那吉佛仔逕水庫除險加固設計分析

范啟儉

(江門市科禹水利規劃設計咨詢有限公司， 廣東 江門 529000)

1 工程概況

佛仔逕水庫位于恩平市西南部那吉鎮那西村委會，距那吉鎮約6.9 km，距恩平中心城區約22 km。水庫壩址以上集雨面積4.63 km2，安全鑒定最大庫容464萬m3，灌溉面積333.33 hm2，保護人口6026人，壩后電站為一級電站，位于主壩左岸背水坡腳，設計年發電量22 kW時，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發電、養殖等綜合利用的小(1)型水庫。屬于Ⅳ等工程，主要建筑物級別為4級，次要建筑物、臨時建筑物級別為5級。設計洪水標準為30 a一遇，校核洪水標準為500 a一遇。經調洪演算，正常蓄水位196.00 m，相應庫容368萬m3；設計洪水位196.42 m(p=3.33%)，相應庫容392萬m3；校核洪水位197.62 m(p=0.2%)，相應庫容為464萬m3，死水位176.70 m，相應庫容為3萬m3。樞紐工程主要建筑物由主壩、副壩、輸水涵管、溢洪道、壩后電站所組成。由于佛仔逕水庫是興建于1972年，于1976年竣工投入使用，當年工程設計、施工受各種條件限制，設計標準低，施工技術力量薄弱，配套設施不完善，經過多年的運行，水庫主要建筑物均存在不同程度的隱患，影響水庫安全。2020年對佛仔逕水庫進行了安全評價，根據綜合評價結果，水庫被評為三類壩，存在諸多安全隱患，建議對水庫進行除險加固。

2 水庫當前存在的問題

2.1 大 壩

當前，佛仔逕水庫大壩存在的主要問題是：主壩壩體填筑土水庫主壩壩體滲透系數平均為1.13×10-3cm/s，滲透性能屬中等透水性，壩體存在輕微滲漏問題；主壩排水棱體頂部渠道底板存在裂縫，坡腳有清水流出，存在諸多安全隱患[1]。

2.2 溢洪道

溢洪道控制段啟閉架排架旋轉樓梯混凝土出現剝蝕、露筋、開裂等現象，存在嚴重安全隱患，溢洪道啟閉機主要靠人力操作，根據現場調查啟閉機啟閉困難，閘門止水局部老化，閉門后出現輕微漏水等現象，存在嚴重的安全隱患。

2.3 輸水涵管

輸水涵管啟閉架卷筒局部發現裂紋，啟閉用鋼絲繩出現局部銹蝕、壓扁、斷絲等現象，啟閉用鋼筋出現銹蝕，轉動門蓋銹蝕、漏水。啟閉室破損，墻體出現裂縫等問題，對水庫的防洪、灌溉及發電產生極大的影響。

3 水庫除險加固設計分析

3.1 大壩加固措施

3.1.1 壩體灌漿方案選擇

針對主壩當前存在的問題，本次主要對主壩采用灌漿防滲處理。主壩壩體灌漿在主壩兩側壩肩采用充填灌漿，壩中采用劈裂灌漿，兩側壩肩壩基采用帷幕灌漿與全壩段高噴灌漿兩個加固方案中進行對比，具體如下：

方案一：兩側壩肩充填灌漿。充填灌漿布置為雙排，終孔孔距為2.0 m。兩側壩肩進行帷幕灌漿，布置成兩排，與充填灌漿鉆孔一致，利用充填灌漿鉆孔，帷幕灌漿深度至壩基線以下5.0 m。 河床段劈裂灌漿沿原壩軸線1排，終孔孔距5.0 m，劈裂灌漿孔深要求進入砂質黏土層底部。

方案二：高噴灌漿。在距離壩軸線上游端1.5 m處新建一排高壓噴射灌漿防滲墻，在高壓旋噴樁之間采用高壓擺噴樁加密，灌漿深均要求進入強風化二長花崗巖線以下1.0 m。

兩種灌漿方案技術都比較成熟，均可以達到設計要求，且都有大量工程實例，防滲效果也都比較理想。但是本工程壩體填土含砂量低，高噴灌漿成樁效果不好，相比較高噴灌漿造價相比較高。

土壩壩體劈裂式灌漿是運用壩體應力分布規律，用一定的灌漿壓力，將壩體沿壩軸線方向劈裂，同時灌注合適的泥漿，形成鉛直連續的防滲泥墻，從而堵塞漏洞、裂縫或切斷軟弱層，提高壩體的防滲能力，并通過漿、壩互壓和濕陷，使壩體內部應力重分布，提高壩體變形穩定性。灌漿后壩體密實度得到提高，滲透系數降低，背水坡濕潤滲水現象消失，壩體滲流量減少。

經過綜合比較，選擇方案一河床段劈裂灌漿、兩側壩肩充填灌漿+壩基帷幕灌漿方案。

3.1.2 大壩灌漿布置

(1)壩體充填灌漿布置。 充填灌漿范圍右壩肩樁號0+000～0+021、左壩肩樁號0+121～0+136。充填灌漿為雙排，上游排布置在距離壩軸線上游側3.0 m處，下游排布置在距離壩軸線上游側0.5 m處。充填灌漿終孔孔距為2.0 m。兩側壩肩共布置鉆孔38個，其中右壩肩布置鉆孔22個，左壩肩布置鉆孔16個。充填灌漿長度399.98 m。

(2)壩基帷幕灌漿布置。 兩側壩肩充填灌漿壩段壩基也進行帷幕灌漿，布置成兩排，與充填灌漿鉆孔一致，重合部分共用鉆孔。充填灌漿深度至壩基線，帷幕灌漿深度至壩基線以下5.0 m。充填灌漿與帷幕灌漿搭接長度為2.0 m，先進行帷幕灌漿，再進行充填灌漿。帷幕灌漿共計鉆孔長669.14 m，灌漿長266.00 m。

(3)壩體劈裂灌漿布置。 河床段劈裂灌漿沿原壩軸線上游側1.5 m處布置1排，樁號0+011～0+131，終孔孔距5.0 m，共布25個孔。劈裂灌漿孔深要求進入砂質黏土層底部。劈裂灌漿共計鉆孔長度426.76 m，灌漿長度426.76 m。劈裂灌漿與兩側充填灌漿有部分重合，重合段樁號先進行充填灌漿后進行劈裂灌漿。

灌漿施工對路面造成損壞，因此灌漿完成后對壩頂軸線上游側3.25 m寬壩頂路面拆除重建，采用C30混凝土厚0.25 m，重建路面樁號范圍0+000～0+135。

(4)重建排水棱體頂部灌溉渠道。 主壩排水棱體頂部現狀灌溉渠道滲漏，拆除重建，總長49.4 m。重建采用C25鋼筋混凝土U形結構，過水斷面尺寸為1.0 m×1.2 m(寬×深)，底板、側墻厚度均為0.3 m。渠道每10 m設置一道分縫，采用紫銅片止水。

3.1.3 大壩滲流計算

根據大壩加固后的實際情況，本次選擇主壩最大壩高斷面進行滲流分析，具體見圖1所示。

圖1 加固后主壩滲流計算土質分層圖示

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2020)建議，滲透系數k值采用地質報告建議值，給水度u由程序根據滲透系數k和孔隙率n計算確定，具體計算參數詳見表1。

表1 滲透系數的選取

根據規范SL 274—2020，滲流按以下工況進行計算：

(1)上游正常蓄水位196.00 m，相應下游無水。

(2)上游設計洪水位196.42 m，相應下游無水。

(3)上游校核洪水位197.62 m，相應下游無水。

(4)庫水位從校核洪水位197.62 m按正常泄洪降至溢洪道堰頂高程192.00 m非穩定滲流浸潤線，相應下游無水。

當校核洪水位降落到溢洪道堰頂高程時，水位降落曲線采用500 a一遇調洪過程線。校核洪水位為197.62 m，相應庫容為464萬m3；堰頂高程192.00 m，相應庫容為193萬m3，庫容差271萬m3。根據水庫運行控制和調洪演算，校核洪水位降至堰頂高程時的降落時間約為5 h。

本次滲流分析采用南京水準科技有限公司研發的“AutoBANK7.7”軟件，計算方法采用有限元法。加固后大壩各工況計算結果見表2。

表2 主壩加固后滲流計算成果

根據滲流計算結果得知，大壩經過加固后，其滲流量比加固之前大幅度降低，各工況出逸點高程均位于壩體反濾排水體內，加固后的大壩滲流量能滿足設計規范要求[2]。

3.1.4 大壩穩定計算

在主壩壩體壩基進行填充灌漿后，還需復核加固后的壩坡穩定性。一般計算斷面會選擇大壩最大壩高斷面進行分析。

根據規范SL 274—2020，壩體抗滑穩定復核采用簡化畢肖普法。穩定系數計算如公式(1)：

(1)

式中：W為土條重量，kN；V為垂直地震慣性力(向上為負，向下為正),kN；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角,(°)；u為作用于土條底面的孔隙壓力,kN/m；b為土條寬度，m；φ′為有效抗剪強度指標，土條底面的內摩擦角，(°)；c′為有效抗剪強度指標，土條底面的凝聚力，kPa；R為圓弧半徑,m；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m。

大壩壩坡穩定分析計算主要復核以下工況：

(1)正常運用條件：1/3壩高水位(相應下游無水)穩定滲流的上游坡。

(2)正常運用條件：上游正常蓄水位196.00 m(相應下游無水)穩定滲流下的上下游壩坡。

(3)正常運用條件：上游設計洪水位196.42 m(相應下游無水)穩定滲流下的上下游壩坡。

(4)非常運用條件Ⅰ：上游校核洪水位197.62 m(相應下游無水)穩定滲流下的上下游壩坡。

(5)非常運用條件Ⅰ：庫水位從校核洪水位197.62 m按正常泄洪降至堰頂高程192.00 m的壩體非穩定滲流的上游坡。

壩坡穩定計算采用南京水準科技有限公司研發的“AutoBANK7.7”軟件，用簡化畢肖普法計算穩定滲流期以及非穩定滲流期壩坡最小抗滑穩定安全系數。成果見表3。

表3 壩坡穩定安全系數成果

根據壩坡穩定計算結果看出，加固后大壩在各種工況下，大壩壩坡抗滑穩定安全系數均滿足現行設計規范的要求。

3.2 溢洪道加固設計

針對溢洪道所存在的安全隱患，本次加固設計計劃拆除原啟閉架，重建啟閉室并將閘門更換為平板鋼閘門，拆除重建檢修平臺。

將中墩交通橋上游側拆除至現狀溢洪道底板高程192.00 m，兩側邊墩交通橋上游側拆除至197.65 m高程，拆除長度均為4.30 m。然后植入錨筋，澆筑C30混凝土至200.65 m高程。

設置兩層檢修平臺，底層橋面高程198.15 m，頂層與路面齊平，橋面高程為200.65 m。

現狀閘墩及底板新開鑿閘門槽，埋設預閘門埋件后回填C30混凝土。更換平板鋼閘門2扇，尺寸均為3.0 m×4.3 m(長×高)。

重建上部啟閉室，啟閉室地面高程為206.95 m，啟閉室內設置啟閉機，一門一機，采用2臺QPQ1×12 t固定式卷揚機。

為避免開挖影響現狀路面，在兩側邊墩后采用拉森Ⅳ型鋼板樁防護，鋼板樁總長6.0 m，入土深度4.0 m，支護深度2.0 m。左右兩側鋼板樁支護長度均為8.4 m[3]。

3.3 輸水涵管加固設計

針對輸水涵管啟閉機存在的問題，本次加固設計主要進行下列內容：

(1)更換涵管啟閉機，重建涵管啟閉房。

(2)重建涵管啟閉房，面積2.5 m×2.5 m，啟閉房內設5 T手動卷揚機兩臺。

(3)沿輸水涵管中心線兩側在壩體各布置一排充填灌漿，距離涵管2.0 m，終孔孔距為2 m，梅花型布置，共布置有30個孔，以進入砂質黏土2 m 控制。涵管兩側充填灌漿共計鉆孔567.38 m，灌漿長567.38 m。

4 結 論

本次除險加固工程是結合佛仔逕水庫實際情況進行設計，主要對主壩壩體、壩基進行灌漿防滲處理，排水棱體頂部灌溉渠道底板拆除重建；拆除開裂、銹蝕的啟閉架，重建啟閉室與檢修平臺；更換啟閉機，重建涵管啟閉房等。水庫除險加固工程實施完成后，水庫一直存在的安全問題得到解決，不僅提升了水庫的防洪、灌溉、發電能力，同時還保障灌區人們的生活用水與安全，且取得了良好的社會經濟效益。