粘土心墻壩除險加固技術方案及要點研究

秦俊輝

摘 要：我國水資源豐富，但河流湖泊空間、時間分布方面，各地區存在極大差異，且人均占有量遠低于世界平均水平。為了起到防洪、供水、發電、灌溉等作用，我國從20世紀50年代起開始大興水利，水利工程數量直線攀升。隨著運行服役時間的增加，大量早期修建的水庫大壩工程出現了不同程度的病害問題，甚至對水庫功能的正常發揮造成了影響，不利于運行管理。為此，結合具體案例，在全面了解水庫大壩病險問題的基礎上，提出了兩種不同的加固方案，最終確定拆除重建防浪墻，以此保證大壩運行正常、穩定、安全。

關鍵詞：水庫大壩；除險加固；粘土心墻壩；防浪墻

中圖分類號：TV233.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）01-0121-03

1 工程概況

某水庫工程興建于20世紀60年代，水庫主要組成包括攔河壩、溢洪道及輸水洞。在運行服役過程中，因為汛期沖刷嚴重，大壩出現了病險問題，需進行水庫加固施工。本文主要針對大壩壩體方面進行加固研究。經地質調查報告顯示，案例水庫地處中低山區，屬于侵蝕山地，區域巖性以前震旦系Z2g3深灰色白云巖。根據中國地震動參數區劃圖相關標準，本地區地震動峰加速度為0.05 g，VI度為相應水庫區域及壩址地震基本烈度[1]。

2 水庫大壩病險問題

在本水庫大壩工作當中，壩體以土石壩為準，屬于粘土心墻壩，240 m長，壩頂高程98.80 m。防浪墻設于上部，分為上、下兩部分，其中漿砌石結構為上部，混凝土結構為下部。防浪墻頂高程99.5 m，相比壩頂高度，防浪墻定高程多出0.7 m，壩頂寬度4 m，壩頂設土道。經檢驗，當前大壩上下游坡比分別為1∶2.7、1∶2.0，粘土心墻底寬、上寬分別為3.5 m、1.0 m，當前壩頂高程97.1 m。根據病險調查研究發現，目前主要存在的問題包括以下6方面。

第一，大壩設防浪墻，且其下部屬于混凝土結構，1.7 m為防浪墻下部墻高，并有齒槽插入心墻設置，其尺寸為0.5×0.5 m。根據上述分析，防浪墻屬于兩個不同結構設置，漿砌石結構為上部，墻高0.7 m。在施工過程中，布設時需要錯開進行上下兩部分墻體布設，因此，在結合方面，緊密性不足，防浪墻占壩頂1.5 m，壩頂有效寬度較小，僅為2.5 m。

第二，原有設計當中，98.8 m為壩頂高程，但目前來看，部分壩頂高程有所下降，僅為97.1 m。

第三，上游壩坡屬于塊石護坡，在施工過程中，多數塊石直徑不足，規整性較差，無法達到設計要求，且當前墊層不完整，差不多已被掏空。正常水位時，很多塊石松散、外翻嚴重。

第四，壩坡下游部分，屬于碎石護坡，水流長期沖刷，將會影響壩坡質量，甚至會出現水土流失，導致坡面起伏大。

第五，局部存在滲漏情況，大壩左岸壩坡與溢洪道右邊墩結合位置最為嚴重。

第六，下游壩腳位置未見排水體，對于滲流穩定不利，將會對壩坡穩定性造成不利影響。

經病險復核計算與分析，在本大壩壩體工程當中，存在以下問題：防浪墻位置不當，上下游壩坡存在塊石風化、碎石厚度不均等問題，局部滲漏[2]。

3水庫大壩壩體加固方案

針對本工程攔河壩病險加固施工，結合工程量、工程投資兩大因素，制定了兩種不同的加固施工方案，以此擇優利用。

方案1是將原防浪墻拆除，并新建防浪墻于接近上游壩肩位置。具體施工方案當中，先全部拆除大壩壩體的原有防浪墻，隨后將新的防浪墻建設到接近大壩上游壩肩位置，4 m為壩頂寬度。表1為壩體加固方案具體工程量及投資情況。

方案2是進行大壩加寬培厚施工。根據大壩實際情況，對于壩頂部位加寬處理，加寬至1.5 m，隨后進行下游壩坡培厚處理。表2為壩體加固方案具體工程量及投資情況。

根據上述表1、表2可知，在加固方案1當中，拆除工程和新建工程的總投資額為15.41萬元，加固方案2當中，總投資額為28.75萬元，相差較大。同時，在工程量方面，方案1工程量也遠遠低于方案2。因此，在大壩除險加固施工中，應選擇方案1。

根據大壩病險調查發現，局部存有滲漏現象，且大壩左岸壩坡與溢洪道右邊墩結合位置最為嚴重，因此，在施工方案制定時，注重溢洪道右邊墩到大壩樁號（0+040.00）斷面開挖情況，應開挖到強風化巖層，同時，將混凝土插入墻設于中間，頂寬、底寬分別為400、700 mm。下面位置進行帷幕灌漿，6 m為灌漿深度，2 m為相鄰灌漿孔間距。

4 水庫大壩壩體加固要點

4.1 壩頂高程

根據相應公式，在確定及計算出靜水位、壅水高、波浪爬高、安全加高、壩頂超高等參數后，針對設計加正常運用超高（A）、正常加正常運用超高（B）、正常加非正常運用超高（C）、校核加非正常運用超高（D）四種情況下，進行壩頂高程及防浪墻高程的確定，如表3所示。

根據上述分析，設計以最大值為準，98.73 m為防浪墻頂高程，相比原設計當中，98.80 m為壩頂高程，為了保證施工質量，想要滿足設計要求，最終以99.50 m為防浪墻頂高程，方可達到設計高程標準規定。

4.2 壩體穩定性

在本大壩工程當中，原設計以粘土心墻壩為準，其中壩頂高程、壩頂寬及壩長分別為98.80 m、2.57 m、240 m。在設計中，為了確保壩體穩定，需要了解筑壩材料的強度大小，根據要求，本工程中所采用的筑壩材料包括黏土心墻、壩體風化砂、壩基砂質粉土及砂礫石等。主要技術參數情況如表4所示。

針對滲流穩定，計算時應嚴格按照達西定律，根據達西定律建立方程式確定透水地基上心墻土壩正常高水位穩定滲流秦潤線[3]。基巖計算時，可根據不透水層分析，由于具有偏高的浸潤線，安全較高。

在計算時，下游壩坡逸出點的情況中滲透系數及各層厚度如表5所示。經達西定律建立方程計算，可獲取浸潤線和大壩單寬河槽滲流量等結果，在心墻下游側浸潤線高程及排水建筑物的逸流高程分別為90.35 m、86.56 m，根據計算可得，壩體日滲流量為8.4 m?/d。通過壩體浸潤線計算分析，在排水棱體內的下游壩坡逸點，能夠符合滲流穩定規定。

4.3 邊坡穩定性

按照土壩規定，壩體邊坡穩定計算時，壩體抗滑穩定可通過瑞典圓弧法進行計算分析。根據方案1要求，新加固方案當中，大壩斷面是在原有基礎上，加快壩頂至4 m，上下游坡比分別為1∶2.7、1∶2.0。當壩坡穩定的工況條件中，結合正常蓄水位，可得出設計和校核蓄水位，如表6所示。

按照瑞典圓弧法計算壩體壩坡穩定，分為正常運用和非正常運用兩種工況條件，所得結果如下。

正常運用工況分為4類，一類設計供水位上游壩坡穩定，經計算該工況下安全系數為1.46；二類正常高水位條件下，所形成的浸潤線下游壩坡穩定時，通過計算可得安全系數為1.48；三類設計洪水位，下降到堰頂上游壩坡，且穩定，可得安全系數為1.39；四類設計洪水位與下游尾水位相對應時，下游邊坡穩定工況下，可得安全系數為1.45。針對上述四類正常運用工況條件，安全系數在1.39～1.48之間，相比規范要求≥1.25，不同工況下壩坡穩定性良好，均可滿足規范要求。

非正常運用工況同樣分為4類，一類校核水位上游壩坡穩定，經計算分析，安全系數為1.55；二類校核水位下降，降到堰頂上游壩坡，且穩定，經計算安全系數為1.26；三類校核洪水位條件下，下游最高水位情況下下游壩坡穩定，其安全系數為1.39，上述三類非正常運用工況下，安全系數范圍為1.26～1.55，相比規范要求≥1.15，均可滿足規定。四類為正常運用條件下，下游坡遇到地震時，可得安全系數為1.35，相比規定要求≥1.10，可滿足要求。

4.4 大壩護坡拆除

由于壩體沉降、水位變化、水流沖刷等因素，大壩上游塊石護坡平整度較差，正常蓄水位上方，經常會產生塊石翻動、風化等問題。此次大壩加固施工，需要先清除壩坡上嚴重風化的塊石，隨后進行混凝土澆筑，厚度約100 mm，并合理控制澆筑范圍。

4.5 下游碎石護坡

本水庫大壩工程運行服役時間較長，針對下游壩坡存在的問題，加固時可鋪設一層碎石護坡，厚度為10 cm。

4.6 防浪墻

拆除原有防浪墻之后，根據設計規定，需重新進行防浪墻施工。要求新建防浪墻的頂高程、底高程及墻厚分別設置為99.5 m、97.10 m、0.25 m，并以L型擋墻為防浪墻結構形式。

4.7 下游排水體

針對下游排水體設置，可采用卵礫石暗排水體，通過土工反濾布（300 g/m2）反濾，并填筑塊石與砂墊層，厚度均為200 mm。

4.8 上壩路

根據以往經驗及工程實際情況，原有工程上壩路設計已無法滿足規定要求，無法確保汛期搶險的安全性[4]。針對這種情況，要求重新在大壩右端進行道路修建，結合工程建設實際，道路長度及路面寬度分別為1.7 km、6 m，并設碎石路面150 mm，為保證道路施工安全及排水暢通，可將混凝土排水溝設于道路接近山側。

5結語

水是最不可或缺的物質基礎，是生命之源，是其他產業及人民大眾生活的基礎物資。本文以水庫粘土心墻壩除險加固為研究對象，在全面了解病險問題的基礎上，提出了先拆除原防浪墻，后重新建設的加固方案，經計算及檢驗分析，該方案施工效果良好，可滿足加固施工要求。

參考文獻

[1] 曾小芳.基于大壩綜合評價指標的中型水庫除險加固設計方案優化[J].內蒙古水利，2021（4）：35-37.

[2] 魯娜.淺析加馬鐵熱克水庫大壩除險加固設計與施工分析[J].黑龍江水利科技，2019，47（7）：256-258.

[3] 費強.上年水庫除險加固工程設計[D].沈陽：沈陽農業大學.2021.

[4] 楊杰，江德軍，鄭成成，等.病險水庫除險加固方案決策研究[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2014（11）：213-219.