白沙水庫壩腳隱患成因及治理措施

李秋光，羅艷麗

（河南省白沙水庫運行中心，河南 許昌 461000）

1 基本情況

1.1 水庫概況

白沙水庫位于淮河流域潁河上游，壩址位于河南省禹州市與登封市交界的白沙鎮以北300 m，下游距禹州市中心30 km。是一座以防洪為主，兼顧灌溉、工業供水、旅游等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。水庫控制流域面積占穎河流域面積的13.60%，水庫興利水位225 m，相應庫容1.15億m3；設計洪水標準為100年一遇，設計洪水位為231.85 m，相應庫容2.11億m3；校核洪水標準為2 000年一遇，校核洪水位為235.56 m，總庫容2.78億m3。水庫樞紐工程由主壩、東副壩、西副壩、堵壩、溢洪道、副溢洪道、輸水洞和灌溉洞等水工建筑物組成。

1.2 主壩基本概況

主壩興建于1951年3月至1953年8月，壩頂高程231.72 m，壩頂寬10 m。壩體為含礫重粉質壤土均質壩，夾有中粉質壤土，底部有少量礫質輕壤土。1956年水庫進行加固擴建，擴建后壩頂高程235.80 m，防浪墻頂高程237 m，壩頂寬6.60 m。2003年水庫進行除險加固，對大壩進行加高，上游塊石壩坡由壩頂翻修至218 m 高程；主壩壩型為均質土壩，歷經幾次加固。壩長1 316 m，壩頂寬6.50 m，最大壩高48.38 m，壩頂高程236.30 m，防浪墻頂高程237.50 m。大壩上游采用0.35 m 厚干砌塊石護坡，下設0.35 m厚繼配碎石墊層，自上而下坡比為1∶2.08、1∶3、1∶3.50、1∶4，在高程222、205.92 m處設馬道。大壩下游采用卵石護坡，自上而下坡比為1∶2、1∶2.50、1∶2.50，在高程225.10 m、215.10 m 處設馬道。白沙水庫原大壩下游壩腳設有堆石排水體，在1956年大壩加高加固時，在大壩下游填筑了約6 m厚的卵石，卵石與壩體土料之間設有反濾料，堆石排水體及卵石形成了壩體的排水系統。但根據現場檢查，大壩下游坡腳與排水溝之間有寬度約12 m臺地，在該處種植有樹木，而且樹木種植于壤土上，不利于壩體排水，易抬高大壩浸潤線出逸點高程，對下游壩坡穩定造成影響。

2 大壩坡腳隱患成因分析

2.1 大壩下游坡腳種植樹木，壩體排水問題

白沙水庫主壩為均質土壩，迎水坡為干砌塊石護坡，背水坡為干砌卵石護坡。經現場檢查，水庫主壩樁號0+125～1+123之間背水坡壩腳與防滲排水溝之間有寬度12 m 左右的臺地，未護砌。在該范圍內種植有柏樹、楊樹等樹木1 500余棵和觀賞花木黃楊、百日紅100 多株，叢間雜草叢生。由于壩坡坡腳種植樹木，而且樹木種植于沙壤土上，不利于壩體排水，宜對下游壩坡穩定造成影響。

2.2 白蟻問題

坡腳植物為白蟻提供了生存空間和大量食物，且對白蟻的普查和防治造成很大阻礙。根據現場調查，部分樹木已被白蟻侵蝕。白蟻就像埋在堤壩內的“炸彈”，對水庫安全構成重大威脅。

2.3 安全巡檢問題

由于下游坡腳樹木的存在，工程背水坡坡腳位置不清晰，不利于工程日常巡查和管理，如出現管涌、滲漏等險情，不能及時發現，可能對大壩安全造成影響。

3 大壩坡腳隱患處理措施

安全隱患處理措施主要是大壩下游壩腳12 m范圍內的樹木清除及清除后壩體換填粗砂及碎石等反濾料、遷移觀賞花木、干砌石護砌、排水溝修復等。換填采用滲透系數較大的粗砂墊層和碎石級配等反濾材料，與壩腳堆石排水體和卵石構成完整的排水系統，壩體排水可順暢進入壩腳排水溝，滲流是安全的；經過壩坡穩定計算，大壩壩腳壩體土料換填后壩坡穩定系數滿足規范要求，方案是可行的。

3.1 下游坡腳壩體開挖換填處理

為消除大壩下游沙壤土對大壩滲流的不利影響及徹底消除白蟻的生存環境，對現狀下游坡腳與排水溝之間約12 m 的平臺進行開挖，清除現狀樹木及觀賞花木，根據現場開挖溝槽，清除樹根深度為2 m，由此確定開挖深度為2 m，施工時應徹底清除樹根、雜草、花木根莖等。清除后，對坡面找平，用粗砂和碎石級配對開挖體進行換填處理，碎石粒徑為5～20 mm，表面采用0.30 m厚干砌石護砌。

換填處理時將大壩下游壩腳用于植樹的壤土挖除，換填滲透系數較大的粗砂墊層和碎石級配等反濾材料，與下游壩腳堆石排水體及卵石構成完整排水系統，壩體排水可順暢進入壩腳排水溝，頂部采用0.30 m厚干砌石護砌。采用粗砂及碎石級配換填處理后，排水順暢，不會對大壩滲流造成影響，滲流是安全的。

3.2 挖除樹木處理

對處理段現狀樹木，如已被白蟻侵蝕，選擇適當位置焚毀處理；如未被白蟻侵蝕，砍伐后移至防汛倉庫作為防汛木料。對觀賞花木，移植至坡腳排水溝下游花圃中。

3.3 壩腳排水溝修復和光纖修復

施工過程中應注意對下游壩坡和排水溝采取保護措施，如有擾動、損壞應進行修復。下游坡腳壩體開挖換填時，對現狀用于監測設施的光纖有影響，待施工完成后，應對光纖進行修復，確保監測設施正常工作。處理斷面見圖1。

圖1 白沙水庫主壩壩腳處理措施典型斷面圖

3.4 大壩抗滑穩定復核

選取筑壩0+480為典型斷面進行大壩下游坡穩定復核，計算方法采用瑞典圓弧簡化有效應力法，選取正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位、上游1/3壩高水位四種工況。大壩穩定計算土體物理力學參數采用2003年除險加固時壩料物理力學參數。白沙水庫工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2 級，根據《碾壓式土石壩設計規范》，正常運用工況允許安全系數為1.35，非常運用工況I允許安全系數為1.25，計算結果見表1。

表1 大壩下游壩坡穩定計算成果表

由表可知，大壩在各工況下的壩坡抗滑穩定最小安全系數均滿足規范的要求，處理后大壩壩坡是穩定的。

3.5 大壩滲流穩定復核

滲流分析計算采用最大斷面作為計算斷面，結合地勘資料及大壩滲漏實際情況，采用北京理正軟件設計研究所《滲流分析軟件》進行計算。

3.5.1 計算工況及參數

根據《碾壓式土石壩設計規范》，滲流計算工況分為工況一和工況二。工況一的水位組合是上游水位為設計洪水位，下游無水；工況二的水位組合是上游水位為校核洪水位，下游無水。

大壩滲透性分區計算取壩體土滲透系數為6.19×10-4m/d。

3.5.2 計算結果及分析

容許水力坡降［J］計算

依據《碾壓式土石壩設計規范》，容許水力坡降［J］計算如式（1）。

式中：Jck—壩體土的臨界水力坡降，依據地勘資料Jck=0.94；K—安全系數，取2.00。

經計算，容許水力坡降［J］=0.47。計算結果見表2。

表2 滲流計算成果表

通過對大壩滲流計算，各工況下游壩坡、壩基出逸點比降均小于容許水力坡降，不會發生滲透變形，滲透穩定滿足規范要求。

4 結語

通過安全隱患治理工程后，水庫大壩工程的安全隱患得到了進一步的消除，確保了水庫大壩的安全，同時保證了水庫下游防洪保安任務、人民群眾的生命財產、公路、鐵路的安全，保證了白沙水庫下游灌區糧食的增產增收，進一步改善人民群眾的生活條件，社會效益、經濟效益和生態效益顯著。