右壩肩防滲處理中小壩田水庫的設計變更方案研究

周曉磊

（中國水電基礎局有限公司,天津 301700）

1 項目概況

本文所研究的具體項目是一座規模較小的水庫——小壩田水庫,項目總投資5943.26 萬元。截至目前,大壩的兩個壩肩邊坡開挖、基坑開挖、重力墩、大壩右壩肩基礎砼及壩身C15 細石砼砌毛石和大壩防滲砼已澆筑至1517.5 m 高程,左壩肩澆筑至1517.0 m 高程,主體澆筑99.06%,輸水管道安裝1.3 km。2018年,已完成投資906.98 萬元,累計完成投資4731.1 萬元。

2 小壩田水庫工程項目分析

2.1 小壩田水庫壩體應力計算分析

應力分析方法采用多拱梁靜力分析,采用多拱梁分載的四向協同計算,將壩體分為9 拱23 梁,拱圈線形式為拋物線,同時還考慮了表孔溢流,在此基礎上,考慮了混凝土梁的荷載分布,考慮了水壓力、泥沙壓力、溫度荷載、地震荷載等因素的影響,其應力分析結果見表1。

表1 應力計算成果表 單位：MPa

結果顯示,該方案在不同的載荷作用下,其應力狀況良好,壩體變形均勻、合理,符合設計要求。

2.2 壩基處理措施分析

根據材料力學原理,對墊層的應力進行了計算,并用下列公式計算了墊層的應力：

式中：∑W 為計算截面上全部推力之和；∑M 為計算截面形心的力矩之和。

采用材料力學的方法,將邊坡的彎矩轉換為正、切向力,并將其轉換為正應力和切向力。在 ADAO 的分析基礎上,考慮到壩體右岸1485m 以下、左岸1479m 以下的應力,采用正常蓄水位+溫降+校正水位+溫升兩種工況,分別進行了壩基應力處理前后的計算,結果見表2和表3。

表2 壩基應力正常水位工況

表3 壩基應力校核水位工況

應力合力計算結果見表4和表5。

表4 壩基應力合力(處理前）

表5 壩基應力合力(處理后）

從表4可知,在正常水位條件下,壩基壓力是2.48 MPa,超出了地基容許承載能力[σ]=1 MPa 的要求。在對大壩進行檢測時,大壩的壓應力達到了2.60 MPa,超出了地基容許承載能力[σ]=1 MPa 的要求。

從表5可知,在正常水位條件下,壩基壓力應力為0.68 MPa,符合地基容許承載力[σ]=1 MPa。在校核洪水狀態下,大壩的壓力應力為0.71 MPa,基本達到了基礎容許承載力[σ]=1 MPa。

結果表明：經過加固處理后,壩肩基礎的應力得到了顯著的提高,其最大應力為0.26 MPa（水平方向,校核水位工況）,豎向最大壓力為0.71 MPa,達到了基礎容許承載力[σ]=1 MPa。

3 小壩田水庫項目——壩基、壩肩滲透狀況分析

通過滲漏分析表明,在不進行治理的情況下,右壩肩滲流量為2.99 m3/d,繞壩流量19.64萬m3/a,在砂礫巖層的外緣處,水力比降為0.16,超過砂礫巖層允許的水力比降為0.1～0.12,為了避免滲流的發生,需要對右壩進行工程截滲。經過防滲處理,年繞壩滲流量為2.01 m3、13.21 萬m3、砂礫石層出口處的水力比降為0.08,低于砂礫巖層的水力比降為0.1～0.12,不存在滲流破壞現象。為進一步了解右壩肩的滲流情況,按照天然和截滲處理后兩種情況,對大壩右壩肩的滲流情況以及右壩肩各斷面的水力坡降值進行了計算分析,計算結果見表6、斷面的水力坡降值見表7。

表6 處理前后右壩肩各區繞壩滲流量

從表7處理前后右壩肩各區繞壩滲流量結果分析可知,在初始條件下,右壩肩部的滲流較大,0.6 m～1.5 m 厚的強滲透砂礫是最主要的滲流通道,而沿壩體的滲流則以此為中心。在表8右壩肩各斷面的水力坡降值中可以看到,在截滲后,右壩肩的水力坡降均減小。

表7 右壩肩各斷面的水力坡降值

4 小壩田水庫項目防滲處理設計變更

4.1 變更因素

4.1.1 小壩田水庫所在地連續強降雨

小壩田水庫的連續強降雨導致水庫水位升高到1514.80 m,距離正常水位1515.00 m 僅0.2 m。汛期巡庫人員發現水庫右壩肩下游明顯集中滲漏地段三處,總滲漏量約0.2 m/s,滲漏段邊坡覆蓋層局部存在垮塌現象。

4.1.2 該區域地質不佳

根據現場地質調查,該區段存在著裂隙、軟弱夾層等不良地質,部分巖體斷裂,在重力墩下有一條未掘尖的溶槽,貫通了重力墩的上下游,從而形成了繞壩滲漏[1-2]。事故發生后,通過勘察發現下游坡面上有多處開裂和變形,這表明滑坡的穩定性已嚴重影響到下面的施工人員的人身和財產安全。

4.2 變更目的

為了妥善解決小壩田水庫的滲漏,保證施工安全,也為了水庫下游村寨人民的生命及財產安全,對小壩田水庫防滲處理方案進行設計變更。

4.3 防滲處理方案對比選擇

以下列舉了三個防滲處理方案,并對其進行了對比選擇。如表8所示,劈裂注漿具有設備簡單、快速施工、成本低廉等優點,但其耐用性略差,且防滲墻的厚度偏小；但鑒于目前的壩頂寬度不足,而塑性砼防滲墻的施工需要大面積（13 m以上,需要減少2.5 m）,成本高,進度緩慢。因此,本文提出利用裝置簡單、施工迅速、固結強度大、防滲可靠性高的高壓擺噴灌漿工藝來進行壩體防滲加固[3]。

表8 小壩田水庫項目防滲處理方案比選

4.4 變更結果分析

在防滲設計變更方案實施后,大壩右岸設置了隔水墻,因隔水墻后無水,導致壩體應力狀況發生變化,而右壩肩基巖出現局部斷裂,導致壩基參數發生變化,必須進行安全復核。基于上述條件,根據大壩地質條件、氣候條件、壩基地質和力學指標,結合不同的水位條件和不同的溫度荷載,利用有限元方法對大壩的應力和變形特征進行了計算和分析,并根據規范要求對壩體的等效應力進行校核,對加固后的大壩進行總體穩定性分析——壩體變形、應力、穩定符合設計規范。

5 結語

貴州是一個喀斯特地帶,在其水庫的建設當中防滲措施的選取是非常重要的。在小壩田水庫右壩肩防滲治理的應用中,要做好前期的準備工作,做好壩體、壩基等部位的施工,并比較三種不同的注漿方案,最后得出較為可靠、合理的注漿方案,為水庫的除險加固工作提供依據[4]。在今后,水庫的除險加固工程仍將是其發展的重點,而防滲處理的設計更是備受關注,因此必須對工程的細節進行嚴格的管理,以保證工程的質量。