中小型水庫大壩除險加固方案的設計及其實施效果

鹿 陽

（山東省淮海建設管理集團有限公司，山東 濟南 250100）

0 引言

水庫工程是同時兼具防洪、抗旱、發電、灌溉、航運等多種功能為一體的重要民生工程，中小型水庫工程在我國各地區分布十分廣泛，但部分中小型水庫工程由于建設年限較長，安全系數大幅下降。應用科學的除險加固措施提高中小型水庫工程的抗滑穩定能力，對保障民生具有重要意義。本文以河北省秦皇島市某水庫工程為例，介紹中小型水庫大壩除險加固方案、設計及其實施后取得的效果。

1 水庫概況及其大壩存在的問題

1.1 水庫概況

河北省秦皇島市某水庫工程屬防洪灌溉水利工程性質，工程等級為V級，主要建筑物和次要建筑物級別都為5級。壩址以上控制流域面積1.2km2，主河道長度1.7km，河道比降52.5‰。該水庫建設時間距今已有46年，水庫樞紐工程主要包含溢洪道、大壩和放水洞三部分，其中溢洪道采用開敞式寬頂堰設計，堰頂高27.0m，頂寬10.6m，最大泄流量為91m3/s；大壩壩高12.0m，壩頂高程30.0m，壩頂寬4.0m，壩頂軸線長80m。放水洞采用涵管形設計，涵管直徑0.3m，最大泄流量為0.2m3/s。該水庫工程中溢洪道和放水洞都建于大壩左側，大壩采用土壩設計，壩體主要使用低液限黏土（Q4ml）和填土（Q4ml）進行建設，壩基主要使用寒武系強風化白云質灰巖、武系中風化白云質灰巖進行建設。在建設及后期維護性地質勘測活動中發現，該水利工程建設區域中無大型塌滑體、活動斷層等地質構造，大壩在蓄水過程中可能受地質原因而發生垮塌的概率較低。

1.2 水庫大壩存在的主要問題

該水庫工程建設時間較久，上下游壩坡均設有干砌石護坡，護坡結構示意圖如圖1所示。但在多年蓄水使用過程中，大壩上下游干砌石護坡均有一定風化、石塊松動或脫落情況，部分壩體間有灌木生長，壩頂年久失修，雜草叢生。2018年，該水庫工程所在地區主管部門對其安全性進行鑒定中發現，大壩蓄水過程中坡腳、壩坡均無滲漏情況，下游壩坡具有穩定滲透能力，滲流安全性評級獲得A級，但上下游壩坡抗滑穩定能力較差，評選等級為三級，綜合抗洪能力不符合設計標準，評選等級為C級。為提高該水庫工程的綜合抗洪能力和抗滑穩定能力，亟須對大壩進行除險加固。

圖1 大壩上下游壩坡示意圖

2 壩體加固方案分析

目前可應用于中小型水庫大壩加固的工程手段主要包含加高壩體、增加大壩泄洪渠道及綜合改擴建等，還可根據實際情況結合兩種工程手段共同對大壩進行加固[1]。該水庫工程大壩僅左岸為壩坡設計，壩頂右岸直接連接鄉道，鄰近鄉道周邊有房屋建筑分布，壩頂原標高為30.7m，若采用加高壩體的工程加固方式，不僅需要對水庫壩體進行加高，還需要拆除鄉道周邊房屋建筑，會增加額外的工程搬遷成本。水庫工程溢洪道位于大壩左岸，無襯砌結構，建設時是通過直接開挖巖體成型，所在區域巖體綜合屬性較好，巖體硬度高，開挖難度大，若直接采用進一步開挖溢洪道堰頂巖體，擴大溢洪道直徑，雖然能在一定程度上提高水庫工程泄洪水平，但也會影響該水庫工程的蓄水容量，在夏季漲水期可能會使下游受淹。在考慮各類壩體加固方案施工的可能性及加固效果后，最終決定以現有壩體為基礎建設防浪墻，并依照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189-2013）展開建設，以提高該水庫工程的防洪能力[2]。設置防浪墻無需對壩頂結構進行更改，僅需防浪墻結構滿足標準設計要求即可，一般情況下，大壩壩頂標高設計標準應高于最大蓄水水位0.5m，特殊情況下，壩頂標高至少應和靜水位保持齊平。在設計防浪墻時，可直接應用大壩壩頂標高設計標準對防浪墻標高進行設計，通過實地調研和綜合推演計算后發現，當將溢洪道堰頂標高向下開挖到26.5m標高時，水庫校核洪水位高度為29.95m，未超過大壩當前壩頂高度，符合防浪墻建設標準，以此為基礎計算出防浪墻標高應至少控制在30.8m，比大壩當前壩頂高0.8m。

同時，由于該水庫工程大壩本身具有上、下游壩體抗滑穩定能力較差的情況，在建設防浪墻的同時，可通過工程手段減小壩體坡度，提高壩體的抗滑穩定水平[3]。由于大壩坡頂較窄，難以通過削坡方式減小壩體坡度，則本水庫大壩除險加固工程采用培土方式減小壩坡坡度。壩坡培土施工中應用的土體種類需要根據大壩蓄水防洪使用需求進行調整，上游壩坡可使用黏土、壤土材料進行培土，以提高上游大壩壩體的防滲能力，減小大壩蓄水過程中的水土滲透情況；下游壩坡則可使用具有良好透水能力的培土材料，避免下游需水量超出浸潤線。對大壩壩體進行培土加固時，也需要同時考慮經濟性原則，對下游壩體進行培土加固時，必然會導致大壩壩體整體向外側偏移，需要征占更多農田，導致大壩除險加固整體成本上升[4]。因此，在采用培土加固壩體的工程手段時，可將上游壩坡作為主要培土目標，盡量避免對大壩壩頂現有寬度造成影響，下游大壩則可通過設置反壓平臺提高壩體的抗滑穩定能力[5]。

3 壩體加固方案設計

3.1 壩頂加固設計

通過計算，大壩下游壩頂防浪墻規格參數設為：墻體高0.8m，基礎埋藏深度為1.0m，頂部寬度為0.5m。墻體施工材料選用M10F200水泥砂漿，墻體外露面使用M12.5F200水泥砂漿抹面，墻體伸縮縫設計間隔為10m，伸縮縫使用乙烯閉孔泡沫板進行填充。大壩壩頂因年久失修導致灌木、雜草叢生，坡頂道路破損較為嚴重，本次除險加固工程中對壩頂路面進行修復施工，采用泥結碎石路面施工方式，路面設計高程為30.0m，設計寬度為3.5m，總長度72.0m。壩頂路面上游和防浪墻相接，下游路面側邊設置路緣石。坡頂路面和大壩頂面高程一致，路面設計坡度為1.5%的單向排水結構。

3.2 上游壩坡加固設計

該水庫工程大壩上游壩體需要通過培土方式進行加固，培土材料選用壤土，土壤塑性指數IP為10～15，滲透系數在1×10-5cm/s以內，土壤顆粒均勻，粒徑超出5mm的礫石含量小于50%。培土后壩頂寬度不變，外坡比減小為1∶2.0，培土外側建設厚度為0.3m的干砌石護坡及0.1m厚碎石墊層。培土施工采用分層碾壓作業方式，每層碾壓土壤厚度為30cm，壓實率在96%以上。為保障壩體培土質量，還需在正式培土施工前清除壩體中潛藏的淤泥，可使用拋石擠淤法、換土墊層法等進行擠淤處理，保障壩體土壤壓實效果，提高壩體的防滲透能力[6]。

3.3 下游壩坡加固設計

該水庫工程下游通過建設反壓平臺提高大壩穩定性，對工程穩定性設計和計算，將反壓平臺頂部標高設為24.0m，頂部寬度設為4.5m。反壓平臺施工材料為優質塊石，設計坡度比為1.0∶2.0，壩體底部開設規格為0.5m×0.5m（寬×深）漿砌石排水溝。但在工程實地考察中發現，由于大壩壩體下游可利用空間較小，難以在大壩下游設置排水溝，因此在實際施工中取消排水溝設計，并使用漿砌石替代原定放坡加固材料，下游壩坡加固設計參數更改為頂寬3.2m，坡度比更改為1.0∶1.5，大壩頂部標高數值不變[7]。另外，為確保大壩下游的排水能力，在大壩下游壩體中加設無砂混凝土管，設計間隔為5m，混凝土管直徑為300mm，并在大壩底部增加隨時排水體。

4 加固后壩體的穩定性分析

完成加固的水庫大壩斷面圖如圖2所示，《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189-2013）中要求水利工程大壩壩坡抗滑穩定系數應至少在1.15以上，非常運用條件下應至少在1.05以上，才能充分保障水利工程壩坡結構的安全性[8]。該工程在完成除險加固施工后，使用剛體極限平衡法中的瑞典圓弧法對大壩邊坡穩定性進行驗算，驗算結果表明該水庫工程等級為V級，主要建筑級別和次要建筑級別均為5級。使用國內某大學力學研究所研發的水工結構有限元分析系統軟件，對大壩壩坡穩定性進行計算，驗證大壩壩坡最小安全系數及是否存在不合規滑動面。在有限元分析中應用數據主要來自工程施工實際測量，詳細數據如表1所示，該水庫工程上、下游大壩抗滑穩定系數計算結果如表2和圖3～圖5所示。

圖2 加固后大壩斷面示意圖

表1 大壩土層材料物理力學參數

表2 大壩上、下游壩體抗滑穩定安全系數計算值

圖3 正常蓄水位下游壩坡滑動示意圖

圖4 設計洪水位下游壩坡滑動示意圖

圖5 校核洪水位下游壩坡滑動示意圖

從表2和圖3～圖5可知，經除險加固施工后的水庫大壩在不同蓄水、抗洪使用條件下，抗滑穩定安全系數均符合國家工程設計規定，說明本次除險加固施工工程設計及施工效果良好，綜合抗洪能力和抗滑穩定能力得到提高。

5 結束語

本文針對河北省秦皇島市某水庫工程建設時間較久，綜合抗洪能力不符合設計標準的情況，對壩頂、上游壩坡和下游壩坡按照加固方案進行設計。加固方案實施后，采取科學手段進行驗證，結果表明：加固后水庫大壩在不同蓄水、抗洪使用條件下，抗滑穩定安全系數均符合國家工程設計規定。這說明本次除險加固施工工程設計科學合理，施工效果良好，保證了大壩綜合抗洪能力和抗滑穩定能力的提高，達到了預期的設計效果。