西潭水庫大壩除險加固設(shè)計研究

劉文明

(南昌市中水科技發(fā)展有限公司，江西 南昌 330029)

1 大壩除險加固設(shè)計

1.1 頂部加固

大壩在實(shí)際運(yùn)行中需要壩頂做好排水工作，因此，在進(jìn)行壩頂除險加固時，為保證壩頂除險加固工作順利實(shí)施，需要重視排水設(shè)計工作，使得大壩能夠?qū)⒎e水有效的排出。在此過程中，需要保持壩頂和路面具有科學(xué)的傾斜角，坡度控制在3%左右為宜，能夠有效保證大壩排水順利的同時，承擔(dān)一部分交通運(yùn)輸工作。壩頂?shù)母叨仁潜ＷC大壩除險加固設(shè)計有效性的重要因素。大壩高度是影響攔截水位的主要指標(biāo)，更是提高大壩安全性的必要保證。因此，需要做好壩頂高度的合理判定，確保數(shù)據(jù)的精確度[1]。

1.2 放水洞與溢洪道加固

相關(guān)設(shè)計人員在進(jìn)行放水洞與溢洪道設(shè)計時，需要以除險加固補(bǔ)強(qiáng)為中心，對涵洞內(nèi)部進(jìn)行有效的修補(bǔ)。除此之外，需要在涵洞內(nèi)部及時加入PE管以及玻璃管等設(shè)施，從而有效提升放水洞的質(zhì)量。對于溢洪道除險加固技術(shù)來說，其施工重點(diǎn)在于合理控制段與泄槽段部位，做好整個壩體的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。在進(jìn)行壩坡抗滑性確認(rèn)時，首先需要對風(fēng)速進(jìn)行確認(rèn)，一般情況下的正常運(yùn)用條件風(fēng)速為13.28 m/s，而非運(yùn)用條件9.1 m/s。地震動反應(yīng)譜特征周期一般在0.3～0.5之間，加速度則小于0.03 g。正常情況下的風(fēng)浪浪高為0.35 h/m，非正常情況下的風(fēng)浪浪高為0.25 h/m。

1.3 輸水涵洞加固

輸水涵洞通常采取回填灌漿以及固結(jié)灌漿相結(jié)合的方式，但通常情況下，由于涵洞內(nèi)徑小于1.5 m，人工作業(yè)較為困難，且施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)入涵洞也較為困難時，為保證施工效果，需要引入輸水涵洞的設(shè)計方案。為保證施工效果，可將輸水涵洞放置在壩體的右岸，為提高壩體的安全性和穩(wěn)定性，無須將隧洞通過壩體，而直接采用在右側(cè)山體下新建的方式。隧洞進(jìn)口段有兩種方案，一種是在隧洞的進(jìn)口位置采取塔式進(jìn)水方案，另一種是在隧洞中設(shè)置檢修井的方式，能夠最大程度降低工作負(fù)荷，且施工方便、簡單[2]。

2 大壩除險加固技術(shù)應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 工程概況

以西潭水庫為例。該水庫主要是由大壩、泄洪灌溉閘共同組成。以灌溉為主，同時具有防洪和養(yǎng)殖等功能的水利工程。其中，大壩屬于均質(zhì)土壩，最高高度為8.1 m，頂壩高程在18.20～19.02 m，壩頂寬度在5.8 m左右，壩頂長度為457 m，壩體上游的坡度比例為1：2.01，上游并無護(hù)坡設(shè)施，下游的護(hù)坡比例為1：2.06，屬于雜草坡面。與此同時，在下游壩腳設(shè)置了相應(yīng)的貼坡排水設(shè)施，但由于風(fēng)化嚴(yán)重，因而反濾排水功能較差。泄洪灌溉管為現(xiàn)澆鋼筋混凝土平斜管結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為0.9 m，進(jìn)口的底板高程為12.57 m，出口的底板高程為13.14 m，全長41 m。通過斜管進(jìn)行取水，其孔徑在1.1 m×1.1 m，屬于結(jié)合泄洪方式。最高處的進(jìn)水口底高程為16.23 m，并未設(shè)置閘門，取水口使用木質(zhì)閘門擋水，由人工進(jìn)行控制。當(dāng)水庫的整體水位高于正常水位16.23 m時，從斜管流入到平管泄洪的位置上。當(dāng)前，該水壩工程面臨的問題主要包括：涵管出口位置長期有水流流出，導(dǎo)致沿管發(fā)生泄漏，閘身混凝土老化問題嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)骨料暴露問題，少部分混凝土破損嚴(yán)重。進(jìn)口木質(zhì)閘腐爛，無法進(jìn)行有效的啟閉，同時由于該項(xiàng)工作長期需要人工操作，因而存在一定的危險性。在大壩的壩底位置，還存在滲漏問題，壩體填筑土料為低液限黏土，壩體質(zhì)量基本滿足實(shí)際需要。當(dāng)前，壩體上游、下游都為雜草坡面，其中上游受到水體、風(fēng)浪的侵蝕較為嚴(yán)重，導(dǎo)致上游和下游壩坡出現(xiàn)凹凸不平等問題。通過實(shí)際調(diào)研與計算，得知該壩下游壩坡的滲透坡降計算值已超過允許滲透坡降最大值，加之缺少出口保護(hù)設(shè)施，因而容易在下游破壩出現(xiàn)損壞、滲漏等問題，對大壩安全造成不良影響[3]。

2.2 填筑土料質(zhì)量分析

依據(jù)實(shí)地勘察得出，西潭水庫的壩體填筑土由低液限黏土構(gòu)成。其中，礫石的含量在0～5.42%之間，平均值為1.35%，砂礫的含量數(shù)值變化在0.3%～25.8%之間，平均值為6.2%，粉粒的含量數(shù)值為21.23%～56.25%，平均值為43.26%。黏粒含量數(shù)值在24.32%～68.46%之間，平均值為51.23%。從中可以得出，顆粒含量數(shù)值變化幅度較大，且土料存在較為明顯的不一致性。同時，砂、礫的含量較低，粉粒含量較高。壩體填筑土顆粒組成如表1所示。

表1 壩體填筑土顆粒組成統(tǒng)計情況 %

2.3 大壩除險加固技術(shù)布置

2.3.1 壩頂設(shè)計

當(dāng)前，大壩的頂壩高程在18.20～19.02 m，壩頂寬度在5.8 m左右。通過實(shí)際測算得知，壩頂高程為18.35 m，因此，得出現(xiàn)有的大壩壩頂高程無法滿足實(shí)際需求，需要進(jìn)行科學(xué)的壩頂設(shè)計。在除險加固過程中，首先需要保證壩頂和路面的坡度控制在3%左右，一方面保證大壩排水順利，另一方面則能夠有效承擔(dān)部分交通運(yùn)輸工作。其次，將壩頂高程設(shè)置為19.21 m，壩頂長度為634 m。采用先平整后澆筑混凝土路面的方式進(jìn)行作業(yè)。最后，路面需要鋪設(shè)厚度為16 cm的碾壓混凝土基層后，鋪設(shè)厚度為22 cm的C30混凝土面板，將壩頂?shù)膶挾仍O(shè)置在4.5～5.5 m之間。在沿壩頂上游以均勻的方式設(shè)置防汛照明燈。

2.3.2 壩坡與護(hù)坡設(shè)計

為保證大壩的穩(wěn)定性，做好護(hù)坡工作尤為重要，涵洞能力的增強(qiáng)有助于險情處理和排水棱體的處理，提升泄洪洞的排水能力，達(dá)到大壩改造除險加固的目的。通過現(xiàn)場的實(shí)際勘察發(fā)現(xiàn)，大壩的上游并未設(shè)置護(hù)坡，因而受到風(fēng)浪影響較大，因此，本次工程中對上游進(jìn)行了相應(yīng)的護(hù)坡保護(hù)工作。其中，上游的壩坡比例為1∶2.3，能夠從壩腳位置保護(hù)到壩頂。對上游已經(jīng)塌陷、凹陷位置進(jìn)行合理修整后，采用鋪筑厚度為22 cm的砂墊層以及12 cm厚的C20混凝土預(yù)制塊進(jìn)行護(hù)坡工作。為保證居民的生活不受影響，選擇在上游位置設(shè)置兩個漿石臺階的方式，其中，漿砌石臺階的寬度為4.8 m，兩邊為0.4 m的C20混凝土緣石，坡度和坡面坡度相一致。

2.3.3 下游反濾排水設(shè)計

原有的大壩反濾排水設(shè)施功能不夠完備，因而無法滿足實(shí)際施工需求，依據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行貼坡反濾排水體的重新設(shè)計與建造，將貼坡反濾排水體長度設(shè)置為602 m，頂寬設(shè)置為1.2 m。依據(jù)滲流計算公式得出壩體浸潤線高出逸點(diǎn)高程，將貼坡反濾排水體的高程設(shè)置在14.2～15.0 m之間，坡度比例為1∶2.8。其中，反濾層主要由土工布和砂礫構(gòu)成，反濾層的第一層位置鋪設(shè)280 g/m2土工布反濾布，第二層位置為厚度15 cm的粗砂墊層，第三層為22 cm的厚卵石墊層，最后為干砌石體[4]。

2.3.4 護(hù)坡與壩面排水設(shè)計

由于現(xiàn)有的大壩下游坡面不夠平整，因此，在實(shí)際設(shè)計過程中需要將雜草鏟除干凈后再對下游壩坡進(jìn)行夯實(shí)和加固，加入適當(dāng)?shù)耐杆稀纹缕卤葹?∶2.8，在實(shí)際設(shè)計過程中，綜合考量壩坡坡面，當(dāng)平整坡面后，及時進(jìn)行鋪設(shè)相應(yīng)的網(wǎng)狀草皮用來護(hù)坡。其中，草皮的護(hù)坡范圍設(shè)置高于反濾排水體的整體高程。為避免發(fā)生下游壩坡雨水集中沖刷問題，依據(jù)相關(guān)政策要求，在大壩的下游進(jìn)行壩面縱橫排水溝的設(shè)置。其中，縱向的排水溝通常設(shè)置在馬道內(nèi)側(cè)，橫向排水溝則采用每間隔90 m設(shè)置一道的方式，總共設(shè)置了6道。排水溝的材料以M10水泥砂漿為主，橫向的排水溝斷面尺寸為0.3 m×0.4 m，縱向排水溝的斷面尺寸為0.3 m×0.5 m，而岸坡的排水溝斷面則為0.5 m×0.5 m。

2.4 泄洪灌溉涵除險加固設(shè)計

2.4.1 泄洪設(shè)施

泄洪灌溉管為鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，長度為40 m。依據(jù)本次除險加固設(shè)計，選擇豎井型式，依靠在庫區(qū)一面，其高程在15 m以上。合理控制段與泄槽段部位，做好整個壩體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。將閘門設(shè)置在豎井的前面，當(dāng)無須灌溉時，閘門可以在關(guān)閉的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)蓄水功能。當(dāng)水位高于正常水位時，可以從豎井位置流入，借助涵管完成下泄工作。通過測算，得出西潭水庫的入庫和出庫的數(shù)量變化公式(1)如下：

[(Q1+Q2)/2-(q1+q2)]×△t=V2-V1

(1)

式中：Q1和q1為初期入庫和出庫的流量；Q2和q2為末期入庫和出庫的流量；V1和V2為初期、末期的水庫總蓄水量。

2.4.2 除險加固

將原有的混凝土斜管拆除后將水渠清理干凈，為方便建立八字墻，需要對水渠盡可能擴(kuò)寬。開挖涵管以上的壩體，邊坡比例設(shè)置為1∶1.2，底寬設(shè)置為5.1 m，將進(jìn)水口的底高程設(shè)置為13.14 m，出水口的高程則設(shè)置為12.08 m，將原涵管拆除。進(jìn)口位置需要設(shè)置5 m長的M7.5漿砌石八字墻，利用重力式擋土的方式，將擋土墻的頂寬設(shè)置為0.3 m，采用迎水直上的方式，背水面坡度比例設(shè)置為1∶0.6，墻高設(shè)置在1.3～2.2 m左右。為提高水庫的管理效率，用閘門控制灌溉用水的方式，保證在泄洪時無須進(jìn)行閘門的控制。依據(jù)上述原則，八字墻建立完成后需要建立新的閘井，將擋水面積設(shè)置為1.3 m×1.1 m的鐵閘門。而閘井則采取豎井式，其高程需要高于15.23 m。豎井前面設(shè)置閘門，當(dāng)無須灌溉時，則可以將閘門關(guān)閉，水庫可以正常蓄水。在閘井的上方設(shè)置相應(yīng)的啟閉房，同時配備了兩用螺桿式的啟閉機(jī)。其中閘井的材料為C15混凝土，其防沖刷能力較強(qiáng)，啟閉平臺的材料也為C15混凝土，啟閉房以磚混合結(jié)構(gòu)為主。對混凝土涵管進(jìn)行重新澆筑，涵管的長度為40 m，進(jìn)口高程為13.12 m，出口高程為13.25 m，坡度設(shè)置為0.004，橫斷面尺寸為1.1 m×1.1 m，選擇的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級為C15。將涵管分為兩段進(jìn)行分別澆筑，在中間位置設(shè)置相應(yīng)的水環(huán)。對于八字墻和閘井來說，都需要做好土方回填工作，整個回填過程需要保證分層進(jìn)行碾壓。在出口位置需要設(shè)置長度為6.8 m的出水渠，以梯形為主，底板選用C15混凝土進(jìn)行襯護(hù)，襯砌厚度保持在0.25 m左右，邊坡比例設(shè)置為1∶1。

3 結(jié) 論

在實(shí)際的應(yīng)用中，受到時間、氣候條件以及其他因素的影響，使得大壩容易發(fā)生老化或失修問題，甚至發(fā)生泄漏，影響水庫的正常運(yùn)行。因此，為進(jìn)一步提高水庫運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要定期對大壩進(jìn)行檢查和維修，面對大壩除險的問題能夠及時采取除險加固技術(shù)予以解決，實(shí)現(xiàn)大壩的可持續(xù)發(fā)展。