福山源水庫漿砌石重力壩加固設計

徐 晶

(撫州市水電勘測設計院， 江西 撫州 344000)

1 工程概況

福山源水庫位于撫州市黎川縣東南方向社蘋鄉，距社蘋鄉政府所在地2 km，距縣城約20 km。坐落在撫河水系黎灘河支流社蘋河上，壩址以上控制流域面積10.9 km2，水庫總庫容274萬m3，設計灌溉面積333.3 hm2，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發電等綜合利用的小(1)型水庫。

樞紐工程主要建筑物有大壩、灌溉放空隧洞、壩內發電引水管等。其中大壩為砌石重力壩，由溢流壩段和非溢流壩段組成，大壩總長70.0 m。

溢流壩段布置在河床中部，為漿砌石重力壩，最大壩高24.8 m，堰頂高程為114.4 m。溢流壩段頂部凈寬30 m，底部凈寬25 m。溢流壩采用壩頂無閘控開敞式自由泄流，溢流堰為實用堰，堰頂上游為1∶0.37斜坡，下游為克奧曲線。克奧曲線與直線段相切，直線段坡比為1∶1。溢洪道出口為連續式挑流消能，挑射角θ=31.7°，反弧半徑R=3.14 m。溢流堰頂至鼻坎高差為11.3 m, 鼻坎高程為103.1 m。溢流壩及非溢流壩設導水墻。

非溢流壩布置在左、右岸，與岸坡相接，非溢流壩總長40.0 m，左岸非溢流壩長8.5 m，右岸非溢流壩長31.5 m(其中漿砌石重力壩長14.0 m，土壩長17.5 m)，壩頂高程118.4 m，壩頂寬3.5 m，最大壩高19.8 m。上游坡比1∶0.34，下游坡比1∶0.6。

根據大壩現場安全檢查和各項復核、分析評價及安全鑒定結論，大壩存在以下問題：大壩上游面混凝土護岸與壩體混凝土防滲面板接觸部位防滲面板局部破裂，局部存在滲漏通道；帷幕灌漿質量較差，左、右岸壩肩存在滲漏通道。

2 大壩加固處理

2.1 大壩加固設計內容

大壩加固設計主要內容為：對大壩壩基進行帷幕灌漿處理；對溢流壩段壩體進行補強灌漿處理；溢流堰面新增C25混凝土溢流堰面；拆除重建左岸非溢流壩體8.5 m，并向左側延伸，新建左岸非溢流壩體12.5 m，拆除重建右岸非溢流壩體31.5 m，加固后左右岸非溢流壩總長為52.5 m，壩頂寬4.0 m；對大壩上游兩側山體采用C20混凝土擋墻分級進行防護。

2.2 大壩防滲加固處理

2.2.1 壩基(肩)防滲處理

根據野外鉆探情況，ZK4鉆探至孔深5.4 m時，鉆孔無返水；鉆探至孔深5.7～9.1 m時，出現掉鉆。初步判斷為左壩肩存在繞壩滲漏通道，在滲流作用下全風化巖層中的土狀、砂狀顆粒物被帶走、流失形成空洞所致。右壩肩ZK1鉆探至孔深10.0～11.8 m時，ZK2鉆探至孔深14.2～14.8 m時，鉆進速度快，初步判斷為巖層破碎所致。

從工程整體安全考慮，本次除險加固設計需挖出兩壩肩上部全-強風化層，重建壩體，并對下部進行帷幕灌漿處理[1]。

帷幕灌漿采用單排孔布置，分三序施工，終孔間距3 m，總布孔40孔；帷幕灌漿應深入相對不透水層5 m以下，灌漿水泥標號為R32.5級普通硅酸水泥，灌漿孔孔斜率不大于3%，灌漿后巖體的單位吸水率q≤5 Lu。

2.2.2 大壩壩體處理

大壩為漿砌石重力壩，采用混凝土防滲面板進行防滲，2021年5月26日福山源水庫大壩右岸下游側發現漏水點。初步分析為混凝土防滲面板局部破裂，壩體砌筑質量差，局部存在滲漏通道，是出現漏水的主要原因，為確保大壩運行安全，有必要對大壩防滲進行處理。

根據野外鉆探情況，ZK4鉆探至孔深5.40 m時，鉆孔無返水；鉆探至孔深5.7～9.1 m時，出現掉鉆。初步判斷為左壩肩存在繞壩滲漏通道，在滲流作用下全風化巖層中的土狀、砂狀顆粒物被帶走、流失形成空洞所致。右壩肩ZK2鉆孔上部為人工填土，深度為5.1 m，ZK1鉆探至孔深10.0～11.8 m時，ZK2鉆探至孔深14.2～14.8 m時，鉆進速度快，初步判斷為巖層破碎所致。

設計拆除重建左岸非溢流壩體8.5 m，并向左側延伸，新建左岸非溢流壩體12.5 m；拆除重建右岸非溢流壩體31.5 m，其中加固后左岸非溢流壩段長21.0 m，右岸非溢流壩段長31.5 m，非溢流壩段總長52.5 m。

加固后非溢流壩段壩基采用C20混凝土襯砌，坐落在弱風化層，并采用固結灌漿進行處理，灌漿孔間排距3 m，孔深6 m。上游壩面采用C25混凝土防滲面板，面板厚50～82 cm。下游壩面采用M10漿砌C15混凝土預制塊。壩頂設鍍鋅銅欄桿。

2.3 大壩補強灌漿處理

大壩由非溢流壩段和溢流壩段組成，2021年5月，大壩出現險情，為了大壩的安全，設計主要考慮增壩體加自重及降低揚壓力的辦法對大壩抗滑穩定進行加固處理，初擬定兩種處理方案進行比較。

2.3.1 大壩抗滑穩定加固方案比選

方案一：對大壩進行拆除重建，使其容重達到設計值，并加厚壩體，使其能滿足抗滑穩定要求。

方案二：對壩體進行補強灌漿，使其容重加大，提高壩體密實性與完整性。

經過對加固方案進行比較，方案一相當于拆除現有大壩進行重建，耗資巨大，且施工期較長，施工相對較困難；方案二對壩體進行補強灌漿，工程投資少，進度快，施工簡單。故本次推薦采用方案二。

2.3.2 大壩補強灌漿加固設計

本次大壩除險加固，對壩體進行補強灌漿[2-3]，使其容重增加，提高壩體密實性與完整性。

壩體補強灌漿平行壩軸線布置4排孔，各排鉆孔錯開呈梅花型布置，兩排孔布置于溢流壩堰頂，兩排孔布置于挑流鼻坎處，施工時先拆除砌體表面形成一平臺后再進行灌漿，各排灌漿孔錯開成梅花布置，分一序、二序進行分序灌漿，兩序灌漿結束后再到中間打孔進行檢測，直至壩體灌漿充實為止。灌漿材料為水泥砂漿，灌漿壓力應根據實驗確定，一般不得小于0.2 MPa。

2.4 溢流壩段溢流堰改造

溢流壩段設在大壩中間，長30 m，為壩頂開敞式溢流，原設計為WES型堰面，本次加固在挑流鼻坎處進行壩體補強灌漿，故將挑流鼻坎反弧段進行拆除，清理出臺階式灌漿平臺，灌漿后需恢復挑流鼻坎反弧段?；謴秃蟮难唧w采用C25混凝土，與灌漿平臺結合。挑流鼻坎反弧半徑R=7.4 m，反弧底高程104.2 m，挑射角θ=21.30°，挑流鼻坎頂坎高程104.7 m，加高C25混凝土導墻頂高程為107.6 m。

由于原挑流鼻坎底部現狀為巖石，經過多年溢流時對壩腳的沖刷，在壩腳位置已形成沖坑，設計對大壩壩下沖坑采用C25混凝土襯砌，襯砌頂高程93.8 m，外坡為1∶2。

2.5 非溢流壩段改造

根據地質勘察報告描述，左壩肩全～弱風化上部基巖，具中等透水性，弱風化下部及以下基巖裂隙不發育，巖體較完整, 具弱透水性；右壩肩全～弱風化上部基巖，具中等透水性，弱風化下部及以下基巖裂隙不發育，巖體較完整, 具弱透水性。

故設計將非溢流壩段漿砌塊石壩體及上部土層均挖除，拆除重建左岸非溢流壩體8.5 m，并向左側延伸，新建左岸非溢流壩體12.5 m；拆除重建右岸非溢流壩體31.5 m，其中加固后左岸非溢流壩段長21.0 m，右岸非溢流壩段長31.5 m，非溢流壩段總長52.5 m。

加固后非溢流壩段壩體為C20混凝土結構，壩頂寬4 m，兩側設鍍鋅銅欄桿，上游設C25混凝土防滲面板，面板厚50～82 cm，坡比為1∶0.37，下游設C15預制塊鑲面，坡比為1∶0.65，壩基采用C20混凝土襯砌，坐落在弱風化層，并采用固結灌漿進行處理，灌漿孔間排距3 m，孔深6 m。

重建非溢流壩時，在壩體埋設預制無砂混凝土排水管，排水管孔距3.0 m，排距3.5 m。

2.6 大壩上游兩側山體加固處理

大壩右側護岸處頂部局部沉陷；大壩右側護岸下部漿砌擋墻局部塊石松動掉塊，局部墻頂壓頂凸起、開裂。

由于設計加固對左右岸非溢流壩段進行拆除重建處理，且左右岸護岸也出現險情，故設計將上游兩側山體護岸進行加固處理。

左岸現狀護岸進行拆除重建處理，采用C20混凝土重力式擋墻對岸坡進行分級防護，共分四級防護，擋墻頂寬1.0 m，高4.5 m，內坡為1∶0.2，外坡為1∶0.4，基礎深0.7 m，下設0.1 m 厚C15混凝土墊層。

右岸現狀護岸質量較好，本次僅對右岸護岸底部及新建灌漿平臺破壞部分就行修復，采用C20混凝土重力式擋墻進行加固，擋墻頂寬1.0 m，高4.5 m，內坡為1∶0.2，外坡為1∶0.4，基礎深0.7 m，下設0.1 m厚C15混凝土墊層。

3 大壩加固后安全復核

3.1 大壩滲流評價

溢流壩段現狀已有防滲面板且質量較好，非溢流壩段新建防滲面板，并使防滲面板混凝土抗滲標號達到W6以上，真正起到防滲面板防滲效果，對壩體補強灌漿，增加了壩體密實性，同時采用帷幕灌漿對壩基及壩肩滲漏進行處理。因此，通過本次加固設計，基本上解決了大壩的滲漏隱患。

3.2 溢流壩結構安全復核

通過對溢流壩進行加固，溢流壩抗滑穩定得以很大改善，新增防滲面板、壩體補強灌漿、增重了壩體容重，計算大壩抗穩定時，通過對壩體補強灌漿，增大了壩體容重。計算結果如表1、表2。

表1 溢流壩段抗滑穩定計算成果

表2 溢流壩壩基面應力計算結果

從表1、表2可知：加固后溢流壩壩體截面在各種工況下均能滿足抗滑穩定要求，加固后溢流壩段均為壓應力，最大值為411.08 kPa，小于壩體及基巖容許承力，滿足要求。

3.3 非溢流壩結構安全復核

通過對非溢流壩進行拆除重建，重建后非溢流壩采用C20混凝土壩體，新增防滲面板、壩基進行帷幕及固結灌漿，加固后壩體容重取2.4 t/m3。計算結果見表3、表4。

表3 非溢流壩段抗滑穩定計算成果

表4 非溢流壩壩基面應力計算結果

從表3、表4可知：加固后非溢流壩壩體截面在各種工況下均能滿足抗滑穩定要求，加固后非溢流壩段均為壓應力，最大值為466.06 kPa，小于壩體及基巖容許承力，滿足要求。

3.4 消能防沖復核

溢流壩段下游為連續式挑流鼻坎消能，挑流鼻坎反弧半徑R=7.40 m，反弧底高程104.20 m，挑射角θ=21.30°，坎頂高程104.70 m，下游河床高程93.30 m。

本次復核分別計算200 a一遇、30 a一遇及20 a一遇洪水時消能防沖，復核計算采用《混凝土重力壩設計規范》(SL 319—2018)挑流消能公式：

(1)挑流水舌外緣挑距可按式(1)計算：

(1)

式中：L為水舌拋距，m；g為重力加速度，m/s2；v1為坎頂水面流速，m/s；可按鼻坎處平均流速v的1.1倍計，即v1=1.1v;θ為鼻坎挑角，(°)；h1為坎頂垂直方向水深，m，h1=hcosθ(h為坎頂平均水深)；h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差，m。

(2)最大沖坑水墊厚度按式(2)：

tk=kq0.5H0.25

(2)

式中：tk為最大沖坑處水墊厚度，m；q為單寬流量，m3/(s·m)；H為上下游水位差，m；k為沖坑系數，取1.0。

表5 挑流消能計算成果

4 結 語

根據福山源水庫漿砌石重力壩存在的險情，選擇大壩加固設計方案，并對加固后的大壩滲流、穩定、應力，以及消能防沖進行了復核計算，計算結果均滿足相關規范規定。本文總結了一套漿砌石重力壩除險加固的設計思路和方法，對同類地區具有一定借鑒意義。