吳春榮

(江門市新會區(qū)水利水電勘測設(shè)計有限公司，廣東 江門 529100)

1 工程概況

磨刀水水庫位于開平市月山鎮(zhèn)水四村，距月山鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)約9 km。水庫集雨面積為2.35 km2，總庫容153×104m3，灌溉面積133.333 hm2，捍衛(wèi)耕地面積66.667 hm2，防洪保護人口0.13萬人，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、供水、養(yǎng)殖、生態(tài)等綜合利用的小(Ⅰ)型水庫。水庫為Ⅳ等工程，主要建筑物為4級，設(shè)計洪水標準為30年一遇，校核洪水標準為500年一遇。經(jīng)水文復核計算，正常蓄水位41.0 m， 相應(yīng)庫容116.5×104m3；設(shè)計洪水位42.63 m(P=3.33%)，相應(yīng)庫容142×104m3；校核洪水位43.34 m(P=0.2%)，相應(yīng)庫容為153×104m3；死水位26.5 m，相應(yīng)庫容為3.7×104m3。樞紐工程主要建筑物由大壩、溢洪道以及輸水涵管所組成。

由于受當時各種歷時條件的限制，大壩為均質(zhì)土壩，大壩壩體為砂巖風化殘積土回填而成，稍壓實，壩體與壩基接觸部位發(fā)現(xiàn)有砂礫層分布，建壩時清基不良，含泥砂卵礫石層，滲透性能多以中等～弱透水性為主。經(jīng)日常巡查發(fā)現(xiàn)，水庫大壩背水坡反濾體下游有多處明顯滲漏情況，滲漏量較大，左壩腳出現(xiàn)“牛皮脹”，部分反濾體堵塞失效長滿雜草；且大壩無測壓管等水工觀測設(shè)施，無相應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)，存在較大的安全隱患。為確保水庫工程安全，充分發(fā)揮水庫工程效益，對磨刀水水庫大壩加固刻不容緩。

2 大壩除險加固設(shè)計

2.1 壩頂結(jié)構(gòu)加固

經(jīng)壩頂高程復核計算，計算壩頂高程為 44.08 m ，而大壩現(xiàn)狀壩頂高程為 45. 10～44.70 m ，現(xiàn)狀防浪墻頂高程 45.51～45.16 m ，水庫大壩的壩頂高程滿足《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 189-2013)的要求[1]。

本次壩頂加固方案如下：壩頂加寬至 4.5 m(不含路緣石、迎水側(cè)現(xiàn)狀防撞墩)，路面高程加高至 45.00 m，鋪設(shè)6%水泥石屑0.15 m，長205 m。

2.2 壩體防滲反濾設(shè)計

根據(jù)鉆孔揭露情況，磨刀水水庫壩體填筑土(層號①)多由砂巖風化殘積土回填而成，以粉質(zhì)黏土為主，灰黃、灰紅色，稍濕，巖芯多呈松散狀，層厚9.0～20.5 m，層底高程20.75～34.89 m?，F(xiàn)場注水11段，得出滲透系數(shù)平均值為k=5.15×10-4cm/s，滲透性能屬中等透水性。為此，本次設(shè)計對大壩進行防滲處理，防滲措施為對壩體進行灌漿，其中樁號 0+000～樁號0+032、樁號0+159～樁號0+202采用充填灌漿；樁號0+032～0+159采用高壓噴射灌漿。充填灌漿沿壩軸線兩側(cè)各1 m布置2排灌漿孔，灌漿孔孔距 2 m，排距 2.0 m，呈梅花形布置，灌漿孔伸至壩基全風化砂巖層2 m，共計灌漿進尺1 005.6 m。高噴灌漿沿壩軸線布置1排灌漿孔，灌漿孔孔距 1 m，灌漿孔伸至壩基全風化砂巖層2 m，高壓噴射灌漿采用單排三管高壓擺噴折線搭接灌漿，擺噴角度 30°，共計灌漿進尺927.99 m。

設(shè)計拆除重建下游壩腳排水棱體，設(shè)計排水棱體長65 m，棱體頂高程為21.00 m，棱體底高程為17.40 m。排水體上游面與基底面設(shè)反濾層，從內(nèi)向外分別為粗砂層、碎石層(粒徑10～20)、碎石層(粒徑20～40)，各層厚度均為0.2 m，排水體上游坡1∶1，下游坡1∶1.5，棱體頂寬2.84 m，下游坡腳處設(shè)磚砌排水溝，側(cè)墻采用M7.5水泥砂漿砌MU10砼普通磚，厚240 mm，底板為C20砼厚100 mm，斷面尺寸為0.6 m×0.5 m(凈寬×凈高)。排水體頂部采用C20砼壓頂，厚度0.1 m，排水棱體頂靠壩坡側(cè)設(shè)磚砌縱向排水溝，側(cè)墻采用M7.5水泥砂漿砌MU10砼普通磚，厚180 mm，底板為C20砼厚100 mm，斷面尺寸為0.4 m×0.3 m(凈寬×凈高)。壩腳排水棱體施工完成后，按設(shè)計斷面對開挖影響壩坡進行土方回填壓實，并種植草皮(大葉油草)護坡[2]。

2.3 觀測設(shè)計

為保證大壩工程安全正常運行，需要設(shè)置必要的觀測設(shè)施。根據(jù)《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 551-2012)和《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 2189-2013)要求，對于小型土石壩的觀測，一般以肉眼檢查和外部觀測為主。結(jié)合本工程具體情況，適當簡化，本次設(shè)計在大壩中部設(shè)測壓管4處，測壓管分別位于壩體迎水坡靠近壩頂、背水坡靠近壩頂、壩體背水坡一級平臺、二級平臺下游側(cè)。

3 大壩加固后復核計算

3.1 滲流穩(wěn)定分析

3.1.1 計算工況

本次水庫大壩除險加固后，設(shè)計擬定以下幾種工況進行滲流分析，具體壩坡滲流穩(wěn)定計算工況條件見表1。

表1 有限元滲流穩(wěn)定計算工況

當校核洪水位降落至正常蓄水位時，水位降落曲線采用 500 年一遇調(diào)洪過程線，校核洪水位為 43.34 m，相應(yīng)庫容為153×104m3；正常蓄水位41.0 m，相應(yīng)庫容為116.5×104m3，庫容差 36.5×104m3。根據(jù)水庫運行控制和調(diào)洪演算，校核洪水位降至正常蓄水位時的降落時間約為2.79 h。

3.1.2 計算參數(shù)

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 189-2013)建議， 計算滲流量時滲透系數(shù)k值采用大值平均值，計算庫水位降落時的浸潤線滲透系數(shù)k值采用小值平均值。給水度u由程序根據(jù)滲透系數(shù)k和孔隙比e計算確定。具體計算參數(shù)見表2。

表2 滲透系數(shù)的選取

3.1.3 典型計算斷面

滲流分析應(yīng)選擇最大壩高處斷面進行計算，計算斷面以現(xiàn)場實際壩體斷面的外部輪廓線為基礎(chǔ)，結(jié)合土壩設(shè)計資料，作適當?shù)暮喕幚頂M定邊界輪廓，以便于計算分析。見圖1。

圖1 大壩滲流計算土質(zhì)分層示意圖

3.1.4 計算結(jié)果

土壩滲流分析采用河海大學工程力學研究所研發(fā)的《水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng) AutoBANK 7.7》軟件，計算方法采用有限元法，各工況計算結(jié)果見表3。

表3 大壩滲流計算成果表

根據(jù)計算結(jié)果可知，水庫大壩灌漿后設(shè)計壩體單寬滲流量較小，滲水從反濾體溢出，最大滲透比降也小于允許比降[3]。

3.2 抗滑穩(wěn)定分析

3.2.1 計算斷面

本次計算選擇大壩最大斷面進行計算。大壩計算斷面由上至下土層分別為填筑土、含泥砂卵礫石、全風化砂巖、強風化砂巖，壩后有干砌石貼坡排水體。計算斷面見圖2。

圖2 大壩計算最大斷面

3.2.2 計算方法

本次壩體抗滑穩(wěn)定復核采用簡化畢肖普法。穩(wěn)定系數(shù)計算公式為：

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/m；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點半徑之間的夾角,(°)；b為土條寬度,m；c′、φ′為土條底面有效應(yīng)力抗剪強度指標；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩,kN·m；R為圓弧半徑,m。

壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001)規(guī)定，見表4。

表4 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)表(簡化畢肖普法)

3.2.3 計算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001)， 磨刀水水庫大壩壩坡穩(wěn)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 41.0 m(相應(yīng)下游無水，壩腳高程為 18.66 m ，以下同) 穩(wěn)定滲流下的上下游壩坡。

2) 正常運用條件：上游設(shè)計洪水位 42.63 m 穩(wěn)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 33.0 m 穩(wěn)定滲流下的上游坡。

4) 正常運用條件：庫水位從正常蓄水位 41.0 m 按正常泄洪降至死水位 26.5 m 的現(xiàn)狀壩體非穩(wěn)定滲流的上游坡。

5) 非常運用條件I：上游校核洪水位 43.36 m 穩(wěn)定滲流下的下游壩坡。

6) 非常運用條件I：庫水位從校核洪水位 43.36 m 按正常泄洪降至正常蓄水位 41.0 m 的現(xiàn)狀壩體非穩(wěn)定滲流的上游坡。

3.2.4 計算結(jié)果及分析

壩坡穩(wěn)定計算采用水利部黃委設(shè)計院與河海大學工程力學研究所聯(lián)合研制的《土石壩穩(wěn)定分析系統(tǒng) r1.3》軟件，用簡化畢肖普法計算穩(wěn)定滲流期以及非穩(wěn)定滲流期壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。土體的抗剪強度指標根據(jù)規(guī)范要求進行選取，各工況采用有效應(yīng)力法進行計算。壩體浸潤線采用相應(yīng)工作條件下的滲流計算結(jié)果，見表5。

表5 壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)成果表

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，現(xiàn)狀大壩在各種工況下，大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的要求。

4 結(jié) 論

針對磨刀水水庫大壩壩體、壩腳滲漏嚴重問題，結(jié)合工程實際情況，本次除險加固設(shè)計對大壩的壩頂進行加高、加寬設(shè)計，對壩體防滲進行反濾設(shè)計，并采用充填灌漿和高壓噴射灌漿進行防滲處理，下游壩腳采用重拆重建，大壩中部設(shè)測壓管。水庫除險加固工程完成后，壩體、壩腳滲漏、牛皮脹問題得到解決，水庫的蓄水、發(fā)電能力得到提高，同時增設(shè)的觀測設(shè)施使系統(tǒng)能及時掌握水庫各種工況下的滲流情況，保障了水庫的安全運行。