袁曉玲 胡順能 伍儀保 高菊英

（三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002）

我國是世界筑壩大國，堤壩類型多，從20世紀50年代末至70年代修建的水庫約8萬座.由于當時的歷史原因和科技認識水平的限制，相當一部分水庫大壩是邊勘測、邊設計、邊施工的，后來加之運行管理不善，有許多水庫大壩成為病險壩［1］，更為嚴重的是潰壩失事.據(jù)不完全統(tǒng)計，在已建8.5萬座水庫中，病險水庫約占40%.大量病險水庫的存在，一方面危及廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全；另一方面導致工程效益減退，制約著經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展.因此，水庫的除險加固工作非常重要.

本文結(jié)合成都市龍泉驛區(qū)大田水庫大壩下游壩坡散浸的工程病害，提出了砂井排滲和砂墊層排滲的加固方案.并對兩種方案進行了三維滲流對比分析，經(jīng)技術經(jīng)濟比較選定最優(yōu)加固方案.

1 工程概況

大田水庫位于成都市龍泉區(qū)茶店鎮(zhèn)大田村，所處河流為袁家溝上游，流域內(nèi)海拔分布在638～524m之間.流域內(nèi)農(nóng)墾發(fā)達，農(nóng)作物以紅苕、玉米為主.流域內(nèi)年最大降水量1305.5mm，最少降水量657.7 mm，降水量集中在6～9月，占全年降水量的75%.干旱年來水量185萬m3，水庫原主要灌溉茶店鎮(zhèn)、山泉鎮(zhèn)5200畝農(nóng)田，以及解決茶店鎮(zhèn)和山泉鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水［2］.大田水庫設計洪水位594.26m，校核洪水位594.53m，正常蓄水位593.00m，死水位575.09 m，總庫容159萬m3，興利庫容119萬m3，死庫容15萬m3.本工程樞紐設計為Ⅳ等四級建筑物.水庫樞紐主要建筑物由攔河大壩、側(cè)槽式溢洪道、放水設施等組成.大壩為粘土斜墻石渣壩，最大壩高35.5m，壩頂長199m，壩頂寬4.8m，壩頂高程596.10m.大壩橫剖面圖如圖1所示.

圖1 大田水庫橫剖面圖

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，大田水庫目前存在的主要問題是:大壩下游574m高程坡面有散浸現(xiàn)象，據(jù)觀測大壩下游散浸較為嚴重，散浸面積達776m2.本文主要研究下游壩坡坡面散浸加固的工程措施.

2 大田水庫加固方案研究

通過對壩體現(xiàn)狀滲流分析，因壩殼料滲透系數(shù)偏小，壩體在正常、設計和校核各種工況下，浸潤線位置較高，造成壩內(nèi)滲透水長期從后壩坡中下部逸出散浸，與現(xiàn)場實際情況吻合，說明原排水褥墊失效.壩腳減壓擋土墻結(jié)構不利于排出壩體滲水，對下游坡穩(wěn)定不利.從穩(wěn)定分析成果來看，壩體下游坡在正常和非正常工作條件下的最小穩(wěn)定安全系數(shù)均較規(guī)范小，說明壩體下游因浸潤線位置較原設計高出許多，使壩坡穩(wěn)定條件惡化.因此大田水庫的主要病害原因是排水褥墊失效，造成下游壩坡浸潤線抬高，大壩下游散浸較為嚴重，從而導致下游壩坡存在滑坡的危害.

為改善下游壩坡穩(wěn)定條件，大田水庫除險加固的關鍵是降低壩體浸潤線，改善壩體滲流場分布.結(jié)合大田水庫的實際情況，運用土石壩滲流控制“上堵下排”的基本原理，“堵”就是用防滲措施不讓或少讓滲流經(jīng)過壩基；“排”就是用導滲措施把已進入壩基的滲流安全排走.大田水庫先前在上游壩坡鋪設防滲土工膜，但是下游散浸現(xiàn)象依然沒有得到有效的解決，因此在設置除險加固方案首要的考慮下游排滲加固的方法.

壩身滲漏加固方法:（1）導滲溝法；（2）導滲培厚法；（3）導滲砂槽法（砂井）；（4）開挖回填高透水性材料（砂墊層）.導滲溝法適用于壩體散浸不嚴重，不致引起壩坡失穩(wěn)時的情況；導滲培厚法適用于壩體散浸嚴重，滲水在排水設施以上逸出，且壩身單薄，壩坡較陡，要求在處理壩面滲水的同時增加下游壩坡的穩(wěn)定性.顯然導滲溝和導滲培厚法不適用于大田水庫的排滲加固.因此本文主要研究砂井法和開挖回填高透水性材料加固方法.經(jīng)過比較分析研究出如下兩種方案的排滲加固措施:

（1）砂井

為改善下游壩坡穩(wěn)定條件，降低浸潤線，采用在壩體下游坡下部鉆、挖砂井以降低浸潤線.具體方法為:在580.00m高程及其以下沿壩橫向鉆挖砂井至坡腳，砂井斷面為圓形，孔徑為1.0m，砂井與砂井外圓相切，相鄰兩砂井圓心距離0.8m，根據(jù)大壩下游坡的寬度，砂井共布置12行，兩行圓心距6.0m，砂井的鉆挖深度從壩坡表面至壩基礎，其深度在18.2～1.0m，砂井從底部高程至566.00m高程填筑透水性強的粗砂，砂井從566.00m高程以上填筑石渣.同時在漿砌條石減壓墻上鉆排水孔，孔徑0.05m，排行距1.0m，排水孔呈梅花形布置.

（2）砂墊層方案

針對滲漏的現(xiàn)狀，結(jié)合壩體的實際情況，本次整治設計對壩體的穩(wěn)定進行了安全復核，經(jīng)計算，自壩體下游575.0m高程處向下開挖1∶1.5的臨時邊坡至壩趾處排水拱圈頂部，然后回填高透水性的砂礫石料至原大壩輪廓，該方案能達到降低浸潤線，減少壩體散浸的要求.同時結(jié)合本次設計的下游排水溝把滲水排到壩趾處并匯流入大田水庫.考慮下游坡的美觀，清除下游坡50cm厚的表土及雜草，回填至原輪廓并種植草皮.大壩經(jīng)2006年上游坡進行的土工膜防滲處理，下游壩坡大面積散浸現(xiàn)象得到了有效控制，但仍然有局部的散浸現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)漏水比較嚴重的部位位于下游壩坡574.0m高程附近，靠近下游坡第二級馬道.針對這一情況，設計上采用開挖部分壩料置換成高透水性的沙礫石料，以加強壩坡排水保障大壩的安全.具體設計方案為:沿壩坡按1∶1.5的邊坡從高程575.00m至高程564.00m挖出原壩料，然后依次鋪設厚為20cm的砂、30cm的碎石，沿壩坡表層鋪設厚為6cm的預制砼六棱塊，其余部分用石渣料填充.并在壩腳566.0m高程處設排水溝，采用M7.5漿砌磚筑成，M10砂漿勾縫，排水溝尺寸為30cm×50cm，漿砌磚厚度為20cm.

3 加固方案比較分析

為了分析比較上述兩種排滲方案的優(yōu)劣性，利用ANSYS軟件分別建立三維滲流有限元分析模型［3－6］，計算降低浸潤線的排滲效果.

3.1 現(xiàn)狀三維滲流分析（排水褥墊失效情況）

（1）計算簡圖三維有限元計算模型

模型計算范圍是上、下游各取兩倍壩高，壩基取一倍壩高.沿Z方向（壩軸線方向）長度為66m，沿X軸方向長為338.66m，沿Y方向長度為73.9m.為了簡化計算，在進行三維滲流計算中，只考慮土壩的壩體和壩基滲流，不考慮繞壩滲流，故計算模型未考慮左右兩岸的山體.

（2）計算參數(shù)

計算參數(shù)列于表1.

表1 砂井方案壩體滲透系數(shù)

（3）計算成果見圖2～5.

3.2 砂井方案三維滲流分析

模型計算范圍同現(xiàn)狀計算模型.

（1）計算參數(shù).計算參數(shù)列于表2.

表2 砂井方案壩體滲透系數(shù)

（2）計算成果.計算成果如圖6～9所示.

3.3 排水砂墊層方案三維滲流分析

模型計算范圍同現(xiàn)狀計算模型.

（1）計算參數(shù)見表3.

表3 砂墊層方案壩體滲透系數(shù)

（2）計算成果如圖10～13所示.

3.4 加固方案三維滲流成果分析

（1）從圖2～5可以看出，壩體浸潤線（自由面）在下游壩坡的出逸點較高，根據(jù)ANSYS滲流迭代計算結(jié)果大約在572.7m，主要是因為壩體排水褥墊失效，壩體風化石渣壩料滲透系數(shù)較小，從而使浸潤線位置較高，從滲透坡降等值線分布圖來看，在心墻部位坡降較大，達到2.5，均小于土體允許的滲透坡降5，不會發(fā)生滲透破壞.

（2）從圖6～9可以看出，砂井方案壩體浸潤線在下游壩坡與現(xiàn)狀相比有較大的降低，逸出點高程為571.7m.浸潤線有所降低，但是下游出逸點仍然較高，還會在下游壩坡形成散浸區(qū)，這是因為盡管在下游壩坡散浸區(qū)開挖了很多條形的砂井帶，并回填透水性能較好的粗砂，顯然可以改善下游壩坡排滲的條件，但是由于原壩殼料為風化石渣壩料，且其滲透系數(shù)較小，使其在沿壩軸線方向的滲流積聚效應不是很好，滲流會在沿著砂井條帶浸潤面降低得較快，從滲流壓力整體模型圖可以看出，自由面得到也得到了降低.砂井方案滲透坡降在心墻部位較大，砂井部位也較大.但是均不會產(chǎn)生滲透破壞.

（3）從圖10～13可以看出，排水砂墊層方案壩體浸潤線同現(xiàn)狀和砂井方案相比，有了顯著的降低，逸出點高程為564.6m，相比現(xiàn)狀572.7m降低了8.1m，解決了滲流在下游壩坡散浸的問題，滲流將會從壩腳漿砌條擋土墻上的梅花排水孔排出.砂墊層之所以可以顯著降低浸潤線，主要是因為在下游壩坡全斷面都設置了透水性能較好的砂墊層，為積聚在壩內(nèi)的滲水找到了很好的出口.

4 加固方案比選擇優(yōu)

從砂井方案和排水砂墊層的分析比較可以看出，砂墊層降低下游壩坡浸潤線效果顯著.從施工技術上來說，砂井需要在下游壩坡利用鉆機鉆孔，并在鉆孔內(nèi)回填粗砂，施工程序多，造價較高；而砂墊層方案只需要在下游壩坡進行開挖一部分土料置換成高透水性的材料在進行回填，但是在對下游開挖施工的時候存在一定的風險，在整治時需要將上游水位降低以保證壩體的安全.經(jīng)技術經(jīng)濟綜合比較，選用排水砂墊層方案.

［1］汝乃華，牛云光.大壩事故與安全·土石壩［M］.北京:水利水電出版社，1999.

［2］成都市水利電力設計研究院.大田水庫初步設計報告及初步設計圖冊，2001.

［3］許玉景，孫克俐，黃福才.ANSYS軟件在土壩滲流穩(wěn)定計算中的應用［J］.水力發(fā)電，2003，29（4）:69－71.

［4］陳 江.基于ANSYS的滲流自由面計算方法［J］.巖土工程技術，2008，22（5）:236－240.

［5］許玉景，孫克俐，黃福才.ANSYS軟件在土壩滲流穩(wěn)定計算中的應用［J］.水力發(fā)電，2003，4（4）:69－71.

［6］杜二霞.均質(zhì)土壩滲流有限元分析研究［D］.石家莊:河北農(nóng)業(yè)大學，2004.