劉建
一、工程概述:
某水庫(kù)是一座為解決黃河斷流、凌汛、避沙峰期及農(nóng)灌期不能引水和向城市常年連續(xù)供水的矛盾而修建的調(diào)蓄水庫(kù),庫(kù)內(nèi)面積14.422Km2總庫(kù)容1.4568億m3,圍壩長(zhǎng)14.227KM,最大壩高15.24m,壩頂高程17.24m。近年來(lái),由于受超設(shè)計(jì)風(fēng)速影響,風(fēng)浪淘刷對(duì)部分壩段干砌石內(nèi)坡破壞嚴(yán)重,威脅水庫(kù)大壩的安全,影響了水庫(kù)的正常蓄水和送水,為了保證向城市的供水量,增強(qiáng)城市抵御干旱災(zāi)害的能力,使城市國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展,必須保證水庫(kù)的安全可靠運(yùn)行。因此必須對(duì)干砌石內(nèi)坡的破壞部位進(jìn)行加固處理。
二、大壩迎水面邊坡破壞情況及原因分析:
1、大壩迎水面邊坡原設(shè)計(jì)情況:
原設(shè)計(jì)大壩迎水面邊坡采用干砌方塊石護(hù)坡,塊石厚度為30cm,砌石下設(shè)有反濾層,從壩殼起沿垂直壩坡方向由下而上依次為:中粗砂15cm;0.5~2cm碎石15cm;2~4cm碎石20cm。
2、大壩迎水面邊坡破壞情況:
水庫(kù)自建成蓄水以來(lái),每遇大風(fēng),迎水面邊坡都造成不同程度的破壞,特別是受春夏季東南風(fēng)和秋冬季西北風(fēng)影響,對(duì)大壩西北段和東南段砌石護(hù)坡的破壞就更加頻繁、嚴(yán)重。根據(jù)破壞時(shí)呈現(xiàn)的形式不同,可分為三種:一是水位變化區(qū)三角石數(shù)量較多,在風(fēng)浪作用下,使其產(chǎn)生淘刷、翹起、松動(dòng)和翻轉(zhuǎn),使反濾料裸露后造成破壞;二是壩坡變形,干砌石架空,下面反濾料被淘空,并已沖刷壩殼,局部深達(dá)10cm左右,這種情況是運(yùn)行和管理中不易被發(fā)現(xiàn)的危險(xiǎn);三是因反濾料未按設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)而被淘空,壩坡形成塌坑,有的部位壩殼已被淘刷10cm以上,這種破壞有時(shí)較集中,面積較大。如1995年11月17日,一場(chǎng)風(fēng)速為25.9m/s的大風(fēng)造成東南壩段塌坑面積達(dá)1557m2。
水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)內(nèi)坡塌坑破壞情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1:
時(shí)間(年) 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996
塌坑面積(m2) 2017 2263 13045 3304 1906 12339 2180
3、大壩內(nèi)坡破壞原因分析:
原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低。水庫(kù)原設(shè)計(jì)風(fēng)速為20m/s,該水庫(kù)在這幾年的運(yùn)行中,據(jù)當(dāng)?shù)厮臋z測(cè)單位提供的風(fēng)速值顯示,最大風(fēng)速可達(dá)25.9m/s,已超出原設(shè)計(jì)值的5.9m/s,且多次超過(guò)原設(shè)計(jì)風(fēng)速值20m/s,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),以原設(shè)計(jì)風(fēng)速20m/s和實(shí)測(cè)最大風(fēng)速25.9m/s計(jì)算波浪對(duì)壩面的沖擊力,采用下式計(jì)算:
PⅠ=K1K2K3γwh
式中:PⅠ——波浪對(duì)壩坡的沖擊力,t/m2
K1——系數(shù)
K1=0.85+4.8h/λ+m(0.028-1.15h/λ)
h——浪高,m;h=0.0208V5/4D1/3
V——風(fēng)速,m/s;D——吹程,KM;
m——壩坡坡度系數(shù),本壩m=2.5;
λ——波長(zhǎng),λ=0.304VD1/2;
K2——系數(shù),查表2;
K3——最大相對(duì)波壓力系數(shù),查表3;
γw——水的容量,t/m3;
表2 系數(shù)K2
λ/h 10 15 20 25 35
K2 1 1.15 1.3 1.35 1.48
表3 最大相對(duì)液壓系數(shù)
計(jì)算波高(m) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 ≥4
K3 3.70 2.80 2.30 2.10 1.90 1.80 1.75 1.7
經(jīng)計(jì)算,結(jié)果為:V=20m/s時(shí),Pz=3.9t/㎡;V=25.9m/s時(shí),Pz=4.95t/㎡。通過(guò)比較得知,最大風(fēng)速值比原設(shè)計(jì)風(fēng)速值形成的對(duì)壩坡浪壓力每平方米增大1.05t,所以,設(shè)計(jì)風(fēng)速偏低是造成內(nèi)坡破壞的原因之一。
護(hù)坡施工質(zhì)量差。設(shè)計(jì)要求的內(nèi)坡干砌石厚度為30cm,塊石兩邊接觸面的尺寸不得小于25cm,砌筑時(shí),錯(cuò)縫豎砌,緊靠密實(shí),塞墊穩(wěn)固。但由于任務(wù)重、工期緊,迎水面邊坡施工在14.227㎞的圍壩上全面展開(kāi)護(hù)坡砌筑施工,在施工中對(duì)塊石規(guī)格尺寸及砌筑質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán),三角石數(shù)量較多,砌筑質(zhì)量也達(dá)不到有關(guān)技術(shù)要求。有的部位反濾料混摻,未按設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)。經(jīng)有關(guān)部門(mén)調(diào)研認(rèn)為:水庫(kù)圍壩干砌石護(hù)坡砌筑質(zhì)量較差,塊石合格率僅為32%,砌縫合格率僅為40%左右,這是造成大壩內(nèi)坡破壞的主要原因。
三、大壩內(nèi)坡加固措施:
1、加固方案:
由于混凝土的強(qiáng)度和抗沖刷能力較強(qiáng),采用現(xiàn)澆混凝土板進(jìn)行加固。設(shè)計(jì)風(fēng)速及設(shè)計(jì)混凝土板厚確定。設(shè)計(jì)風(fēng)速值按多年最大風(fēng)速值25.9m/s的1.2倍即31.08m/s計(jì)算,經(jīng)計(jì)算混凝土板厚度t=0.15m。
混凝土原材料及配合比。水泥采用425#普通硅酸鹽水泥,砂子采用經(jīng)過(guò)篩選的優(yōu)質(zhì)天然河砂,碎石粒徑1~2cm占35%,2~4cm占65%,混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為200號(hào)。配合比為:水泥:砂:水(重量比)=1:2.35:4.01:0.49,水灰比為0.49;混凝土抗凍標(biāo)號(hào)為M150;抗?jié)B標(biāo)號(hào)為S8;外加劑摻用量為:木朽占水泥重量的0.25%,PC—2占水泥重量的0.3/萬(wàn).
2、迎水面邊坡加固施工方案
本水庫(kù)受西北風(fēng)和東南風(fēng)影響強(qiáng)烈,造成大壩西北段和東南段內(nèi)坡破壞較為嚴(yán)重、頻繁,現(xiàn)只對(duì)東南和西北壩段破壞較為嚴(yán)重的水位變化區(qū)進(jìn)行加固。在原干砌石面上用15cm厚現(xiàn)澆200#鋼筋混凝土板進(jìn)行加固,配筋為縱橫向的冷拔絲,混凝土板沿壩坡方向長(zhǎng)10.8m,中間設(shè)一道橫向伸縮縫,水平方向每8m設(shè)一道縱向伸縮縫。為使混凝土與內(nèi)坡干砌石牢固結(jié)合,防止混凝土板下滑,在每層板的頂部和底部各拆除一行干砌石做混凝土齒墻,與混凝土板一起澆注并用長(zhǎng)的鋼筋做錨固筋,鋼筋間距2mx2m,呈梅花瓣形布設(shè),下部插入干砌石縫中,上部澆于混凝土中,以增強(qiáng)混凝土板的抗滑力。
四、水庫(kù)大壩加固后的使用效果:
經(jīng)過(guò)對(duì)該水庫(kù)大壩的加固處理,保證了水庫(kù)的正常蓄水和送水,保證了該水庫(kù)向城市的供水量,增強(qiáng)了城市抵御干旱災(zāi)害的能力,從而使城市國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展。