小型砌石拱壩除險(xiǎn)加固方案研究

□劉 克 □李 穎 □張 禮

（1 鄭州市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院；2 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院；3 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

0 引言

我國興建水庫98000 多座，隨各地氣候、地形、地質(zhì)條件不同，修建的大壩類型也不盡相同，具有區(qū)域性的特點(diǎn)。上世紀(jì)廣大水利水電工程技術(shù)人員根據(jù)我國實(shí)際情況，深入實(shí)際進(jìn)行探索和實(shí)驗(yàn)，在山地丘陵區(qū)普遍推廣了砌石拱壩技術(shù)，尤其在交通不便，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后的山地丘陵地區(qū)，小型砌石拱壩以其用料省、可就地取材、砌筑工藝成熟、安全性優(yōu)越等優(yōu)勢而得到廣泛建設(shè)，對解決山區(qū)農(nóng)田灌溉、人畜飲水等起到積極的作用，為當(dāng)?shù)厝嗣衩撠氈赂粍?chuàng)造了條件。

這些小型砌石拱壩的建設(shè)受其建設(shè)歷史、經(jīng)濟(jì)條件等影響，與大、中型砌石拱壩不同，部分小型砌石拱壩砌筑質(zhì)量差，或設(shè)施不盡完善，或經(jīng)長年運(yùn)行而缺乏系統(tǒng)管理維護(hù)，不同程度的出現(xiàn)損壞，存在安全隱患，不能正常發(fā)揮效益，需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。在小型砌石拱壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)小型砌石拱壩自身的特點(diǎn)制定切實(shí)可行的加固方案。

以下以河南某地區(qū)一座小型砌石拱壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)為例，對小型砌石拱壩除險(xiǎn)加固工程的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探討，為類似工程提供參考。

1 工程概況

某水庫位于深山區(qū)，水資源緊缺，只有一處天然泉水較為可靠。一般年份各家各戶均自備水窖儲存吃水，遇到干旱年份水窖干涸，便肩挑驢馱到山泉取水。如遇大旱之年，山泉也幾乎干涸見底，人們不得不日夜守侯在泉池周圍，排隊(duì)等水。1980年夏季為解決水源，當(dāng)?shù)剜l(xiāng)黨委發(fā)動群眾擬建一座小水庫。

該地區(qū)河道是典型的山區(qū)河道，有窄深式山谷地形條件，兩岸為巖石邊坡，當(dāng)?shù)厥虾蛣趧恿Y源豐富，但對外交通條件差，鋼筋、混凝土材料成本高，經(jīng)論證后選定壩型為漿砌石拱壩，當(dāng)砌筑至5.00m 高時(shí)，由于資金不足，于1981年秋停工。廣大干群于1995年開工繼續(xù)建設(shè)，但由于受當(dāng)時(shí)財(cái)力、施工等因素限制，工程建至25.00m 高時(shí)再次停建。當(dāng)時(shí)人畜吃水條件得到一定改善，但泄洪等設(shè)施不完善，且年久失修，滲漏嚴(yán)重，存在極大的安全隱患，原設(shè)計(jì)工程不能正常發(fā)揮效益。期間曾因原砌筑壩體頂部2m 范圍內(nèi)壩體質(zhì)量極差，為防止發(fā)生險(xiǎn)情，將原壩體又拆除了4.30m。

大壩壩體為定圓心等外半徑、等截面單曲漿砌石拱壩，屬重力式拱壩，目前最大壩高20.70m，壩頂弦長78.99m，壩頂厚9m，底厚15.80m。壩頂中心角88.2 °，壩基中心角45 °，外半徑54m，壩體上游面為0.50m 厚直立漿砌料石面層，下游側(cè)為C10 細(xì)石混凝土砌石壩體，坡面呈階梯狀。主要工程效益是防洪、農(nóng)田灌溉和居民飲水。

壩址區(qū)河谷縱剖面起伏不平，比降較大。峽谷橫剖面呈現(xiàn)“V”字形，兩岸陡直，相對高差50～60m，主要出露的巖石為震旦系馬鞍山組石英砂巖，震旦系底礫巖及下元古界嵩山群花峪組石英巖。壩址處河谷較窄且兩岸石英砂巖強(qiáng)度較高，滿足拱壩對地形和地質(zhì)的要求；兩岸地層巖性為石英砂巖，岸坡雖陡峭，但巖石堅(jiān)硬，強(qiáng)度較高，沒有緩傾角斷裂構(gòu)造，庫岸穩(wěn)定性較好。工程區(qū)地震動峰值加速度為0.10g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度。

經(jīng)過多年運(yùn)行，漿砌石壩體有多處孔隙、空洞，有較多滲漏通道。一到汛期，庫內(nèi)水位抬高，壩后能見多處射流，危及壩體安全和正常蓄水。除險(xiǎn)加固工程內(nèi)容主要包括壩體除漏工程、壩體封頂工程、大壩溢流工程等。

表1 壩體基本參數(shù)表

圖1 現(xiàn)狀壩體實(shí)測剖面圖

2 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

現(xiàn)狀工程質(zhì)量比較差，但已經(jīng)受多次洪水過壩考驗(yàn)，結(jié)合工程現(xiàn)狀及運(yùn)行情況，認(rèn)為不宜對壩體做過大改造或加高太多，除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)應(yīng)以消除壩體安全隱患，發(fā)揮現(xiàn)有效益為原則。

2.1 壩體防滲工程設(shè)計(jì)方案

砌石拱壩經(jīng)長年運(yùn)行，出現(xiàn)的問題通常是壩體滲漏。安全鑒定成果顯示，本工程壩體漿砌石內(nèi)部空隙很大，極不密實(shí)，很多位置砂漿未能充滿石塊間隙，存在較多隱患和滲漏通道，需對壩體進(jìn)行防滲處理。

根據(jù)安全鑒定結(jié)果和現(xiàn)場查看情況，結(jié)合當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)人員對水庫歷史運(yùn)行情況的介紹，經(jīng)分析，本工程壩體滲漏既不是由于壩體應(yīng)力超限而產(chǎn)生裂縫，也不是由于水化學(xué)作用造成壩體砌筑砂漿流失。壩體滲漏原因是由于原壩體分期砌筑，且相隔時(shí)間較長，砌筑期間由于施工控制不嚴(yán)，C10 碎石混凝土不密實(shí)處較多，后經(jīng)長期壓力水流沖蝕，滲漏通道逐漸加大，從而形成大面積射流滲漏的情況。

借鑒國內(nèi)壩體防滲的工程經(jīng)驗(yàn)，常用方案主要有：①壩體化學(xué)灌漿防滲；②壩體迎水面增設(shè)鋼筋混凝土面板防滲[3]；③壩體迎水面增設(shè)高頻振蕩鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面板防滲；④壩體迎水面噴射鋼纖維混凝土防滲[4]。

結(jié)合本工程壩體滲漏情況及成因，以及壩體加固整體方案，對各壩體除漏方案分析如下:

方案①采用化學(xué)灌漿，漿液耐化學(xué)腐蝕，可永久防水，對細(xì)小裂縫都可防水，防水效果好；但由于本砌石拱壩壩體是大面積滲漏，滲漏點(diǎn)多，壩體內(nèi)部可能存在較大的空洞，若采用化學(xué)灌漿，則鉆孔作業(yè)工作點(diǎn)太多，沖洗及灌漿量大，且化學(xué)灌漿防滲處理費(fèi)用較高，顯然不適合本工程。

方案③由于工藝復(fù)雜，工期長，投資大也不推薦采用。

方案④節(jié)省混凝土，工期較短，但面層薄，一般10cm 左右，不適應(yīng)壩體后續(xù)的補(bǔ)強(qiáng)灌漿壓力，因此本次壩體防滲也不采用。

圖2 放空后上游面立視圖

圖3 蓄水時(shí)下游滲漏面立視圖

方案②屬于常規(guī)拱壩防滲和除漏設(shè)計(jì)方案，建設(shè)經(jīng)驗(yàn)成熟，且原壩基上游側(cè)有外伸0.8m 的齒墻，具備設(shè)置防滲墻的基礎(chǔ)條件。另外考慮防滲墻可為壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿提供可靠的封閉條件，因此本工程壩體防滲采用在上游迎水面增設(shè)鋼筋混凝土面板防滲。

防滲面板工程設(shè)計(jì)。①防滲面板布置范圍，非溢流壩段，在壩體上游壩面，自原C20 混凝土座墊起到本次設(shè)計(jì)壩頂面止；溢流壩段自原混凝土座墊到與溢流面板相接處為止，并與溢流壩面整體澆筑。②防滲面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為上窄下寬的形式，上游面鋼筋混凝土防滲面板自原混凝土座墊頂高程起以1：0.01 的坡比延伸至壩頂，防滲面板底厚按最大水深27.84m 的1/35 設(shè)計(jì)，取底厚0.80m，壩頂處厚設(shè)計(jì)為0.40m。③防滲面板材料采用C20W8F100 鋼筋混凝土，溫度鋼筋縱、橫向均勻布置。防滲面板與壩體的結(jié)合通過φ25mm 錨固鋼筋與壩體錨接，錨筋呈梅花狀布置，縱、橫向間距1.00m；防滲面板與巖體連接處，表層風(fēng)化破碎體必須清理干凈，要求深入新鮮基巖2.00m，以保證防滲質(zhì)量。④防滲面板分豎向橫縫，豎向橫縫水平向間距10.00～13.45m，縫間根據(jù)水深分別設(shè)單、雙層銅片止水，外層止水距內(nèi)層止水0.20m。

2.2 壩體加固設(shè)計(jì)方案

本水庫大壩安全鑒定報(bào)告結(jié)論提出砌石壩體砌筑質(zhì)量很差，不密實(shí)，砂漿未能充滿石塊間隙，漿砌石壩體有多處孔隙、空洞有較多滲漏通道，工程質(zhì)量不合格。

本次壩體加固工程考慮壩體若繼續(xù)加高過大，大壩強(qiáng)度及穩(wěn)定性難以保證。根據(jù)當(dāng)?shù)夭块T提供資料顯示，大壩建設(shè)至25.00m 高后已經(jīng)受7 次洪水過壩考驗(yàn)，鑒于此，本次設(shè)計(jì)在綜合考慮水庫大壩安全及當(dāng)?shù)匦杷恳蟮那闆r下，壩體補(bǔ)強(qiáng)加固后，砌筑壩體至壩高29.80m 處作為壩頂。

現(xiàn)行規(guī)范無關(guān)于砌石壩體加固的處理方案，本工程根據(jù)壩體內(nèi)空洞較多的情況，結(jié)合一些巖體加固的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，決定壩體加固采用對壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿的設(shè)計(jì)方案。

壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿對兩個(gè)方案進(jìn)行了比選。方案一：壩頂布置補(bǔ)強(qiáng)灌漿孔，豎向灌漿。方案二：壩體上游面結(jié)合防滲面板錨固鋼筋孔灌漿，水平向灌漿。

方案一：壩頂布置補(bǔ)強(qiáng)灌漿孔，豎向灌漿。沿現(xiàn)狀壩頂面布置雙排灌漿孔，孔距1.00m，排距2.00m，上游一排灌漿孔中心線距壩面1.50m。孔深至壩基混凝土墊座。采用自下而上灌漿方法。

方案二：壩體上游面結(jié)合防滲面板錨固鋼筋孔灌漿，水平向灌漿。在上游壩面上按梅花狀錨桿孔（100cm×100cm）布置充填補(bǔ)強(qiáng)灌漿孔，孔深為原壩體厚度的一半，用0.20～0.25MPa 的壓力壓入水泥漿，盡可能地充填現(xiàn)有的孔隙，膠結(jié)砌體內(nèi)的裂隙，達(dá)到充填補(bǔ)強(qiáng)的目的。

兩方案灌漿效果相當(dāng)，方案一優(yōu)點(diǎn)是施工在現(xiàn)狀壩頂面，施工場地條件好，便于施工設(shè)備布置及灌漿施工，缺點(diǎn)是灌漿孔深度較方案二長，施工間隔時(shí)間控制要求高。方案二優(yōu)點(diǎn)是可結(jié)合上游壩面防滲面板錨桿孔布控，節(jié)省錨桿打孔費(fèi)用，缺點(diǎn)是灌漿孔數(shù)量相對較多，需架設(shè)20 余米高腳手架施工，施工難度和復(fù)雜程度相對較大，工期較長。本工程位于山溝內(nèi)，相對較偏遠(yuǎn)，且現(xiàn)狀壩體空洞較多，過多的灌漿孔對壩體擾動過大，可能反而破壞拱壩的整體性，因此選擇方案一作為壩體加固方案。壩體補(bǔ)強(qiáng)加固后，砌筑壩體至壩高29.80m 處作為壩頂，完善各必要設(shè)施，不再進(jìn)一步加高壩體。

2.3 泄洪及防沖設(shè)施設(shè)計(jì)方案

壩體無溢流設(shè)施，長期漫壩泄洪對壩體自身質(zhì)量和壩基穩(wěn)定不利，需完善大壩溢流設(shè)施，減輕泄洪對壩體和下游壩基的影響。

現(xiàn)狀兩岸山體高聳，無適宜的泄洪通道。而現(xiàn)狀壩體由于空洞較多，不宜為修建溢洪道而繼續(xù)加高壩體，因此本次設(shè)計(jì)拆除壩中間部分壩體后，在壩頂增設(shè)溢流堰以挑流方式泄洪?，F(xiàn)狀壩體下游河床為巖基，且有深約1.50m 的水塘，壩體相對較高，溢流方式采用挑射式低落差鼻坎挑流泄洪，溢流頭部采用WESⅠ型堰面曲線，挑射角選用θ=15°。經(jīng)計(jì)算，在堰上水頭為0.10 m 和0.30m 時(shí)的小流量工況下對應(yīng)挑距分別為L=16.67m 和L=19.89m，挑射水流不會直接沖刷壩體；設(shè)計(jì)洪水Q=221.60m3/s時(shí)，挑距L=27.40m，沖坑最大后坡1/4.80；校核洪水，Q=323.60 m3/s 時(shí)，挑距L=29.90m，沖坑最大后坡1/4.40，消能計(jì)算所得結(jié)果滿足規(guī)范要求，但考慮到安全系數(shù)并不大，且為小型砌石拱壩，為節(jié)省工程投資，設(shè)計(jì)要求運(yùn)行過程中，當(dāng)沖刷坑深度發(fā)展至5m 時(shí)，進(jìn)行混凝土襯砌，并向坑內(nèi)拋石，防止沖刷坑向上游發(fā)展，保證大壩安全，必要時(shí)修建二道壩蓄水墊消能。

3 結(jié)語

我國小型砌石拱壩有其自身的建設(shè)歷史條件，在除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)小型砌石拱壩其自身的建設(shè)歷史、運(yùn)行情況和損壞特點(diǎn)，選擇切實(shí)可行的加固方案，發(fā)揮工程效益。