源神廟水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

張世泉

1 工程概況

源神廟水庫(kù)位于汾河一級(jí)支流惠濟(jì)河?xùn)|支的中游、尹回水庫(kù)上游15km處，地處平遙縣城東南的朱坑鄉(xiāng)源神廟村。樞紐主要由大壩、溢洪道、泄洪洞及輸水洞組成，總庫(kù)容376萬(wàn)m3，是一座以供水為主、兼顧防洪、灌溉等綜合利用的?。ㄒ唬┬退畮?kù)。工程等級(jí)為Ⅳ等，主要永久性建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要永久性建筑物及臨時(shí)性建筑物級(jí)別為5級(jí)。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。

大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，壩頂長(zhǎng)250m，壩頂高程980.721m，最大壩高28m；溢洪道位于大壩左端，為河岸正槽開敞式。泄洪洞位于大壩0+033m處，由涵洞和進(jìn)水塔兩部分組成。進(jìn)水塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高28.48m，由工作橋與壩頂相連。輸水洞位于大壩0+147m處，進(jìn)水口采用臥管型式，共18級(jí)。

由于大壩設(shè)施不配套、壩體質(zhì)量差、壩基壩肩滲漏嚴(yán)重等問(wèn)題，建成近五十年來(lái)一直處于低水位運(yùn)行，難以發(fā)揮其應(yīng)有的效益。

2 工程地質(zhì)條件

源神廟水庫(kù)壩址河床高程951.0m，左岸山梁高程1180.0m，相對(duì)高差230m。河流方向N79°W，壩軸線方向N19°E，河流較順直。河谷左岸較陡，右岸較緩，呈不對(duì)稱“U”型谷。

左壩肩為基巖岸坡，上部為長(zhǎng)石砂巖，下部為泥巖；右壩肩上部為上更新統(tǒng)低液限黏土層（岸邊局部卵石混合土之上無(wú)土層覆蓋），厚度6.5～26.0m；下部為上更新統(tǒng)沖積卵石混合土，厚度12.7～25.0m，卵石混合土之下為長(zhǎng)石砂巖夾泥巖層。

壩基河床高程951m左右，可分為兩段，樁號(hào)0+030.4～0+133段壩基為第四系全新統(tǒng)卵石混合土，厚3.4m，基巖面高程945.4m，樁號(hào)0+133～0+180段壩基表層為第四系全新統(tǒng)低液限黏土覆蓋，厚2.0～2.5m，土層之下為厚度7.0m左右的卵石混合土層，基巖面高程 947.0～948.0m。

3 大壩壩體質(zhì)量缺陷分析

源神廟水庫(kù)始建于1957年，1958年9月土壩填筑到高度16m時(shí)，工程下馬，1959年蓄水運(yùn)行，1971年大壩左端決口，1972—1973年回填并將大壩加高至20m，1976年續(xù)建，大壩加高至現(xiàn)狀壩高28m。限于當(dāng)時(shí)的歷史背景和技術(shù)條件，大壩工程的質(zhì)量難以嚴(yán)格控制。

3.1 壩基滲漏及右壩肩繞壩滲漏

1957年建庫(kù)時(shí)，壩基未進(jìn)行處理，僅在卵石混合土層上填了薄層次生土。大壩直接座落在卵石混合土層上，右壩肩卵石混合土層也未做防滲處理，是造成水庫(kù)滲漏的主要原因。

3.2 壩體施工質(zhì)量差

大壩填筑過(guò)程歷經(jīng)20年，土料中混有含砂量大的土，含水率控制不嚴(yán)，多采用人工壓實(shí)填筑，干密度多達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，壩體整體填筑質(zhì)量差。

與壩軸線近平行的裂縫有兩條，其中一條位于上游壩坡樁號(hào)0+125馬道處（高程972.7m）至0+209馬道向下游6m處（高程975.3m），延伸長(zhǎng)84m，裂縫寬度2～5cm，虛土局部充填；另一條自樁號(hào)0+122上游壩坡馬道向下游9m（高程976.6m）處，與前一條大體平行，向左延伸約10m，裂縫寬度0.5～2.0cm，虛土半充填。這些裂縫呈現(xiàn)的寬度較大，與冬季土體收縮有關(guān)。

4 大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

4.1 大壩除險(xiǎn)加固工程措施

現(xiàn)狀大壩施工質(zhì)量差，壩頂寬度小且為土路，不滿足防汛搶險(xiǎn)交通要求；下游壩坡較陡，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于允許值；壩體無(wú)排水設(shè)施，浸潤(rùn)線在壩坡出逸；壩面草皮護(hù)坡沖刷損壞，干砌石護(hù)坡風(fēng)化、坍塌；兩條土排水溝均已不起作用；壩基壩肩滲漏嚴(yán)重，右壩肩存在繞滲穩(wěn)定問(wèn)題。所有這些都嚴(yán)重影響大壩的安全運(yùn)行。擬采取的加固處理措施為：對(duì)壩體裂縫進(jìn)行充填灌漿；壩頂加寬硬化，下游壩坡培厚，增設(shè)排水棱體，重建排水溝；上游壩坡更換草皮護(hù)坡為干砌石護(hù)坡并整修馬道以下風(fēng)化、坍塌的干砌石；增加壩體觀測(cè)設(shè)施；對(duì)右壩肩繞滲增設(shè)排水反濾帶。

4.1.1 壩體裂縫充填灌漿

對(duì)壩體裂縫進(jìn)行充填灌漿。灌漿孔沿裂縫布孔，孔距1.5m，孔深至960m，按照由疏到密的原則，分兩序孔施工。制漿黏土先用孔徑25mm鐵篩篩過(guò)后制漿，漿液經(jīng)35孔/cm2濾篩過(guò)濾后進(jìn)行灌漿。泥漿采用1.2～1.6t/m3，初期為 1.4～1.2t/m3，疏通孔后采用濃漿1.4～1.6t/m3，施灌時(shí)加1.5%的水玻璃，以起分散作用。灌漿時(shí)全孔灌注，使孔內(nèi)泥漿由孔底返向全孔，處于半循環(huán)狀態(tài)。

灌漿全部結(jié)束后，布置5%的檢查孔進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.1.2 壩頂加寬硬化

維持現(xiàn)狀壩頂高程不變，對(duì)不足設(shè)計(jì)高度的部位填平補(bǔ)齊?？紤]防汛搶險(xiǎn)及壩頂防浪墻的設(shè)置要求，壩頂擬加寬至6m，用泥結(jié)石硬化，路面按2%向下游側(cè)放坡。壩頂上游側(cè)防浪墻高1.0m，厚0.5m，漿砌石結(jié)構(gòu)，表面1∶2水泥砂漿抹面，每15m設(shè)沉陷縫一道。下游側(cè)設(shè)C20預(yù)制混凝土路緣石，匯集路面雨水與下游壩坡排水溝連通。路緣石總高0.60cm，上部0.3m，下部0.3m，矩形斷面。

4.1.3 上游壩坡干砌石護(hù)坡

清除上游壩坡馬道以上草皮護(hù)坡并清基0.8m，徹底清除表層腐質(zhì)土，更換40cm厚干砌石護(hù)坡，干砌石護(hù)坡以下設(shè)20cm厚碎石墊層和20cm厚砂。對(duì)馬道以下風(fēng)化、坍塌的干砌石進(jìn)行拆除、更換。

4.1.4 下游壩坡培厚，增設(shè)排水棱體，重建排水溝

拆除現(xiàn)狀下游壩坡的干砌石護(hù)坡及草皮護(hù)坡，清基1m，徹底清除表層腐質(zhì)土。結(jié)合壩頂加寬，將下游壩坡自上而下設(shè)置為 1∶2.5，1∶3.0，在高程 968.721m處設(shè)馬道，馬道寬1.5m。下游壩腳增設(shè)排水棱體，棱體頂寬2.0m，高4.25m，頂部高程956.971m，棱體內(nèi)、外側(cè)邊坡均為1∶1.5，棱體與壩體接觸部位設(shè)反濾料，厚0.55m。

壩體培厚土料用右岸土料場(chǎng)黏性土，要求壓實(shí)度不小于98%。排水棱體所用石料主要利用溢洪道開挖石料。

壩坡培厚碾壓完成后，清除表層未碾壓土，按設(shè)計(jì)坡比整修壩坡。壩坡采用草皮護(hù)坡，于馬道內(nèi)側(cè)設(shè)縱向排水溝，每隔50m設(shè)一橫向排水溝，縱橫相連通，將水排至下游河道。排水溝斷面尺寸為0.4m×0.3m（壩坡排水溝），0.5m×0.3m（岸坡排水溝），M7.5漿砌石結(jié)構(gòu)。

4.1.5 壩體觀測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

根據(jù)工程管理需要，設(shè)置大壩安全性觀測(cè)項(xiàng)目，主要有大壩沉降觀測(cè)和水平位移觀測(cè)、壩體滲壓觀測(cè)、壩基滲壓觀測(cè)、繞壩滲壓觀測(cè)及量水堰。

4.1.6 右壩肩繞滲排水處理

為防止右壩肩發(fā)生滲透破壞，設(shè)計(jì)采取右岸坡腳設(shè)反濾層帶并增加堆石壓重的辦法進(jìn)行處理。具體措施為，在壩下游右岸坡腳現(xiàn)狀滲水出逸處挖開鋪設(shè)一條反濾層帶，總長(zhǎng)120m，并結(jié)合棄渣場(chǎng)設(shè)置，上部堆放溢洪道開挖石渣，滲水通過(guò)集水渠匯集后送入城北集中供水工程過(guò)濾池。

4.2 大壩滲流、穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算

4.2.1 滲漏量及壩體浸潤(rùn)線計(jì)算

根據(jù)壩體現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)及對(duì)壩體取樣資料的分析，將壩體概化為透水地基上的均質(zhì)土壩，選用最大斷面進(jìn)行分析計(jì)算。同時(shí)，按正常蓄水位975.221m和1/3壩高水位（967.8m）兩種庫(kù)水位情況分析壩體的滲流狀態(tài)。

滲流量計(jì)算采用《滲流計(jì)算分析與控制》中透水地基上均質(zhì)土壩計(jì)算式，經(jīng)計(jì)算：年最大滲漏量為125 萬(wàn) m3。

After adding metamaterial to the design of simple patch， the structure will be as below:

4.2.2 壩體及壩基滲透穩(wěn)定分析

4.2.2.1 壩體滲透穩(wěn)定計(jì)算

壩體為均質(zhì)土壩，允許滲透坡降為0.35，滲流計(jì)算采用北京理正軟件開發(fā)公司編制的《滲流計(jì)算分析軟件》，計(jì)算方法采用有限元法。

經(jīng)計(jì)算，正常蓄水位情況壩體滲透比降為0.142，小于允許滲透比降0.35，滿足穩(wěn)定要求。

4.2.2.2 壩基滲透穩(wěn)定計(jì)算

考慮水庫(kù)淤積層的作用，設(shè)計(jì)正常蓄水位時(shí)，計(jì)算壩基水力比降為0.98，小于地基的允許水力比降1.2，壩基滿足滲透穩(wěn)定要求。

4.2.3 大壩邊坡穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，上下游壩坡穩(wěn)定分析按下述兩種工況進(jìn)行分析：

正常工況：水庫(kù)水位降落時(shí)上游壩坡穩(wěn)定性；正常蓄水位（975.221m）時(shí)穩(wěn)定滲流期的下游壩坡穩(wěn)定性；1/3壩高水位967.8m時(shí)穩(wěn)定滲流期的上游壩坡穩(wěn)定性。

非常工況：指正常運(yùn)用加地震情況下的穩(wěn)定性。

計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 大壩穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表

砂卵石地基重度為2.09g/cm3，摩擦角31°。堆石體參照類似工程，摩擦角25°，相對(duì)密度為2.1g/cm3。

4.2.4 穩(wěn)定計(jì)算

采用不計(jì)條間作用力的瑞典圓弧法和計(jì)條間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法兩種方法計(jì)算。各種計(jì)算工況均按整體壩坡（從壩頂至壩底，簡(jiǎn)稱深滑?。┖婉R道以上壩坡（從壩頂至馬道，簡(jiǎn)稱淺滑?。﹥煞N可能情況進(jìn)行穩(wěn)定分析。

大壩加固后，在各種工況運(yùn)行條件下，用瑞典圓弧法和用畢肖普法計(jì)算的下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，小水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程比較多，所以在實(shí)踐中要合理分析壩體質(zhì)量缺陷的原因，并采取相應(yīng)工程措施，主要通過(guò)計(jì)算壩體滲流、分析大壩上、下坡在不同工況下的穩(wěn)定性，使其安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，提高大壩安全性。