石河水庫除險加固工程中大壩工程設(shè)計研究

舒志泉

（廣東河海工程咨詢有限公司,廣東 廣州 510610）

0 引言

石河水庫作為一項重要的水利工程,承擔著灌溉、發(fā)電和防洪等多重功能。然而,隨著時間的推移和工程使用年限的增加,水庫大壩及溢洪道的安全問題逐漸凸顯。由于長期受到自然力和人為因素的影響,大壩的穩(wěn)定性和溢洪道的排洪能力可能出現(xiàn)退化和不足的情況,這給水庫的安全運行帶來了潛在風險。為確保水庫的安全運行,石河水庫除險加固工程被提出并啟動。該工程的主要目標是通過對大壩及溢洪道進行設(shè)計和加固,提高其抗洪能力、穩(wěn)定性和排洪能力,以應(yīng)對極端氣候事件和洪水威脅。

1 項目概況

石河水庫位于陽江市江城區(qū)白沙街道,漠陽江一級支流馬崗河的上游,距陽江市20 km。水庫集雨面積28.23 km2,總庫容3258 萬m3,是一座以灌溉為主,結(jié)合防洪、供水、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫,承擔江城區(qū)白沙街道（原屬陽東縣,2003 年撤鎮(zhèn)劃歸江城區(qū)）和高新區(qū)平崗鎮(zhèn)（原屬江城區(qū),2008 年劃歸高新區(qū)）3.65 萬畝農(nóng)田的灌溉任務(wù)并兼負白沙街道、平崗鎮(zhèn)共1.1 萬人口、1.66 萬畝農(nóng)田以及羅陽高速、325 國道、陽江火車站及一批工商企業(yè)等的防洪任務(wù)。工程始建于1958 年11 月,1963 年3 月竣工投入使用,水庫主要建筑物有：土壩一座、輸水涵二座、溢洪道一座。

經(jīng)水利部大壩安全管理中心核查,石河水庫大壩被鑒定為三類壩,水庫大壩存在滲透破壞隱患,輸水涵（左）現(xiàn)狀不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,水庫管理房墻壁開裂滲水等問題,每到汛期時水庫管理部門都要投入大量人力、物力看護、巡視水庫,確保安全度汛,牽扯了干部群眾的精力,影響了當?shù)氐纳a(chǎn)和經(jīng)濟建設(shè),因此,及時對水庫除險加固是對庫區(qū)干部、群眾生產(chǎn)和經(jīng)濟建設(shè)的支持,是為了確保水庫自身安全穩(wěn)定,保證大壩安全運行,保障管理工作有序開展。

2 大壩除險加固工程設(shè)計

2.1 現(xiàn)狀復(fù)核

根據(jù)現(xiàn)場實測壩前成果,壩前水深成果見表1。

表1 壩前水深及平均水深成果表

由計算結(jié)果分析可知,本次除險加固汛限水位未變,仍為12.10 m,即按照12.10 m 開始調(diào)洪。現(xiàn)狀壩頂高程17.80 m,大于計算壩頂高程17.65 m。且上游已設(shè)置防浪墻,頂高程為18.30 m,因此石河水庫大壩壩頂高程滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2.2 壩體防滲方案比選

針對水庫大壩防滲的工程措施,本次除險加固設(shè)計對以下2 種方案進行比選,各項方案主要工程量見表2。

表2 防滲方案主要工程量對比表

方案一：在壩頂沿壩軸線澆筑地下連續(xù)墻。采用液壓抓斗開槽,在壩軸線上游側(cè)澆筑混凝土防滲墻。設(shè)計墻厚0.40 m,平均澆筑深25 m,混凝土防滲墻伸入強風化巖層0.50 m,壩長500 m。由于施工需要,需要在壩頂處臨時填筑一個10 m 寬的施工平臺,于背水坡填筑。

方案二：在迎水側(cè)高程11.6 m 平行壩軸線澆筑地下連續(xù)墻。將迎水側(cè)11.6 m 以上的現(xiàn)狀護坡拆除,澆筑混凝土面板,混凝土面板厚度0.30 m。采用液壓抓斗開槽,在迎水側(cè)高程11.6 m 處平行壩軸線澆筑混凝土防滲墻。設(shè)計墻厚0.40 m,平均澆筑深度18 m,混凝土防滲墻伸入強風化巖層0.50 m,壩長500 m。由于施工需要,需要在迎水側(cè)11.60 m 處臨時填筑一個10 m 寬的施工平臺。

通過對兩種方案的對比,方案一投資較低,由于防滲軸線位于壩體頂部,因此施工時僅需在背水坡填筑5 m 施工平臺即可,雖然防滲墻開槽、防滲墻混凝土澆筑深度較深,但相較方案二施工難度較低,安全系數(shù)較高。方案二防滲軸線位于迎水坡壩坡處,雖然防滲墻深度較淺,但填筑施工平臺難度較高,且需要拆除重建迎水坡混凝土面板。從經(jīng)濟性、施工難度等多方面考慮,本次防滲方案選擇方案一,在壩頂沿壩軸線澆筑地下連續(xù)墻[1]。

2.3 壩體防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)《石河水庫大壩安全鑒定書》及以上方案比選內(nèi)容,擬采取澆筑地下連續(xù)防滲墻的處理方法解決大壩及壩基的滲漏問題。在壩頂處沿壩軸線偏上游側(cè)澆筑混凝土防滲墻,防滲墻頂高程為17.80 m,墻厚0.40 m,采用液壓抓斗的成槽方法,澆筑C30W8F50 商品混凝土。現(xiàn)狀壩頂寬度5 m,在背水坡填筑5 m,形成10 m 的工作平臺,背水坡填筑采用臨時坡比1∶1.5,施工結(jié)束后,將馬道以上的壩體背水坡采用1∶2 削坡。施工前,兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)墻,導(dǎo)墻的型式為L 型,導(dǎo)墻尺寸為0.2 m×1.5 m,導(dǎo)墻頂面略高于施工平臺（17.80 m）,墻體澆筑后,予以拆除。防滲墻由壩體左側(cè)至右側(cè)全壩段澆筑,根據(jù)地質(zhì)勘查成果,墻體伸入強風化巖層0.50 m。

按照原有斷面型式進行恢復(fù),基礎(chǔ)采用0.20 m 粗砂墊層,上部設(shè)置0.40 m M10 漿砌石護坡,頂層設(shè)置0.15 m C30W8F50 混凝土面板,面板每10 m 設(shè)置一道縱向縫,通長澆筑,不設(shè)置橫向縫。迎水側(cè)護坡設(shè)置3 排PVC 排水孔,直徑50 mm,間距5 m,梅花形布置。第一道排水孔位于12.1 m 處,第二道排水孔位于13.6 m,第三道排水孔位于15.1 m 處。

防滲墻厚度采用如下公式進行計算[2]：

式中：B 為防滲墻寬度,m；K 為安全系數(shù),取5；ΔH為水頭差,取7.1 m；Jmax為防滲墻滲透破壞坡降,取100。

經(jīng)計算,B=0.355 m,參考已建工程經(jīng)驗,并結(jié)合工程施工難度,設(shè)計防滲墻厚度取0.40 m。

2.4 壩體滲流穩(wěn)定計算

壩體滲流計算采用Autobank7.0 進行有限元計算,根據(jù)本次地質(zhì)勘查情況,選取壩體最不利斷面K0+400 進行計算。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》,滲流計算水位組合包括以下4 種,見表3。

表3 計算工況

通過采用有限元計算的方法,計算得出大壩穩(wěn)定滲流結(jié)果見表4。

表4 出逸比降計算成果表

由表4 可知,通過對壩體最不利斷面進行計算,分析計算結(jié)果可知：在各個工況下,出逸點位置均位于背水坡坡腳排水棱體內(nèi),且各工況出逸比降小于土體允許比降,滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.5 壩體穩(wěn)定計算

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,穩(wěn)定計算五種工況見表5。

表5 穩(wěn)定計算工況表

由圖1 可知,在各個工況下,壩體最不利斷面的穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求。

圖1 壩體穩(wěn)定計算結(jié)果

2.6 防浪墻修復(fù)

現(xiàn)狀防浪墻局部墻面破損,下壩階梯處的防浪墻有缺口,防浪墻未閉合,防浪墻表面的貼磚大部分損壞。根據(jù)大壩高程復(fù)核結(jié)果可知,現(xiàn)狀壩頂滿足規(guī)范要求,因此,僅對破損的防浪墻進行修復(fù)設(shè)計,并不封閉壩頂缺口。對現(xiàn)狀防浪墻進行維修改造。將防浪墻表面貼磚拆除,對原防浪墻進行鑿毛處理后,重新澆筑混凝土,采用C30 混凝土,頂面、外側(cè)襯砌青石板,長度630 m。

3 結(jié)語

本文以石河水庫大壩除險加固為研究對象,針對大壩的安全隱患進行深入分析,通過復(fù)核發(fā)現(xiàn),本次除險加固汛限水位未變,仍為12.10 m,現(xiàn)狀壩頂高程17.80 m,頂高程為18.30 m,大壩壩頂高程滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。大壩防滲方案選擇在壩頂沿壩軸線澆筑地下連續(xù)墻,施工工藝采用液壓抓斗造砼防滲墻方案,設(shè)計防滲墻厚度取0.40 m,對原防浪墻進行鑿毛處理后,重新澆筑混凝土,采用C30 混凝土,頂面、外側(cè)襯砌青石板,長度630 m。加固后水庫的安全性得到了提高,實現(xiàn)了防滲加固的預(yù)期目標。