更鼓樓水庫大壩除險加固設計分析

朱家威

（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

更鼓樓水庫位于開平市蒼城鎮南部潭碧村委會,屬潭江鎮海水支流開平水,距離開平市政府約35 km,水庫三面環山,西北面為丘陵,總體屬低山丘陵區。壩址以上控制集雨面積為1.8 km2,設計灌溉面積為0.185 萬畝,正常蓄水位42.00 m,設計洪水位43.57 m,校核洪水位44.1 m,水庫的總庫容為105×104m3,捍衛著下游耕地0.3 萬畝、人口0.033 萬人。該水庫建于1993年,至今已運行了二十多年,主要由2 座均質土壩,1 座溢洪道和1 座輸水涵管所組成,是一座以灌溉為主、兼顧防洪的小型水庫,工程等別為Ⅳ等,建筑物為5 級。

2 大壩現狀及存在問題

2.1 大壩現狀

水庫主、副壩為均質土壩,壩頂為石渣路面；主壩頂寬5.0 m（不含防浪墻）,壩頂路面高程44.50 m～45.00 m,最大壩高20.21 m,壩頂長198 m。壩頂上游設約0.5 m 寬C20 砼防浪墻,防浪墻頂高程約為45.10 m～45.41 m。上游迎水坡坡比約為1∶2.55,在高程40.50 m 至壩頂設C20 砼六角塊護坡,在高程40.50 m 以下設干砌石護坡。下游壩坡為草皮護坡,在34.59 m～35.00 m 高程處設有0.7 m～1.1 m 寬平臺,平臺以上坡比為1∶2.25,平臺以下坡比為1∶2.5。壩腳設有干砌石貼坡式排水體及集水溝, 大壩左側排水體頂部高程27.42 m～27.79 m,外邊坡坡比為1∶3.15～1∶3.85；大壩右側排水體頂部高程35.00 m,外邊坡坡比為1∶2.5。下游壩坡與岸坡連接處設有排水溝,與下游集水溝接通。

副壩壩頂寬5.5 m～6.0 m（不含防浪墻）,壩頂路面高程44.05 m～44.25 m,最大壩高12.00 m,壩頂長68 m。壩頂上游設約0.3 m寬C20砼防浪墻,防浪墻頂高程約為44.33 m～44.61 m。上游壩坡為干砌石護坡,在高程38.36 m 以上坡比約為1∶2.8,在高程38.36 m 以下坡比約為1∶3.75。下游壩坡為草皮護坡,在39.04 m～39.89 m 高程處設有約2.5 m 寬平臺,平臺以上坡比約為1∶2.35,平臺以下坡比為1∶3.0。壩腳設有干砌石排水棱體及集水溝,排水棱體頂部高程33.80 m～34.03 m,外邊坡坡比為1∶1.60。

2.2 存在的問題

經過對更鼓樓水庫現場勘察復核發現,水庫經過二十多年的運行,其主、副壩均存在不同程度的安全隱患,如：主壩排水體浸潤線偏高,背水坡排水系統不完善,主壩上游壩坡原出現散亂、松動現象；副壩防浪墻頂高程不滿足現行規范的要求；主、副壩的壩頂石渣路面出現破損、壩體局部填土密實度較差,含水率較高,且與壩基接觸異常,可能存在滲漏；主、副壩在高水位運行時,排水棱體滲漏嚴重,已嚴重危及水庫安全運行,需盡快采取措施消除大壩隱患。

3 大壩除險加固設計

3.1 壩頂重建設計

為了確保壩坡的穩定性,本次對主、副壩壩頂石渣路面進行重建。平整主壩壩頂路面表層碎石,并采用C25 砼厚0.2 m鋪設,底鋪6%水泥石粉穩定層厚0.1 m,壩頂路面高程設為44.50 m,壩頂總寬度設為5.00 m（不含防浪墻和排水溝）,壩頂路面橫向坡度為2%,傾向背水坡側。

清理副壩壩頂路面表層雜草,重建壩頂路面及加高原防浪墻。壩頂路面采用C25 砼厚0.2 m 鋪設,底鋪6%水泥石粉穩定層厚0.1 m,壩頂路面高程設為44.50 m,壩頂總寬度設為5.00 m（不含防浪墻）,壩頂路面橫向坡度為2%,傾向背水坡側；原防浪墻采用C25 砼加高,墻200 mm 厚。

3.2 邊坡加固設計

主壩迎水坡40.5 m 高程以下鋪設C25 砼護坡100 mm 厚,在40.50 m 高程設0.8 m 寬的砼平臺；主壩背水坡均重鋪草皮護坡,并在主壩馬道34.60 m 高程設2.5 m 寬的石渣路面100 mm 厚,重建排水棱體,采用干砌石棱體,頂部高程為28.00 m,設C20 砼排水溝及壓頂,副壩背水坡均重鋪草皮護坡。

3.3 壩體防滲設計

根據鉆探結果,大壩壩體填筑土多由粉砂巖風化殘積土回填而成,局部夾含風化碎石,黃色、黃褐色,多呈硬塑狀態,以粉粒、粘粒為主,夾含碎石塊,不均勻,較松散,存在滲漏問題。為了提高壩體防滲性能,本次擬對壩體進行高壓噴射灌漿,主要在主壩、副壩沿距原壩軸線上游1.0 m 處布置一排灌漿孔,終孔孔距1.5 m,主壩灌漿范圍為樁號0+010～0+178,共布置112 孔,副壩灌漿范圍為樁號0+008～0+053,共布置31 孔,每孔鉆孔深度比灌漿深度多0.3 m。高壓噴射灌漿采用三管高壓擺噴折線搭接灌漿,折角120°,擺噴角為30°。高壓噴射灌漿分2 序進行,待第一序孔灌漿結束后,再進行第二序孔灌漿。灌漿施工參數灌漿壓力、提升速度、氣壓、氣量均參照《水電水利工程高壓噴射灌漿技術規范》（DL/T 5200-2019）給定范圍取值,并結合現場試驗確定。

在高壓噴射灌漿過程中,如果發生壓力突降或驟增、孔口回漿密度或回漿量出現異常等現象,需查清問題所在,并立即進行處理。如若孔內出現嚴重漏漿、串漿等特殊情況時,應按照《水電水利工程高壓噴射灌漿技術規范》（DL/T 5200-2019）的相關規定處理。

高壓噴射灌漿防滲墻的防滲性能應用圍井檢查法進行檢查,將圍井開挖一定深度,然后在圍井內進行注水試驗,要求滲透系數 k＜1×10-5cm/s。檢查孔注水試驗結束后,按技術要求進行灌漿和封孔,如果發現質量不合格應及時處理。

4 加固后大壩安全復核

4.1 滲流計算

更鼓樓水庫大壩加固有新建的干砌石排水體及水泥防滲墻,根據水庫實際加固情況,本次滲流計算選擇水庫大壩最大壩高斷面進行滲流分析[1],計算斷面見圖1。

圖1 大壩滲流計算土質分層示意圖（加固后）

本次將滲透系數K 的建議值作為計算參數,具體計算參數見表1。

表1 滲透系數的選取

表2 滲流計算工況

更鼓樓水庫大壩除險加固后,根據大壩加固情況,其滲流計算按下列工況進行計算[2]：

當校核洪水位降落到正常水位時,水位降落曲線采用500年一遇調洪過程線[3]。校核洪水位為44.10 m,相應庫容為105 萬m3；正常蓄水位42.00 m,相應庫容為82.13 萬m3,庫容差22.87 萬m3。根據水庫運行控制和調洪演算資料,整個降落時間大約為3 小時。

本次采用南京水準科技有限公司研發的“AutoBANK7.7”軟件進行土壩滲流分析,加固后的壩體浸潤線采用有限元法進行計算,計算采用單元格劃分見圖2。

圖2 大壩滲流有限元計算模型（加固后）

經計算,大壩加固后各工況計算結果見表3。

表3 大壩滲流計算成果表

從表3 計算結果可以看出,大壩加固后各工況出逸點高程均位于壩體反濾排水體內,浸潤線正常,逸出段的滲透比降均小于允許水力比降,排水體頂高程滿足要求,因此采取壩體高噴灌漿的加固措施可以滿足設計規范要求。

4.2 壩坡穩定計算

本次壩坡穩定計算選擇大壩最大壩高斷面,計算參數采用同一土層內土樣試驗統計的建議值（見表4）。

表4 土層物理力學參數表

根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189-2013）,壩體抗滑穩定復核采用簡化畢肖普法,本次壩坡穩定計算按下列公式：

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；u 為作用于土條底面的孔隙壓力,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,（°）；b 為土條寬度,m；R 為圓弧半徑,m；c′、φ′ 為土條底面的有效應力抗剪強度指標；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩,N·m。

根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189-2013）,水庫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：上游正常蓄水位42.00 m（相應下游無水）穩定滲流下的上下游壩坡；

2）正常運用條件：上游設計洪水位43.57 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1/3 壩高水位31.20 m（相應下游無水）穩定滲流下的上游坡；

4）非常運用條件I：上游校核洪水位44.10 m（相應下游無水）穩定滲流下的下游壩坡；

5）非常運用條件I：庫水位從校核洪水位44.10 m 按正常泄洪降至正常蓄水位42.00 m 的現狀壩體非穩定滲流的上游坡[4]。

本次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。土體的抗剪強度指標根據規范要求進行選取,大壩穩定滲流期采用有效應力法,水庫水位降落期采用總應力法。經計算,大壩壩坡穩定計算成果見表5。

表5 壩坡穩定安全系數成果表

由表5 計算結果看出,加固后大壩的迎水坡和背水坡在各種工況下,其抗滑安全系數均大于規范允許最小安全系數,因此,更鼓樓水庫大壩壩坡抗滑穩定安全系數均滿足現行設計規范的要求[5]。

5 結論

更鼓樓水庫大壩除險加固主要根據大壩實際情況進行設計,對主、副壩壩頂路面進行重建,主壩排水棱體拆除重建,壩體進行高壓噴射灌漿,副壩原防浪墻采用C25 砼加高等。大壩除險加固工程完工后,大壩存在的安全隱患得以消除,不僅滿足現行設計規范要求,同時,水庫安全穩定性得到提高。