拋石擠淤加固技術(shù)在土石壩加固中的應(yīng)用

遲翔天

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110166)

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拋石擠淤加固技術(shù)在土石壩加固中的應(yīng)用

遲翔天

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110166)

壩前流塑性淤泥的處理是小型水庫加固施工中的重要工程技術(shù)難題。為了尋求一種便捷、經(jīng)濟(jì)的清淤方式，本文以米倉溝水庫加固工程為研究對象，對土石壩擠淤加固技術(shù)進(jìn)行了深入探討和研究。結(jié)論顯示拋石擠淤施工技術(shù)可以節(jié)省工程費用、縮短工期，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

大壩加固；土石壩；拋石擠淤

1 工程概況

米倉溝水庫是遼寧省本溪市的一座小(2)型水庫，水庫壩址位于桓仁滿族自治縣雅河鄉(xiāng)米倉溝村境內(nèi)的雅河支流上。水庫控制流域面積9.7 km2，總庫容80萬m3。米倉溝水庫是一座以灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖的綜合性水利工程。水庫大壩為土石壩，最大壩高8.0 m，壩長274.0 m，壩頂寬4.2 m[1]。

米倉溝水庫流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，溫差變化大，壩區(qū)最高氣溫35.6 ℃，最低氣溫-43.2 ℃。多年平均降水量879 mm，受氣候特征影響，降水量的年際和月際變化大，在6—9月的汛期容易出現(xiàn)強降雨，并引發(fā)短時洪水。

米倉溝水庫為典型的河道型水庫，河谷為U型，河谷周圍為太古宙變質(zhì)巖構(gòu)成的剝蝕丘陵。其中，河谷右岸為陡立的巖壁，左岸為緩坡。巖性主要以灰?guī)r為主，下部夾雜有砂巖，第四紀(jì)全新沖積地層主要為砂質(zhì)粗砂或中砂，主要分布于河床中。

米倉溝水庫建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)本來不高，又經(jīng)歷多年運行已經(jīng)處于病險狀態(tài)，并被列入遼寧省病險水庫加固工程涵蓋范圍。加固設(shè)計的主要內(nèi)容包括：壩頂加寬和防浪墻翻修、上游砂殼翻壓、壩腳拋石壓重、黏土斜墻防滲以及上游護(hù)坡翻修。加固工程等級為五等，建筑物級別為5級，加固工程完工后水庫防洪能力可提高到20 a一遇。

按常規(guī)施工方式，在進(jìn)行壩腳拋石壓重前需要對壩前淤積層進(jìn)行清理，以保障壓重體的整體穩(wěn)定。但是該水庫的壩前淤積層是水庫建成后多年運行的產(chǎn)物，不僅含水量高，還含有大量的細(xì)黏粒，基本處于流塑狀態(tài)。無論是人工清淤還是機械清淤，不僅難度大、投入高，還會延長施工工期[2]。如果不能按計劃在汛前完成加固工程施工，會直接影響水庫的安全度汛。為解決這一技術(shù)性問題，決定在施工中采用“拋石擠淤”技術(shù)。

2 拋石擠淤加固技術(shù)的理論計算與工程設(shè)計

2.1 水庫淤積情況的實測分析

水庫經(jīng)過長期運行，在大壩的壅水作用下，壩址上游的水深和過流斷面不斷增大，而流速則不斷降低，最終造成庫區(qū)的泥沙淤積。由于細(xì)土粒相對不易沉積，會隨水流一直運行到壩前，因此，壩前的淤積物主要是細(xì)土粒和懸移質(zhì)[3]。資料顯示，米倉溝水庫壩前500 m處的淤積層厚度約為1～2 m，d50的粒徑約為0.005 mm。為了進(jìn)一步掌握壩前淤積物的物理力學(xué)特征，在壩腳前40 m處提取了水下淤泥試樣，并進(jìn)行了土工試驗，其主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 淤積層主要物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 拋石擠淤技術(shù)的相關(guān)計算

拋石擠淤技術(shù)的原理是利用拋石壓重體的重力作用將壩前淤泥擠出工程范圍之外，以達(dá)到清淤和壓重的雙重作用。對米倉溝水庫壩前處于飽和、流塑狀態(tài)的淤泥而言，因為其抗剪強度非常低，一旦發(fā)生塑性變形，就會產(chǎn)生很大的沉降量，拋石壓重體就會直接穿透淤泥層下沉，從而導(dǎo)致滑動的土體被直接擠出[4]。因此，對于這種淤泥，應(yīng)該將局部發(fā)生剪切破壞時的荷載視為臨塑荷載。對拋石擠淤工程而言，需要對拋石擠淤所需要的最小荷載進(jìn)行計算確定，并由此獲得拋石壓重體的最小高度。

本工程中的拋石擠淤施工采用的是進(jìn)占式施工方式，也就是在預(yù)定高程修筑能夠滿足交通要求的施工平臺，然后沿與壩軸線垂直的方向進(jìn)行拋石作業(yè)，受施工方式和施工環(huán)境的影響，壩前的淤泥只能向庫區(qū)流動。在具體計算過程中，淤泥塑流的最大深度主要由兩部分組成，一部分是壩前淤泥層的原有深度，這需要前期勘測獲得[5]。根據(jù)勘測數(shù)據(jù)，米倉溝水庫壩前淤泥層的最大厚度為3.75 m。二是拋石壓重體前淤泥的最大隆起高度Zl，其計算公式如下：

(1)

式(1)中:Zl為拋石壓重體前淤泥的最大隆起高度，m；c為淤泥土黏聚力，kPa；φ為淤泥土內(nèi)摩擦角，度；γ為淤泥土浮容重，kN/m3。

淤泥的最大深度為：

(2)

式(2)中：Zmax為淤泥最大深度，m；Ζy為淤泥原有深度，m。

在Zmax深度內(nèi)淤泥全部發(fā)生塑流時，所需要的最小荷載Pmin可以通過如下公式計算[6]：

(3)

式(3)中各變量的意義同上。

根據(jù)上述公式計算獲得的最小荷載以及拋石體的浮容重γs，就可以計算出拋石體的高度H，計算公式如下：

(4)

根據(jù)上節(jié)的實測計算結(jié)果，米倉溝水庫壩前淤積層的物理力學(xué)指標(biāo)的平均值為：浮容重γ=5.2 kN/m3，黏聚力c=3.0 kPa，內(nèi)摩擦角為2°，淤泥層的最大厚度為Ζy=3.75 m。

由公式(1)可以計算出淤泥的最大隆起高度：

(5)

最大淤泥高度為：

(6)

進(jìn)一步利用公式(3)可以計算出拋石壓重體的最小荷載值為：

=13.36 kPa

(7)

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗，水下拋石的石材浮容重取10 kN/m3，由公式(4)計算獲得最小拋石高度為：

(8)

2.3 拋石壓重體的設(shè)計

2.3.1 設(shè)計需要考慮的因素

(1)安全儲備。考慮到壩前淤泥的復(fù)雜狀況，同時壓重體的力學(xué)參數(shù)也存在一定誤差，在上述計算的基礎(chǔ)上還需要對壓重體最小荷載預(yù)留一定的安全儲備，以保證擠淤的可靠性，提高施工質(zhì)量。

(2)施工條件。根據(jù)計算結(jié)果，壓重體的最小高度為1.34 m，遠(yuǎn)小于壩前淤泥的實測厚度。因此，按照這一高度設(shè)計壓重體，拋石體必將淹沒于淤泥層中。為了施工方便，同時保證擠淤效果，壓重體的最小高度一般不得小于淤泥層的最大厚度。根據(jù)計算，米倉溝水庫壩前淤泥的隆起高度為1.9 m，根據(jù)前期勘測，壩前淤泥頂面的高程為158.69 m。因此，設(shè)計確定壓重頂平臺的高程為161.0 m即可滿足相關(guān)施工要求。

(3)壓重范圍。拋石壓重體的設(shè)計不僅要滿足上述條件，還必須向庫內(nèi)延伸足夠的范圍，以保證壩基的抗地震液化加固需求[7]。利用現(xiàn)場波速測試法，計算分析認(rèn)為下游壩腳深度6 m內(nèi)和上游壩坡深度8 m內(nèi)在7度的地震烈度下存在沙土液化的可能。通過進(jìn)一步的動、靜力分析計算，大壩拋石壓重體需要向庫內(nèi)延伸至少16.2 m。

2.3.2 拋石壓重體斷面的優(yōu)化設(shè)計

TANG Shi-jie, LIU An-wei, MA Chong, XU Wei-dong, SUN Ying-hao, XU Chuan-liang

根據(jù)以上原則進(jìn)行拋石壓重體的斷面設(shè)計，不僅可以實現(xiàn)清淤和壓重的雙重目的，還能滿足壩基的抗震穩(wěn)定性要求。但是該設(shè)計也需要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使其與其他工程有機結(jié)合，發(fā)揮更

大的經(jīng)濟(jì)和工程效益[8]。例如，水庫大壩在地震烈度為7度時存在震動液化的風(fēng)險，因此在方案比選過程中需要統(tǒng)一考慮壩基和壩體的加固措施，最終確定對壩體實施砂殼翻壓加固措施，翻壓加固設(shè)計的底部高程為163.5 m，拋石壓重體的頂高程為164.0 m，兩者可以實現(xiàn)0.5 m厚的搭接。此外，將溢洪道拓寬開挖和大壩護(hù)坡翻修工程中產(chǎn)生的塊石作為拋石壓重的原材料，不僅解決了就地取材，還解決了棄渣占地問題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。通過優(yōu)化設(shè)計，米倉溝水庫拋石壓重體最終確定采用如圖1所示的復(fù)式斷面。

圖1 拋石壓重體斷面示意圖

3 拋石擠淤加固的施工試驗與實施

3.1 拋石擠淤施工試驗

為了進(jìn)一步驗證拋石擠淤理論計算的合理性和實際工程效果，在正式施工前在大壩樁號1+100～1+140之間的壩段進(jìn)行了施工試驗。

試驗方法為：在大壩上游距離壩腳0.5 m和3.5 m處設(shè)置垂直插入淤泥層、間距0.2 m的兩排鋼管。通過試驗施工過程中測量鋼管處淤泥層高度的變化，對施工效果進(jìn)行間接判斷。試驗記錄如表2所示。

表2 拋石擠淤施工試驗部分?jǐn)?shù)據(jù) m

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，試驗段淤泥層隆起明顯。再利用鋼管測試顯示，大部分石塊已經(jīng)沉降至淤泥層底部，雖然有部分石塊仍懸浮于淤泥層中，但是距離底部的距離也不超過0.3 m。鑒于淤泥層為流變體，其變形仍會隨著時間而發(fā)展，因此，隨著壓重量的不斷增加，這些石塊最終會沉降至淤泥層底部，所以工程設(shè)計完全滿足要求。

按照前期勘測資料，試驗區(qū)的平均力學(xué)指標(biāo)為：浮容重γ=5.2kN/m3，黏聚力c=1.9 kPa，內(nèi)摩擦角為1.6°，按公式(1)計算獲得淤泥層隆起最大高度為1.2 m。雖然施工試驗中的最大隆起高度為1.03 m，但是考慮到表2中給出的是擠淤施工10 d后的測試值，這一誤差是合理的。因此，拋石擠淤理論計算是科學(xué)、合理的。

3.2 拋石擠淤的實施

2013年10月在整個壩段實施了拋石擠淤施工作業(yè)，拋石壓重體寬度為32～36 m，厚度為6～8 m。在工程實施后的2個月內(nèi)對壓重體平臺進(jìn)行了沉降觀測，結(jié)果顯示平均沉降量為4.9 cm，處于自身壓實沉降范圍。監(jiān)測結(jié)果說明拋石壓重體底部淤泥擠出比較徹底，工程效果良好。

4 結(jié) 語

在拋石擠淤加固工程完工后，米倉溝水庫已經(jīng)蓄水運行3年，并且經(jīng)歷了較大洪水的考驗。工程實踐進(jìn)一步證明拋石擠淤技術(shù)十分成功。此外，與傳統(tǒng)的清淤加固施工方式相比，不僅節(jié)省近50萬元的施工費用，還縮短了2個月工期，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)社會效益，具有極大的推廣應(yīng)用價值。當(dāng)然，該工程技術(shù)的具體應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究，使其逐步擺脫設(shè)計與施工依靠現(xiàn)有工程經(jīng)驗的問題，進(jìn)一步促進(jìn)拋石擠淤法的發(fā)展。

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遲翔天(1990-)，男，助理工程師，主要從事水利工程施工管理工作。

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