馬 立，趙心宇，伍美華

（杭州水利水電勘測設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 311200）

我國現(xiàn)有的小型農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施，經(jīng)過幾十年的運行使用，普遍存在運行效率低、安全難達標等問題[1，2]。為確保此類水利設(shè)施的利用效益最大化、排除潛在的安全隱患，必須對其進行除險加固改造升級[3，4]。

牌坊塢水庫經(jīng)過48 a 的運行，已成為亟待治理的病險水庫。通過系統(tǒng)排查，目前該水庫大壩存在較多安全隱患，包括壩體填土壓實度較差、壩體及壩基滲透性不達標、壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不滿足要求、附屬設(shè)施老化或缺失等問題。為保證該水庫大壩的安全運行和功能高效發(fā)揮，對現(xiàn)存安全隱患進行了針對性除險加固設(shè)計及處理，并同步開展工程質(zhì)量與運行管理評價、防洪標準復核、水庫大壩結(jié)構(gòu)安全計算等系統(tǒng)性的水庫大壩安全評價工作。

1 工程概況

牌坊塢水庫是一座以灌溉為主的?。?）型水利工程，灌溉面積213.33 hm2。水庫位于臨安區(qū)太陽鎮(zhèn)登村，壩址以上主源長3.12 km，集雨面積2.98 km2，總庫容24.3 萬m3，正常庫容19.8 萬m3。樞紐由攔河壩、溢洪道、輸水建筑物等組成。攔河壩為黏土心墻土壩，壩高20 m，壩頂寬4.7～5.7 m，壩軸線長約50 m，壩頂高程287.65～287.85 m。水庫大壩典型橫剖面，如圖1所示。

圖1 水庫大壩典型橫剖面

2 工程地質(zhì)條件及評價

2.1 基本工程地質(zhì)條件

牌坊塢水庫位于天目山脈，所在流域地勢總體為西北高、東南低，微向東南傾斜。地貌形態(tài)是以凝灰?guī)r為主的低山、高丘地貌。庫壩區(qū)出露地層較單一，主要為侏羅系上統(tǒng)勞村組凝灰?guī)r和第四系松散堆積物。場地地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主，無較大的斷層通過。物理地質(zhì)現(xiàn)象以小型土質(zhì)滑坡為主，未發(fā)現(xiàn)其他不良地質(zhì)現(xiàn)象。測區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)較大斷層分布。

壩址區(qū)地下水以孔隙潛水和基巖裂隙水為主，孔隙潛水分布于覆蓋層內(nèi)，基巖裂隙水分布于基巖表層或節(jié)理裂隙帶內(nèi)，壩基基巖上部透水率較小，多為弱透水性。河床及兩壩肩弱風化基巖為弱透水性。

根據(jù)調(diào)查分析，壩殼填土由基巖上層殘積含礫黏土與表層全風化、強風化層與開挖料填筑而成，稍密。含礫量一般50.0%～60.0%，個別達70%，含砂量20%～30%，黏粒含量10%～20%，根據(jù)現(xiàn)場探坑注水試驗，滲透系數(shù)為4.80×10-3cm/s，屬強透水。

心墻填土為粉質(zhì)黏土，多呈硬可塑狀態(tài)，局部含礫，礫徑0.2～2.0 cm，含礫量一般在10.0%～20.0%，含水量一般在26.8%～38.5%。土的分散度3.3%～6.1%，為非分散性土。

2.2 壩區(qū)工程地質(zhì)評價

工程區(qū)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定，地震動峰加速度小于0.05 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》[5]可不進行抗震計算。

壩體經(jīng)工程地質(zhì)鉆探和注水試驗揭露，心墻填土以粉質(zhì)黏土為主，局部含礫，平均滲透系數(shù)K=8.72×10-5cm/s，滲透系數(shù)大值平均值K=2.24×10-4cm/s，建議滲透系數(shù)K=2.24×10-4cm/s，為弱—中等透水性。滲透性不滿足規(guī)范要求。大壩壓實度＞0.96 的比例僅為30%，壓實度＜0.90 的比例高達20%，填土壓實度較差，碾壓填筑質(zhì)量不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

根據(jù)鉆孔注水試驗，壩基強風化基巖為中等透水性，弱風化凝灰?guī)r基巖面以下為弱透水性，壩基滲透性不滿足規(guī)范要求。

3 壩體主要工程問題及除險加固措施

3.1 主要工程問題

牌坊塢水庫運行以來已經(jīng)歷多次洪水考驗，在灌溉、防洪等方面發(fā)揮了較大的經(jīng)濟和社會效益。由于水庫大壩運行時間較長，并缺乏必要的管理設(shè)施，大壩及其附屬設(shè)施存在較多問題，主體工程存在嚴重安全問題。

經(jīng)現(xiàn)場檢查，大壩壩腳存在滲漏現(xiàn)象；大壩迎水坡坡面高低起伏，凹凸不平，塊石護砌不完整，存在較為嚴重的風化、損壞情況；背水坡不平整，右壩坡堆有松散塊石，壩腳為干砌石擋墻。溢洪道左岸漿砌塊石邊墻老化，灌木雜草叢生；右側(cè)天然山體邊坡無護砌，局部塊石風化坍塌，出現(xiàn)懸空面。溢洪道漿砌石底板老化破碎，出現(xiàn)滲漏情況。溢流堰體混凝土已老化破碎，右端出現(xiàn)滲漏情況；壩下放水設(shè)施為漿砌石方涵與素混凝土圓涵組合涵管，年久失修，存在斷裂隱患，危及大壩安全。放水涵管進口采用啟閉機控制，啟閉設(shè)施銹蝕，拉桿上螺絲銹蝕脫落。啟閉機房較為狹小、破舊，無法滿足水庫日常管理運用需要；大壩未設(shè)置必要的沉降、滲流等安全監(jiān)測設(shè)施；水庫運行近40 a 來基本未進行過清淤治理。另外，經(jīng)復核計算大壩滲漏安全不滿足要求，大壩結(jié)構(gòu)安全不符合規(guī)范要求。除險加固前的水庫大壩，如圖2所示。

圖2 除險加固前的水庫大壩

總體上，目前水庫大壩存在的主要問題包括：大壩滲漏不滿足規(guī)范要求，壩腳存在少量滲漏現(xiàn)象，大壩穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，無必要的大壩監(jiān)測設(shè)施等。這些不但嚴重影響了水庫綜合效益的正常發(fā)揮，而且還會對下游人民的生命財產(chǎn)安全造成威脅。

3.2 除險加固措施

為滿足工程安全要求，同時考慮經(jīng)濟合理性，將壩頂寬度設(shè)置為6 m，壩頂平整后高程為287.80 m，壩長50 m，壩頂寬6 m，采用厚8 cm 瀝青路面，下部為水泥穩(wěn)定碎石層，厚20 cm。大壩無防浪墻，上游側(cè)設(shè)不銹鋼欄桿，除險加固后的大壩橫剖面如圖3 所示。上游壩坡現(xiàn)有塊石清除，整個坡面整平至1∶3.0，為方塊石護坡，方塊石規(guī)格為30 cm×30 cm×20 cm，下部為15 cm 厚的碎石墊層，為減少土方開挖，在壩坡高程285.20 m 處設(shè)置3 m 寬馬道，在壩踵處新建M10 漿砌塊石齒墻，壩坡與山體接觸部位新建M10漿砌塊石界墻。下游壩坡夯實后整平至1∶2.0，在高程279.80 m 處設(shè)置1 條2.0 m 寬的馬道，將下游壩坡分為2 級，在壩趾處新建排水棱體、壩坡與山坡交接處設(shè)岸坡排水溝。下游壩坡采用草皮護坡，下部鋪30 cm 厚的種植土。為了便于運行管理，下游壩坡新建1 道1.5 m寬的C20混凝土踏步。

圖3 水庫大壩除險加固設(shè)計橫剖面

重建溢洪道進口段及漸變段的兩側(cè)導墻及底板，泄槽段左岸導墻。進口段側(cè)堰堰體拆除重建，基礎(chǔ)開挖至弱風化基巖。為減少堰體開挖，底板采用“L”形C20 混凝土結(jié)構(gòu)，齒墻深1 m，底板厚0.3 m。堰體為C25 混凝土溢流堰，長20 m，寬1.5 m。側(cè)槽首端底高程283.5 m，寬2.0 m；末端底高程283.10 m，寬6.85 m。溢洪道平直段長6 m，寬6.5～6.0 m，左側(cè)為C25 混凝土截滲墻，右側(cè)為C20 混凝土護坡。泄槽段長52 m，左岸為M10漿砌石擋墻，擋墻高2.0 m；右側(cè)為C20 混凝土護坡，底板坡度根據(jù)現(xiàn)狀坡度清除表面風化塊石，樁號Y0+024—Y0+043 段底板采用C20混凝土襯砌、厚20 cm，樁號Y0+043—Y0+076段清除表面風化塊石、不襯砌。泄槽段末端連接3 m長平直段，寬4.2 m，防止底部淘刷。新開1 條林道作為上壩道路，道路寬3.0 m、長626 m。

水庫大壩最大高度為20.0 m，目前的虹吸及開挖埋管均不合理，采用非開挖定向鉆孔布置放水涵管。灌溉放水涵管的管徑可減小為300 mm，管道供水規(guī)模為700 m3/d，取水管管徑為200 mm，將放水涵管與取水管一并布置在非開挖定向鉆孔孔徑為700 mm 涵洞內(nèi)。涵管進口高程為268.10 m，出口高程為265.00 m。涵管出口設(shè)出水池，底板高程264.70 m。

水庫金屬結(jié)構(gòu)主要有啟閉機、進水口攔污柵、閘閥等。經(jīng)計算，開啟力P0=5.91 t，閉合力Pw=4.72 t，考慮安全余量，本工程采用啟閉力為10 t 的手動啟閉機，啟閉機拉桿采用φ60 圓鋼拉桿。攔污柵位于進水池上端，尺寸為0.88 m×1.2 m，以30 mm×3 mm 的扁鋼焊接而成，鋼筋間距55.6 mm，表面采用防銹蝕處理措施。涵洞孔徑為0.3 m，進口設(shè)直徑40 cm 的平板插門。

另外，進行水庫清淤也十分必要?？紤]到牌坊塢水庫庫區(qū)較大，清淤位置可偏向水庫飲用水取水口。

牌坊塢水庫滲漏很小，滲流量基本穩(wěn)定，且大壩壩體心墻很寬，故不對大壩壩體做防滲加固。水庫壩基上部強風化基巖為中等透水性，下部弱風化凝灰?guī)r基巖面以下為弱透水性，因此對壩基滲漏采用帷幕灌漿處理，在原壩頂軸線位置處布置單排灌漿孔，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三序進行鉆孔灌漿，終孔距為2.0 m，孔深深入巖基相對隔水層（透水率≤10 Lu）以下5 m。

4 壩體抗滑穩(wěn)定復核

4.1 巖土體參數(shù)及計算模型

大壩主要建筑物級別為5 級，為心墻壩，可使用理正軟件采用瑞典圓弧法開展穩(wěn)定性計算分析[6]。各土層材料的物理力學參數(shù)，詳見表1。

表1 大壩各分區(qū)土體的物理力學指標

模型計算范圍上表面取至壩頂，壩基的深度及向上、下游延伸長度各取1.0 倍壩高，大壩穩(wěn)定計算斷面如圖4所示。

圖4 大壩穩(wěn)定計算斷面

4.2 壩體抗滑穩(wěn)定計算成果

大壩壩坡穩(wěn)定分析應(yīng)分別計算上、下游壩坡在穩(wěn)定滲流期以及庫水位降落期的抗滑穩(wěn)定性。各工況下大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算成果，詳見表2。

表2 各工況下壩坡穩(wěn)定分析成果

正常蓄水工況下壩坡的穩(wěn)定性特征，如圖5 所示。根據(jù)計算結(jié)果，除險加固后的大壩在各運行工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均可滿足規(guī)范要求。

圖5 正常蓄水工況下壩坡穩(wěn)定性特征

5 結(jié)論

牌坊塢水庫建造年代較早，受當時條件限制，目前存在嚴重的安全問題，主要包括大壩防洪安全不達標、壩基滲漏問題較突出及壩體穩(wěn)定性偏低等，嚴重影響了水庫的正常運行。通過開展系統(tǒng)性的除險加固設(shè)計及處理，該水庫大壩穩(wěn)定性可滿足規(guī)范規(guī)程要求，保證了整個小型水利設(shè)施的安全運行及功能高效發(fā)揮。相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗可為同類工程提供一定的借鑒。