋結合截滲齒坎。在水庫迎水側回填黏土鋪蓋，并在壩腳新建C20 混凝土截滲齒坎，形成一個封閉的整體，從而起到截滲的作用。

方案二：高噴灌漿截滲齒坎。在壩身上連續鉆洞，并由高壓氣流（或液流）切削土體并將水泥粉或水泥漿液與鉆孔周圍土體進行充分攪拌，形成水泥土墻，從而起到截滲的作用。要求成墻厚度不小于30 cm，墻體滲透系數低于1×10-6cm/s。

兩種方案比選結果，如表2所示。

從表2 比選結果可知，方案一投資明顯比方案二少，且方案二施工質量控制難度大，故設計優選黏土鋪蓋結合截滲齒坎方案作為大壩壩體防滲加固方案。

表2 大壩防滲加固方案比選結果

3.3.2 大壩加固后滲流分析。大壩壩身素填土以粉質黏土為主，滲透變形類型為流土，安全系數為2.0，允許水力比降0.48。根據大壩的險情狀況，選擇樁號0+245.0 m 斷面，應用平面有限元計算程序計算上游正常蓄水位（45.30 m）與下游不利水位（無水）、上游設計洪水位（45.30 m）與相應下游水位（無水）、上游校核洪水位（45.75 m）與相應下游水位（無水）的穩定滲流場和水位由正常蓄水位降至死水位（45.30 m 降至43.50 m，24 h），降落時的非穩定滲流場。大壩加固后滲流結果，如表3所示。

從表3 分析結果可知，大壩加固后下游坡出逸坡降值均能滿足規范要求。這主要得益于壩體主體采用滲透系數較低的黏土，加固后大壩滲透穩定安全可靠。

表3 大壩加固后滲流分析結果

3.3.3 大壩加固后壩坡穩定分析。根據工程地質勘探資料，壩身、壩基土的力學指標，如表4所示。

表4 壩體和壩基土壤分層力學計算指標

壩坡穩定性分析選擇正常蓄水位（45.30 m）、設計洪水位（45.30 m）、校核洪水位（45.75 m）、水位降落期（校核洪水位降落至死水位）（45.30 m 降至43.50 m）和施工期（40.00 m），下游水位均為0 m 的5種工況來驗算大壩的壩坡穩定性。壩坡穩定性分析結果，如表5所示。

從表5分析結果可知，0+245.0 m斷面在各工況下的壩坡穩定安全系數均滿足規范要求，大壩加固后抗滑穩定滿足要求，大壩壩坡整體安全穩定。

表5 壩坡穩定分析結果

3.4 泄洪建筑物除險加固

3.4.1 泄洪建筑物布置。新建泄水閘設4 孔，寬頂堰孔口，孔凈寬3.0 m×4，閘門尺寸為3.0 m×2.5 m，堰頂高程43.50 m，閘頂高程46.30 m，采用手電兩用固定螺桿式啟閉機，啟閉機平臺高程49.10 m。閘室段設交通橋與壩頂同寬，橋板為30 cm厚鋼筋混凝土板，兩側設護欄。上游連接段鋪蓋長度4.5 m，鋪蓋厚度0.4 m，兩側為C20混凝土擋土墻。下游連接段消力池長度17.50 m，護坦高程41.00 m，池深0.7 m，兩側為C20混凝土擋土墻。

新建溢流堰設計為單孔5.0 m 開敞式結構，堰頂高程45.30 m。進口段總長2.43 m，寬6.30 m，兩側設C20 混凝土擋土墻，底部采用C20 混凝土護底；溢流堰為寬頂堰結構，凈寬5.00 m，長5.00 m，兩側設C20 混凝土擋土墻，底部采用C25 鋼筋混凝土護底；頂部設交通橋，橋板為30 cm厚鋼筋混凝土板，兩側設護欄；泄槽段總長度13.20 m，底寬5.00 m，矩形斷面，兩側為C20 混凝土擋土墻，底部為C25鋼筋混凝土護砌；下游設消力池，消力池長10.9 m，寬5.0 m，矩形斷面，兩側為C20 混凝土擋土墻，底部為C25鋼筋混凝土護坦。

3.4.2 泄洪能力復核。小堰水庫新建泄水閘為寬頂堰形式，按《溢洪道設計規范》（SL 253—2018）進行分析，如式（1）。

式中：Q為流量，m3/s；m為二元水流寬頂堰流量系數；ε為側收縮系數；B為溢流堰總凈寬，m，B=12 m；H0為堰上總水頭。按式（1）計算得小堰水庫水閘泄流能力分析結果，如表6所示。

表6 水閘泄流能力復核結果

從表6 可知，設計洪水位和校核洪水位時，水閘可下泄流量Q分別為63.20 m3/s 和84.54 m3/s，均大于規劃流量30.18 m3/s 和64.71 m3/s，水閘泄洪能力滿足設計要求。

3.4.3 消能防沖分析。小堰水庫新建泄水閘屬于5 級建筑物，采用設計標準為10 a 一遇洪水，其相應的消力池計算深度為0.65 m，消力池長度為15.97 m。為確保水閘泄洪安全，取消力池深度為0.70 m，池長17.5 m，海漫長度15.0 m，消力池末端設拋石防沖。

4 結語

小堰水庫是一座以灌溉為主，結合防洪、養殖等功能的小（2）型水庫。因受當時建設技術標準低、投資資金少等因素的影響，水庫現存填筑土密實度低、壩體局部滲漏、泄水閘過流能力不足等問題。采取合理的加高培厚、黏土鋪蓋結合截滲齒坎防滲、泄水閘拆除重建等除險加固工程措施進行修復處理后，壩體填筑土密實度、壩坡穩定性和泄水閘結構應力等均得到極大改善，防滲加固修復和生態效果良好，水庫大壩病險問題得到合理處理。