陳延生

(海城市水利工程建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站，遼寧 海城 114200)

葦子溝水庫大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

陳延生

(海城市水利工程建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站，遼寧 海城 114200)

我國的水利建設(shè)處于快速發(fā)展的時(shí)期，水庫的使用也越來越多。修建水庫大壩成為人們現(xiàn)在關(guān)注的問題。水庫壩體的防滲加固問題一直是水庫除險(xiǎn)加固施工中尤為重要的環(huán)節(jié)。當(dāng)水庫大壩的基礎(chǔ)地質(zhì)較差滲透性較強(qiáng)時(shí)，在水流的作用下對(duì)大壩體及基礎(chǔ)的危害很大。文章就海城市葦子溝水庫為例介紹了水庫大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)及分析計(jì)算，為大家提供參考。

除險(xiǎn)加固；安全評(píng)價(jià)；穩(wěn)定分析；大壩

1 概 況

1.1 工程建筑物級(jí)別及防洪標(biāo)準(zhǔn)

葦子溝水庫位于海城市南部距市內(nèi)32 km之遠(yuǎn)的山區(qū)，英落鎮(zhèn)葦子溝村的前溝口，該水庫屬于大清河支流。

工程主要功能是以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)殖、供水等綜合利用的水庫。根據(jù)水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，正常蓄水位19.17 m，相應(yīng)庫容為50.22 萬 m3；死水位13.8 m，相應(yīng)庫容為4 萬 m3；設(shè)計(jì)洪水位20.42 m，相應(yīng)庫容為74.4 萬 m3；校核洪水位20.76 m，相應(yīng)庫容為81.88 萬 m3。確定水庫工程規(guī)模為小(2)型水庫。

葦子溝水庫現(xiàn)工程規(guī)模：工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)。樞紐工程主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)

1.2 工程現(xiàn)狀及存在問題

大壩壩型為黏土心墻，壩頂高程22.45 m，壩頂寬3.5 m，上游壩坡坡比為1∶2.8，下游壩坡坡比為1∶2.7，大壩長290 m。在水庫上游山上有青山懷鎂礦，山坡多為雜草，少有松樹，植被情況較差，水土流失較重[1]。

大壩迎水坡護(hù)坡石已有局部變形，損壞嚴(yán)重，背水坡碎石護(hù)破損嚴(yán)重，覆蓋不好。排水棱體破損嚴(yán)重。防浪墻局部破損，防浪墻上的照明燈已全部壞損。

2 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案

大壩上游采用干砌石護(hù)坡，壩頂砂石路面，維修防浪墻，對(duì)下游壩坡采用碎石護(hù)坡，重修排水棱體[2]。入庫公路長度1.5 km，寬4 m。

3 設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

3.1 壩頂高程

3.1.1 大壩高程現(xiàn)狀與水位

大壩壩頂高程現(xiàn)狀與本次加固設(shè)計(jì)水位見表2。

表2 加固設(shè)計(jì)方案特征水位

3.1.2 壩頂高程確定

葦子溝水庫為黏土心墻壩，壩長290 m，壩頂高程22.45 m。心墻頂高程21.45 m，心墻頂寬3 m。防浪墻頂高程23.45 m。

大壩壩頂高程按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)規(guī)定等于水庫靜水位與壩頂超高之和，并按以下運(yùn)用條件計(jì)算，取其最大值：設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用情況的壩頂超高；校核洪水位加非常運(yùn)用情況的壩頂超高[3]。

計(jì)算公式為：

y=R+e+A

(1)

式中：y為壩頂超高，m；R為最大波浪在壩坡上的爬高，m；e為最大風(fēng)壅水面高度，m；A為安全加高，m。

波浪爬高R計(jì)算：

本次壩頂超高復(fù)核風(fēng)浪要素的計(jì)算采用莆田試驗(yàn)站公式。

1)平均波高h(yuǎn)m計(jì)算公式為：

(2)

式中：hm為平均波高，m；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；Hm為水域平均水深，m；D為風(fēng)區(qū)長度，m；W為計(jì)算風(fēng)速，m/s，設(shè)計(jì)洪水位取1.5倍的多年平均年最大風(fēng)速，校核洪水位取多年平均年最大風(fēng)速。

2)平均波長Lm按計(jì)算公式為：

(3)

式中：Lm為平均波長，m；Tm為平均波周期，按公式Tm=4.438hm0.5計(jì)算；H為壩迎水面前水深，m。

3)波浪爬高RP計(jì)算：

平均波浪爬高Rm采用計(jì)算公式為：

(4)

式中：Rm為坡前波浪的平均波高，m；m為單坡的坡度系數(shù)，若坡角為α，即等于cotα；m=2.5；K△為斜坡的糙率滲透性系數(shù)；護(hù)面類型為砌石護(hù)坡，K△=0.77；KW為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；設(shè)計(jì)波浪爬高RP，按爬高分布進(jìn)行換算，該工程為4級(jí)建筑物，確定波高累積頻率P=5%。

風(fēng)壅水面高度e計(jì)算公式為：

(5)

式中：e為計(jì)算點(diǎn)處的風(fēng)壅水面高度，m；D為風(fēng)區(qū)長度，m；取1 000 m；K為綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；β為風(fēng)向與水域中線的夾角，取β=0°；W為計(jì)算風(fēng)速，m/s；Hm為水域的平均水深，m。

安全加高A：

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(S274—2001)表5.3.1取用：設(shè)計(jì)水位時(shí)，A=0.5 m,校核水位時(shí)，A=0.3 m。各計(jì)算工況壩頂高程計(jì)算成果見表3。

表3 各計(jì)算工況壩頂高程計(jì)算成果表

《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)規(guī)定當(dāng)壩頂上游側(cè)設(shè)有防浪墻時(shí)，壩頂超高可改為對(duì)防浪墻頂?shù)囊?。但此時(shí)在正常運(yùn)用條件下，壩頂應(yīng)高出靜水位0.50 m；在非常運(yùn)用下，壩頂應(yīng)不低于靜水位[4-5]。

加固設(shè)計(jì)繼續(xù)采用防浪墻擋水，大壩現(xiàn)有壩頂高程22.45 m，防浪墻頂高程為23.45 m。從計(jì)算結(jié)果可以看出，壩頂高程理論計(jì)算值為21.91 m，小于現(xiàn)有防浪墻頂高程；校核洪水位20.76 m，低于現(xiàn)有壩頂高程；設(shè)計(jì)水位20.42 m，低于壩頂高程2.03 m。

3.2 防滲體尺寸確定與復(fù)核

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)對(duì)防滲體結(jié)構(gòu)規(guī)定，當(dāng)防滲體頂部高程設(shè)有防浪墻時(shí)，防滲體頂部高程可不受超高限制，但不得低于正常運(yùn)用的靜水位。葦子溝水庫大壩防滲體頂高程21.45 m，大于設(shè)計(jì)洪水位20.42 m，滿足本次加固設(shè)計(jì)要求[6]。

葦子溝水庫地區(qū)最大凍結(jié)1.18 m。

黏土心墻頂保護(hù)層厚度1.0 m，不滿足規(guī)范防凍要求，本次加固設(shè)計(jì)不對(duì)現(xiàn)有防滲體高程進(jìn)行調(diào)整，壩頂增加20 cm厚，滿足規(guī)范防凍要求，設(shè)計(jì)壩頂高程22.65 m。

3.3 壩體滲流及穩(wěn)定分析

土壩整體質(zhì)量良好，黏土心墻性狀較好，未見大范圍軟塑狀態(tài)黏土層，黏土的塑性狀態(tài)沒有突變性分層情況，不排除局部存在小規(guī)模軟塑黏土夾層，但不影響心墻的防滲效果，仍具有良好的防滲性[7-8]。

黏土心墻與壩基基巖結(jié)合部位比較緊密，壩基巖性為絹云母片巖，夾有薄層石英巖，巖石片理、節(jié)理發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化巖體中節(jié)理裂隙一般為張開狀，節(jié)理密集帶一般較發(fā)育。

水庫水可能通過心墻下方基巖裂隙帶向下游產(chǎn)生滲漏。

上游干砌石護(hù)坡與壩殼之間沒有鋪設(shè)過渡層，兩層顆粒大小相差懸殊，孔隙率相差極大，在庫水位變動(dòng)及波浪作用下，極易發(fā)生接觸沖刷破壞，進(jìn)而造成護(hù)坡塌陷變形或產(chǎn)生滑塌[9]。

綜合以上分析結(jié)果，葦子溝水庫的滲漏主要與壩基下方基巖裂隙發(fā)育程度及連通情況有關(guān)；上游壩坡塌陷變形與護(hù)坡下部缺少反濾層及水位變動(dòng)沖蝕壩殼有關(guān)系，另外可能與當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的壩坡坡度大小及壩殼填筑質(zhì)量有關(guān)。

3.3.1 大壩填筑材料評(píng)價(jià)

葦子溝水庫為典型的“三邊”工程，建設(shè)時(shí)無地質(zhì)勘察資料。

2011年5月海城市水務(wù)局委托遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院對(duì)葦子溝水庫大壩的黏土心墻和壩殼砂礫料進(jìn)行質(zhì)量檢測，大壩土料檢測結(jié)果見表4。

表4 壩體土體物理力學(xué)參數(shù)建議值表

3.3.2 壩體滲流及壩坡穩(wěn)定分析基本資料

擋水建筑物級(jí)別為5級(jí)，本次加固設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。壩體滲流及壩坡穩(wěn)定計(jì)算斷面選取最大壩高作為典型計(jì)算斷面[10]。

壩基巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，強(qiáng)度相對(duì)較低，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部節(jié)理密集，順河床可能存在節(jié)理密集帶。鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)果表明：壩基巖體大部分透水性較弱，一般透水率<10 Lu，局部存在中等透水性條帶，透水率可達(dá)30～50 Lu。

3.3.3 滲流計(jì)算

因水庫沒有成型的滲流觀測資料，無法進(jìn)行滲流觀測分析，現(xiàn)采用理論計(jì)算的方法進(jìn)行滲流分析。計(jì)算工況為正常水位19.17 m，設(shè)計(jì)洪水位20.42 m、校核洪水位20.76 m。對(duì)上述2種工況進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。

1)滲流穩(wěn)定分析

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)規(guī)定，對(duì)土壩采用流體力學(xué)有限元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

求解拉普拉斯方程：

(6)

式中：H為滲流平面域內(nèi)水頭；Kx、Ky為土體x、y向滲透系數(shù)。

計(jì)算采用理正巖土計(jì)算5.0版《滲流分析計(jì)算》進(jìn)行滲流分析計(jì)算。滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

滲流穩(wěn)定分析結(jié)論：由計(jì)算成果表5可以看出，在各種工況下壩坡均滿足滲流穩(wěn)定要求。

3.3.4 抗滑穩(wěn)定分析

穩(wěn)定計(jì)算方法根據(jù)規(guī)范(SL274—2001)規(guī)定，采用計(jì)及條塊間作用力的簡化畢肖普法計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

(7)

式中：c′、φ′為有效強(qiáng)度指標(biāo)；b為條塊寬度；W1為在壩坡外水位以上的條塊實(shí)重；W2為在壩坡外水位以下的條塊浮重；Z為壩坡外水庫高出條塊底面中點(diǎn)的距離；u為穩(wěn)定滲流期或水庫水位降落期壩體的孔隙水壓力；γW為水的容重；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中心點(diǎn)的半徑之間的夾角。

穩(wěn)定計(jì)算方法根據(jù)規(guī)范(SL274—2001)規(guī)定，采用考慮條塊間作用力的簡化畢肖普法計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

邊坡穩(wěn)定計(jì)算采用理正巖土計(jì)算5.0版《邊坡穩(wěn)定分析》中的簡化畢肖普法，壩體邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果見表6。

表6 壩體邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果

3.4 大壩加固設(shè)計(jì)分析

大壩現(xiàn)狀壩頂高程、滲流穩(wěn)定、壩坡穩(wěn)定及沉降均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，因此，本次加固工程僅對(duì)大壩局部結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行改造。

3.4.1 迎水面護(hù)坡改造

本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)迎水坡干砌石護(hù)坡厚度為300 mm。本次加固增設(shè)20 cm厚粒徑20.00～40.00 mm碎石墊層。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，原上游坡面塊石利用率為30%，用于排水棱體砌石維修及溢洪道下游拋石護(hù)坦。

考慮到能夠充分利用廢棄塊石量，減少外運(yùn)運(yùn)距并節(jié)省投資，將其剩余的大部分干砌石石料拋在死水位以下，拋石施工應(yīng)在水庫放水后，進(jìn)行水下勘察確定拋石位置。

根據(jù)大壩上游護(hù)坡破壞情況，本次加固設(shè)計(jì)對(duì)死水位13.8 m以上大壩迎水面護(hù)坡石進(jìn)行更換。

3.4.2 壩頂改造

保持原壩頂寬度3.5 m，將原漿砌石防浪墻拆除5處共100 m長用于護(hù)坡材料運(yùn)輸上料口，完工后恢復(fù)。

增設(shè)壩頂砂石路面,砂石厚度0.38 m，寬3.5 m，增設(shè)路緣石，尺寸為高35 cm×寬15 cm×長100 cm。

3.4.3 下游護(hù)坡改造

由于背水坡碎石護(hù)坡破損嚴(yán)重，覆蓋不好，根據(jù)實(shí)際情況，決定采用碎石護(hù)坡。下游清除0.1 m厚腐殖土，回填0.1 m厚碎石；下游坡腳排水棱體已年久失效，本次設(shè)計(jì)下游排水棱體外部塊石拆除重建。

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1007-7596(2014)12-0160-04

2014-07-26

陳延生(1979-)，男，遼寧鞍山人，工程師，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉、水工、移民等。

TV698.23

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