潘世勇

(貴州省畢節(jié)市勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 畢節(jié) 551700)

論水庫大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

潘世勇

(貴州省畢節(jié)市勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 畢節(jié) 551700)

紅陽水庫位于織金縣后寨鄉(xiāng)小橋村境內(nèi)，地處三岔河流域大壩河上游一條小支流喇叭河上，屬長江流域?yàn)踅?。水庫所在流域?qū)俦眮啛釒?，冬春半干燥夏季濕潤型，冬長而暖，夏短而涼。文章作者主要是根據(jù)自身多年工作經(jīng)驗(yàn)對水庫大壩的情況進(jìn)行了分析。通過對紅陽水庫大壩加固前的安全復(fù)核相關(guān)計(jì)算，以及對大壩進(jìn)行的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的復(fù)核相關(guān)計(jì)算，分析比較了加固設(shè)計(jì)前后的水庫大壩的穩(wěn)定性。對水庫的修建過程進(jìn)行了一系列的詳細(xì)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，僅供同行參考。

水庫；大壩；除險(xiǎn)；加固；復(fù)核

1 工程概況

紅陽水庫位于織金縣后寨鄉(xiāng)小橋村境內(nèi)，地處三岔河流域大壩河上游一條小支流喇叭河上，屬長江流域?yàn)踅怠?/p>

水庫所在流域?qū)俦眮啛釒?，冬春半干燥夏季濕潤型，冬長而暖，夏短而涼。年平均氣溫14.1℃，最冷月1月平均氣溫4.0℃，最熱月7月平均氣溫22.5℃，極端最高氣溫33.5℃，極端最低氣溫-12.1℃。平均無霜期為281.1d。年平均降雨量1392.7mm，集中于下半年。年平均日照數(shù)1172.2h。

工程樞紐主要由大壩、溢洪道等組成。大壩為表面土斜墻砌石壩，經(jīng)安全復(fù)核，壩頂高程為1685.48m，最大壩高38.98m，最大壩寬為178.68m。壩頂為小型車輛通村交通路，路面為泥結(jié)石鋪墊。大壩上游為黏土填筑，馬道(1663.50m高程)以上坡比為1∶2.6，為前期灌漿平臺(tái)，寬2.3m壩面采用塑料薄膜進(jìn)行防滲，C15混凝土預(yù)制塊加以保護(hù)；1659.25～1663.50m高程坡比為1∶3.2，1659.25設(shè)有一馬道，寬度為4.15m，壩面采用干砌塊石進(jìn)行護(hù)坡。大壩下游采用干砌塊石砌筑，在1662.00m高程設(shè)有一馬道，寬2.2m，馬道以上壩坡坡比為1∶1，以下壩坡坡比為1∶1.1，坡度較陡。

2 大壩穩(wěn)定安全復(fù)核

2.1 滲流計(jì)算

2.1.1 計(jì)算公式

滲透逸出水力坡降J=△h/b；土體破壞時(shí)臨界水力坡降[Jcr]=(Gs-1)(1-n)；土體允許水力坡降J=Jcr/K[1-2]。安全系數(shù)K取1.5～2.0，本工程取1.5，則壩體填筑黏土允許滲透比降J=Jcr/K=(2.7-1)(1-0.41)/1.5=0.67。紅陽水庫大壩為斜墻砌石壩，上游壩段采用均質(zhì)黏土填筑，下游壩段采用干砌塊石砌筑，大壩塊石部分滲透比降很小，故只判別壩體填筑黏土的滲透穩(wěn)定。

2.1.2 計(jì)算結(jié)果

除險(xiǎn)加固后滲流計(jì)算結(jié)果如下：

1)正常蓄水位(1683.30m)+下游無水的情況下所形成的穩(wěn)定滲流浸潤線見圖1。

壩體單寬滲流量為3.25×10-4m/s，壩體滲流寬度按105m計(jì)算，壩體總滲流量為0.034m3/s，即約34L/s。

壩體填筑黏土滲流逸出水力坡降為J=△h/b=0.71>[J1]=0.67，壩體滲流性態(tài)不安全。

2)校核洪水位(1685.40m)+下游無水的情況下所形成的穩(wěn)定滲流浸潤線見圖2。

壩體單寬滲流量為3.43×10-4m3/s，壩體滲流寬度按105m計(jì)算，壩體總滲流量為0.036m3/s，即約36L/s。

壩體填筑黏土滲流逸出水力坡降為J=△h/b=0.72>[J1]=0.67，壩體滲流性態(tài)不安全。

3)水庫水位由正常蓄水位(1683.30m)驟降至死水位(1658.00m)時(shí)的不穩(wěn)定滲流浸潤線見圖3。

圖1正常蓄水位時(shí)壩體穩(wěn)定滲流浸潤線圖

圖2 校核洪水位時(shí)壩體穩(wěn)定滲流浸潤線圖

圖3 水位降落期壩體浸潤線圖

水位降落期庫水位由正常蓄水位驟降死水位時(shí)壩體填筑黏土滲透逸出水力坡降為J=△h/b=0.512<[J1]=0.67，壩體滲流性態(tài)安全。

經(jīng)以上計(jì)算，大壩滲流性態(tài)不安全。

2.2 穩(wěn)定計(jì)算

主要包括2個(gè)方面的內(nèi)容：

2.2.1 計(jì)算方法

計(jì)算采用瑞典圓弧法和簡化Bishop法，運(yùn)用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所編寫的AUTOBANK軟件進(jìn)行運(yùn)算[3]。計(jì)算時(shí)考慮大壩壩頂荷載對壩坡穩(wěn)定的影響，荷載大小為20kN/m。

計(jì)算公式為：

v=kJ(達(dá)西定律)

(1)

(2)

(3)

式中：k為滲流系數(shù)，cm/s；J為滲流坡降；W為土條重量；Q、V分別為水平和垂直的地震慣性力，(向上為負(fù)，向下為正)；u為作用與圖條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c′φ、′為有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩；R—圓弧半徑。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果

大壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 大壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

通過對紅陽水庫大壩進(jìn)行滲流及壩坡穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，結(jié)果表明，穩(wěn)定滲流期大壩滲流形態(tài)不安全，非穩(wěn)定滲流期大壩滲流形態(tài)安全。正常運(yùn)用條件下大壩上游壩坡滿足穩(wěn)定要求，下游壩坡不滿足穩(wěn)定要求；非常規(guī)運(yùn)用條件下上游壩坡滿足穩(wěn)定要求，下游壩坡不滿足穩(wěn)定要求。大壩結(jié)構(gòu)存在安全隱患。

3 大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

針對大壩現(xiàn)狀存在的安全隱患，本次除險(xiǎn)加固考慮以下處理措施：大壩壩頂寬5.7m，壩頂凹凸不平，本次除險(xiǎn)加固對壩頂進(jìn)行整平，并滿足交通要求，先鋪設(shè)10cm厚碎石墊層并夯實(shí)，然后澆筑厚20cm C15混凝土，并每8m設(shè)置一道伸縮縫，壩頂向下游側(cè)按3%坡降放坡，外側(cè)修建一條30cm×30cm排水溝。拆除壩頂上游側(cè)鋼筋混凝土欄桿，新建防浪墻，寬20cm，采用C15混凝土結(jié)構(gòu)，呈“L”型，墻頂高程為1686.48m。

經(jīng)過比選與綜合分析得出，從大壩上游壩坡馬道以上至壩頂采用0.5mm厚PE復(fù)合土工膜防滲。先拆除原混凝土預(yù)制塊及干砌石護(hù)坡、原防滲塑料薄膜，清除壩面雜物，并對壩面基礎(chǔ)進(jìn)行夯實(shí)。采用10cm細(xì)砂墊層找平壓實(shí)，鋪設(shè)0.5mm厚的PE復(fù)合土工膜，再采用10cm厚的細(xì)砂作PE復(fù)合土工膜保護(hù)層，保護(hù)層的鋪蓋速度應(yīng)與鋪設(shè)土工膜速度相配合，最后用8cm厚的C15混凝土預(yù)制塊對上游壩面進(jìn)行護(hù)坡，預(yù)制塊邊長為20cm的正六邊形，中間留2cm圓孔進(jìn)行排氣。上游面每隔20m設(shè)置一道防滑槽，防滑槽共2道，槽內(nèi)采用黏土回填。黏土回填必須過篩，其粒徑≤6mm，下落高度≤30cm，回填30cm松土層后方可用輕碾壓實(shí)，其壓實(shí)度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。土工膜周邊設(shè)置防滲墻，防滲墻接合1988年施工的帷幕灌漿線布置，每隔10m設(shè)一道沉降縫，縫寬2cm，并用遇水膨脹定型橡膠止水，縫口用瀝青沙漿填縫。上游馬道處防滲墻寬2.3m，深0.6m，周邊防滲墻寬1.2m，深度≥1.5m。土工膜應(yīng)嵌固于防滲墻和壩頂C15混凝土嵌固墻中或防浪墻中，嵌固墻及防浪墻中每隔10m設(shè)一道沉降縫，縫寬2cm，并用瀝青沙漿止水。馬道以下的上游壩面不作整治。

為防止防滲墻接觸帶滲漏，同時(shí)接合1988年施工的帷幕灌漿形成防滲帷幕，庫區(qū)左右岸的帷幕線布置抵岸坡，左岸沿伸至壩頂，右岸沿伸至1988年施工的帷幕線上，并作相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)對接觸帶進(jìn)行防滲灌漿處理，灌漿采用單排孔布置，分三個(gè)次序孔施工，孔距3m，灌漿底界進(jìn)入基巖或土體3m，帷幕線總長243m，造孔82個(gè)，工程造孔總進(jìn)尺1653m，帷幕灌漿進(jìn)尺1475m，防滲墻兼作土工膜的嵌固墻和灌漿平臺(tái)之用。

4 除險(xiǎn)加固后復(fù)核評價(jià)

4.1 滲流計(jì)算

4.1.1 計(jì)算公式

滲透逸出水力坡降J=△h/b；土體破壞時(shí)臨界水力坡降[Jcr]=(Gs-1)(1-n)；土體允許水力坡降J=Jcr/K。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，安全系數(shù)K取1.5～2.0，本工程取1.5，則壩體填筑黏土允許滲透比降J=Jcr/K=(2.7-1)(1-0.41)/1.5=0.67。紅陽水庫大壩為斜墻砌石壩，上游壩段采用均質(zhì)黏土填筑，下游壩段采用干砌塊石砌筑，大壩塊石部分滲透比降很小，故只判別壩體填筑黏土的滲透穩(wěn)定。

4.1.2 計(jì)算結(jié)果

除險(xiǎn)加固后滲流計(jì)算結(jié)果如下：

1)壩體單寬滲流量為2.95×10-5m3/s，壩體滲流寬度按105m計(jì)算，壩體總滲流量為0.003m3/s，即約3L/s。

壩體填筑黏土滲流逸出水力坡降為J=△h/b=0.41<[J1]=0.67，壩體滲流性態(tài)安全。

2)校核洪水位(1685.40m)+下游無水的情況下所形成的穩(wěn)定滲流；壩體單寬滲流量為3.17×10-5m3/s，壩體滲流寬度按105m計(jì)算，壩體總滲流量為0.0033m3/s，即約3.3L/s。

壩體填筑黏土滲流逸出水力坡降為J=△h/b=0.43<[J1]=0.67，壩體滲流性態(tài)安全。

3)水位降落期庫水位由正常蓄水位驟降死水位時(shí)壩體填筑黏土滲透逸出水力坡降為J=△h/b=0.36<[J1]=0.67，壩體滲流性態(tài)安全。

經(jīng)以上計(jì)算，除險(xiǎn)加固后壩體滲流形態(tài)安全，浸潤線明顯降低。

4.2 穩(wěn)定計(jì)算

4.2.1 計(jì)算方法

計(jì)算采用瑞典圓弧法和簡化Bishop法，運(yùn)用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所編寫的AUTOBANK軟件進(jìn)行運(yùn)算。計(jì)算時(shí)考慮大壩壩頂荷載對壩坡穩(wěn)定的影響，荷載大小為20kN/m。

計(jì)算公式如下：

v=kJ(達(dá)西定律)

(4)

(5)

(6)

式中：k為滲流系數(shù)，cm/s；J為滲流坡降；W為土條重量；Q、V為分別為水平和垂直的地震慣性力，(向上為負(fù)，向下為正)；u為作用與圖條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c′、φ′為有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩；R為圓弧半徑。

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

大壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表見表2。

表2 大壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

5 結(jié) 語

通過計(jì)算，并且對上述數(shù)據(jù)研究，可發(fā)現(xiàn)除險(xiǎn)加固后紅陽水庫大壩在3種工況下均滿足穩(wěn)定要求。

[1]羅淑香.水庫除險(xiǎn)加固措施探討[J].民營科技，2010(02)：138.

[2]傅忠友，吳雪雄.病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固項(xiàng)目管理[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[3]林永鋒，符興義.層次分析法在水庫除險(xiǎn)加固效果評價(jià)中的應(yīng)用[J].山西建筑，2010，36(05)：357-358.

1007-7596(2014)01-0120-04

2013-09-13

潘世勇(1981-)，男，貴州織金人，工程師，研究方向?yàn)樗姽こ淘O(shè)計(jì)。

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