中小型病險水庫加固設計研究

何維軍

（江西信江水利電力勘察設計有限公司,江西 上饒 334000）

1 工程概況

華興水庫興建于20 世紀70 年代,距今約有半個世紀,大壩在防滲上主要依靠粘土斜墻,壩體材料主要由砂礫料和壤土組成,壩頂高程、寬度分別為410.5 m和5.5 m,大壩長度為371 m,大壩的最高處高度為25.55 m,土石壩工程等級為3 級。開敞式溢洪道處于壩體左端,由山體開挖而成。輸水洞處于壩體左端為有壓隧洞,截面程圓形,內襯鋼筋混凝土；包含主動和發電支洞,前者長度131 m,后者長度19 m,合計全長150 m。

2 大壩滲漏原因分析

華興水庫大壩投入使用已近半個世紀,在對其安全評估過程中發現如下問題：

（1）依據地質勘察結果,左右兩側大壩端部的山體存在風化帶,在正常蓄水的條件下,存在水流繞滲的情況,需要采取相應對策進行防滲處理。

（2）上游壩坡干砌塊石多為片石,厚度較薄且石塊直徑較小；下游壩坡穩定性系數較小,未能達到允許值。

（3）大壩觀察設施缺乏,改造中應增加觀測設備的配置。

（4）設計洪水位標高程為408.406 m,但黏土斜墻的頂部標高是408.052 m,沒有達到規范要求。采用漿砌石修筑成的防浪墻,無法發揮擋水的能力。

大壩建設過程中,在修建壩體心墻時,對土料質量沒能采取有效控制措施,經勘察鉆孔分析,發現其填土多為砂礫、砂壤等松散粒料,結構的整體性較差,容易造成漏水情況。再加上大壩心墻高度較低,情況嚴重時可形成滲流通道。

因項目所處位置的地層中存在大量片麻巖層,在地質作用下受到了嚴重的風化,且在施工中沒有得到徹底的清除,造成壩基坐落在厚度超過2 m的風化層上。通過壓水試驗結果發現,項目所在位置巖體中風化后的透水率在8 Lu左右,而強風化巖體最大達到16 Lu。因大壩壩肩位置巖體裂隙發育明顯,其加固處理也愈發緊急。

3 大壩穩定分析

以大壩的最不利截面作為穩定性計算的斷面,滲透系數及土體容重以地勘報告為依據進行取值根據相關試驗獲取,在抗剪強度的取值上,以試驗取得的小值均值為準。土的飽和容重按照下式進行計算[1-3]：

式中：γsat和γ分別為土的飽和容重和天然容重；G為土粒重度；W為土的天然含水量；R為水的容重。表1是大壩土料的性能指標。

表1 華興水庫大壩土料性能指標

穩定性計算中假設壩體為混合式土石壩,采用瑞典圓弧法對壩坡的抗滑穩定安全系數進行計算。計算所得大壩在正常和非正常運行條件的邊坡穩定系數見表2。

表2 下游邊坡穩定系數計算結果

通過表2可以發現,下游邊坡的穩定系數要小于允許值,因此,土坡的穩定性不足,需要加固才能滿足使用要求。

4 大壩除險加固設計

4.1 大壩結構設計

不改變原有大壩壩頂的標高,其高程為410.5 m,拆除并重建防浪墻和斜墻,其頂端高程分別為411.5 m、408.6 m。加固設計中,將原有壩頂寬度進行拓展到5.5 m,壩頂道路的結構層自上而下為：7 cm瀝青面層、15 cm水穩碎石基層、20 cm砂石改良路床。防浪墻設計材料為一級鋼筋和C25 混凝土,底部寬度、頂部寬度和高度分別為1.8 m、0.45 m和2.9 m,考慮到防浪墻的長度比較大,設計中每隔20 m設置一道伸縮縫以避免溫差過大造成墻體開裂。圖1為防浪墻示意圖。

4.2 護坡設計

加固設計不改變上游堤壩邊坡的坡度,上游邊坡分為三級,自上而下的坡比分別為1∶2.5、1∶3和1∶2,在392.5 m和401.5 m的高程上分別設置寬度為1.5 m和3.5 m的戧臺。現狀在392.5 m高程以上采用砌塊護坡,具有片石多、厚度薄的缺陷,在雨水侵蝕和凍害作用下,護坡發生嚴重破壞。本次加固設計將在拆除原有392.5 m高程以上砌石后,按照原有坡度在下層鋪設10 cm碎石,上層鋪設30 cm砌石。

下游自上而下的坡比分別是 1∶1.8、1∶1.9和1∶2.5。壩坡穩定系數相對較小,沒能達到規范下限。本著合理利用資源的原則,護坡所用材料來自上游拆除下來塊料,將上部坡比1∶1.8、1∶1.9段改為 1∶2,并在高程400 m處設置馬道寬度2 m。拆卸塊石料敷設在下層邊坡,增加厚度為20 cm,并在400 m高程的位置新設寬度為2 m的戧臺。

4.3 土壩滲流計算

根據地勘報告資料,得到壩體壤土的滲透系數為1.499×10-5cm/ s,粘土的滲透系數為1.311×10-5cm/s,砂礫料的滲透系數較大,為2.012×10-4cm/s。滲透流量計算如下[4-6]：

式中：K0、K1分別表示壩基和壤土滲透系數；H1、H2分別表示壩體上、下游水的深度；Le表示截水墻頂板等效長度；T表示壩基透水層深度；ΔL表示浸潤線。

通過計算發現,在水位的高度為405.41 m的正常水位、408.43 m的設計水位、410. 23 m的校核水位下,其滲透流量分別為0.14 m3/d、0.2 m3/d和0.21 m3/d。

4.4 邊坡加固后穩定校核

采用瑞典圓弧法進行加固后的穩定性校核,計算公式如下：

式中：K表示穩定性系數；Ni表示滑動曲線上切線方向的分力；Ti表示滑動曲線上法線方向的分力；φ土體內摩擦角,計算取24°；c表示土的粘聚力,根據各土層特性參數取值；L表示滑動曲線的圓弧長度,取0.2 m。

采用瑞典圓弧法進行加固后的穩定性校核,計算所得穩定系數見表3,正常工況1/3水位下游坡邊坡穩定計算簡圖見圖2。可以發現,在任何工況下,最不利斷面的邊坡穩定系數均超過規范允許最小值,因此大壩在加固后的穩定性可以得到保障。

圖2 正常工況典型計算結果簡圖

表3 加固后的邊坡穩定校核計算結果

5 結論

通過對華興水庫大壩的穩定計算,發現了下游坡的不穩定邊坡。所以需要計算土壩的滲流情況,以研究對大壩的加固方案,確定了對上下游壩體護坡進行加固。經校核,加固后的壩體邊坡在不同工況下的穩定性都能得到保障。