水庫主壩存在的問題及防滲加固設(shè)計(jì)

姜志水

【摘 要】壩體滲漏和裂縫是水庫大壩運(yùn)行過程中常見的質(zhì)量通病，若不進(jìn)行有效的防滲加固處理，則會影響到水庫的質(zhì)量安全。為此，本文結(jié)合工程實(shí)例，分析了水庫主壩加固前的狀況及存在的問題，重點(diǎn)就水庫主壩防滲加固工作進(jìn)行探討，可供類似防滲加固工程參考。

【關(guān)鍵詞】水庫；基礎(chǔ)處理；壩坡設(shè)計(jì)；防滲加固

水庫作為水利工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要組成部分，是攔洪蓄水和調(diào)節(jié)水流的水利工程建筑物，主要擔(dān)負(fù)著防洪、發(fā)電、灌溉和供水等重任，在促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面具有重要的作用。但由于我國大多數(shù)水庫使用年限較長，加上受到地質(zhì)條件、施工和人員操作等因素的影響，水庫主壩壩體時(shí)常會出現(xiàn)滲漏和裂縫等質(zhì)量通病，如不進(jìn)行合理的控制和防范，不僅會影響到水庫功能的正常發(fā)揮，嚴(yán)重情況下很可能導(dǎo)致人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失。因此，水庫應(yīng)對出現(xiàn)質(zhì)量通病的壩體進(jìn)行防滲加固處理，確保水庫的質(zhì)量安全。

1.工程概況

某水庫是一座以防洪為主，兼顧養(yǎng)殖、灌溉和防洪等功能的中型水庫，壩頂長度為115.00m，寬度為7.00m，壩頂高程為235.31m，最大壩高50.00m，壩頂設(shè)高1.00m的混凝土防浪墻，采用人工堆石、定向爆破堆石和含礫砂粉質(zhì)粘土作為壩體。

2.主壩存在的問題

主壩填筑壓實(shí)度與防滲體系達(dá)不到現(xiàn)行規(guī)范要求，并造成壩體沉降量大和多次出現(xiàn)裂縫，工程質(zhì)量不合格。主壩防滲體系存在缺陷，斜墻填筑質(zhì)量差，滲透性偏大，過大沉降產(chǎn)生的橫向裂縫可能進(jìn)一步削弱了斜墻的防滲功能；左、右壩肩存在繞壩滲漏接觸帶滲漏；主壩滲透穩(wěn)定性不滿足要求。

壩體變形量大，最大累計(jì)沉降量達(dá)829mm，最大沉降率為1.86%，遠(yuǎn)超過一般經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范要求，運(yùn)行中曾出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫尤其是出現(xiàn)過與壩軸線斜交裂縫，存在一定的安全隱患，而且水庫一直限制低水位運(yùn)行，未經(jīng)受高水位考驗(yàn)；下游坡偏陡，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不能滿足規(guī)范要求，主壩上游采用草皮護(hù)坡，不符合規(guī)范要求，主壩結(jié)構(gòu)不安全。

監(jiān)測設(shè)施落后、不完善，監(jiān)測布置不合理，監(jiān)測手段落后。主壩存在蟻害隱患。

水庫攔河壩存在病險(xiǎn)與安全隱患，屬“三類壩”。

3.主壩防滲加固設(shè)計(jì)

3.1 主壩防滲加固方案的選擇

考慮到興建工程時(shí)的特殊歷史情況和長期運(yùn)行中所出現(xiàn)的問題，水庫主壩目前存在諸多安全隱患問題，主壩防滲體存在質(zhì)量問題，粘土斜墻以及粘土斜墻與壩基接觸段存在滲漏和滲透變形，需進(jìn)行防滲加固處理。主壩防滲加固處理的目的是截?cái)鄩误w和接觸段的滲漏通道。針對工程特點(diǎn)和存在的問題，提出了對主壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理的多個(gè)方案，通過鋼筋混凝土面板防滲加固方案和瀝青混凝土面板防滲加固方案等多方案的綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后，選用鋼筋混凝土面板防滲加固方案。

3.2 主壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒于混凝土面板對變形的敏感性較強(qiáng)，而原人工堆實(shí)體和爆破堆石體未經(jīng)碾壓，彈性模量較小，受力后變形較大，而面板堆石壩主堆石區(qū)為壩體的主要支承體，面板受水壓作用后，大部分的力通過主堆石區(qū)傳遞至壩基，因此為減少變形，對部分人工堆實(shí)體和爆破堆石體予以挖除，重新填筑主堆石區(qū)。

首先挖除高程230.31m以上壩體結(jié)構(gòu)、原上游壩面的粘土斜墻、原反濾層和原部分人工堆石、部分爆破堆石，開挖后上游壩坡為1：1.3，開挖后河床段上游壩腳距離壩軸線（原壩頂中心）距離為55.00m。壩面防滲采用新建鋼筋混凝土面板防滲。在開挖面上游側(cè)分區(qū)填筑，分層碾壓，自上游至下游依次分為3個(gè)主要填筑區(qū)：墊層區(qū)（2A區(qū)，水平寬度2.00m）、過渡區(qū)（3A區(qū)，水平寬度5.50m）、主堆石區(qū)（3B區(qū)）。另在面板周邊縫附近設(shè)置特殊墊層區(qū)（2B區(qū)）。下游壩坡設(shè)坡面處理區(qū)。

3.3 主壩基礎(chǔ)處理

趾板范圍內(nèi)所有地質(zhì)鉆孔必須進(jìn)行封孔，孔口高程低于正常蓄水位的鉆孔須全孔封堵，孔口高程高于正常蓄水位的鉆孔，封口高程為233.51m。為減少地基沉陷和壩基滲漏，趾板基礎(chǔ)要求置于弱風(fēng)化基巖上。對趾板基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)和帷幕灌漿，固結(jié)灌漿孔為兩排，排距3.0m、孔距3.0m，建基面以下孔深5.0m；防滲帷幕孔一排，帷幕孔距2m，孔深要求深入相對不透水層（透水率≤3Lu）以下5.0m，左岸帷幕延伸到正常蓄水位與相對隔水層線相交處，右岸帷幕延伸到與副壩左岸防滲帷幕相連接。為防止趾板在基礎(chǔ)灌漿時(shí)被抬動，趾板基礎(chǔ)設(shè)有錨筋，錨筋間距為1.50m×1.50m，伸入基巖內(nèi)2m。通過趾板的斷層需按其破碎帶寬度的1.5倍深挖，回填C15混凝土處理并向下游延伸5m。

3.4 主壩下游壩坡設(shè)計(jì)

3.4.1 安全鑒定壩坡穩(wěn)定分析情況

安全鑒定時(shí)下游壩坡穩(wěn)定分析選擇主壩最大壩高斷面進(jìn)行分析，分析方法采用簡化畢肖普法進(jìn)行分析計(jì)算，滑裂面為圓弧，材料抗剪強(qiáng)度采用有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)計(jì)算得出下游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.16，不滿足規(guī)范要求。

3.4.2 下游壩坡坡度的確定

（1）下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算方法

根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）第8.3.4條的規(guī)定：“面板堆石壩的粗粒料（堆石體）應(yīng)采用非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算”。對于粗粒料，內(nèi)摩擦角隨法向應(yīng)力增加而減少，呈現(xiàn)明顯的非線性現(xiàn)象，即抗剪強(qiáng)度是小主應(yīng)力的函數(shù)，在靠近壩坡面的小應(yīng)力部位抗剪強(qiáng)度或內(nèi)摩擦角較高，在靠近壩底的高應(yīng)力部位抗剪強(qiáng)度或內(nèi)摩擦角較低，但由于目前采用非線性計(jì)算的工程還比較少，經(jīng)驗(yàn)還不多，規(guī)范沒有規(guī)定采用非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL228-98）第5.3.1條的規(guī)定：“混凝土面板堆石壩壩坡參照已建工程選用，一般可不進(jìn)行穩(wěn)定分析，當(dāng)存在下列情況之一時(shí)，須進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)定分析：①壩基有軟弱夾層或壩基砂礫石層中存在細(xì)砂層、粉砂層或粘性土夾層；②壩址位于地震設(shè)計(jì)烈度8、9度的壩；③施工期堆石壩體過水或堆石壩體用墊層擋水度汛、且擋水水深較高時(shí)；④壩體用軟巖堆石料填筑；⑤地形條件不利”?？紤]到本工程趾板基礎(chǔ)考慮座落于基巖上，其余壩基表層土均予以挖除，爆破堆石和人工堆石均未進(jìn)行碾壓，故對下游壩坡進(jìn)行壩坡抗滑穩(wěn)定分析。

下游壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用簡化畢肖普法，滑裂面采用折線，選取大壩最大斷面進(jìn)行計(jì)算。簡化畢肖普法按下式計(jì)算：

（4）下游壩坡保持不變的可能性

下游壩坡保持不變下游壩坡計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 下游壩坡保持不變抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果

由計(jì)算結(jié)果可知，在下游壩坡保持不變時(shí)工況一、工況二條件下下游抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，因此下游壩坡保持不變是不可能的，須對下游壩坡進(jìn)行放緩處理。

（5）下游壩坡坡度的確定

常規(guī)混凝土面板堆石壩壩體堆石料經(jīng)過碾壓后壩坡一般采用1：1.3或1.4，本工程壩體堆石料為爆破堆石和人工堆石均未進(jìn)行碾壓，壩坡須適當(dāng)放緩，參照已建類似工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合布置要求，將下游壩坡放緩至1：1.5，即對原下游一、二級馬道以上壩坡進(jìn)行放緩壩坡處理：壩坡與原二級馬道以下壩坡一樣，均放緩至1：1.5（以下游二級馬道下游邊為基準(zhǔn)，在高程216.31m、225.31m處各設(shè)一級寬2.00m的馬道）。即以下游二級馬道下游邊為基準(zhǔn)，在高程216.31m、225.31m處各設(shè)一級寬2.00m的馬道，一、二級壩坡均放緩至1：1.5，高程216.31m以下壩坡保持不變。

對下游壩坡放緩后的抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，確定其合理性。

下游壩坡放緩后下游壩坡計(jì)算結(jié)果見表3。

根據(jù)計(jì)算成果表明，下游壩坡放緩后下游壩坡抗滑穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，且在正常運(yùn)用條件工況二（設(shè)計(jì)洪水位時(shí)）略大于規(guī)范要求，僅僅大了0.005，因此表明下游壩坡放緩至1：1.5是合理的，也是經(jīng)濟(jì)的，不可能再加陡。

4.結(jié)語

水庫主壩壩體的防滲加固質(zhì)量的好壞直接影響到水庫的正常運(yùn)作。因此，應(yīng)根據(jù)水庫的地質(zhì)條件，選擇合理的、經(jīng)濟(jì)的防滲加固處理方案，同時(shí)還應(yīng)提高管理人員的操作水平，加強(qiáng)施工質(zhì)量評定工作的力度，以確保水閘工程的質(zhì)量安全。

本工程防滲處理結(jié)果表明，鋼筋混凝土面板防滲方案具有防滲可靠、安全度高和經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠從根本上治理水庫壩體的病害，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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