縱向增強(qiáng)體加固病險(xiǎn)土石壩技術(shù)及其在四川的應(yīng)用

梁 軍，張建海

（1.四川省水利廳，610016，成都；2.四川大學(xué)水電學(xué)院，610065，成都）

一、概 況

近年，極端氣候影響下，汛期暴雨增多，局部雨量增大，降雨時(shí)空分布不均，導(dǎo)致降雨成災(zāi)的發(fā)生率日益上升，對(duì)汛期防汛保安工作尤其是水庫(kù)防汛提出了新的挑戰(zhàn)。 四川省當(dāng)前有各類(lèi)水庫(kù)大壩總數(shù)約8 250 座，其中土石壩達(dá)7 906 座，占比95%，建設(shè)期相對(duì)集中于20 世紀(jì)60—70 年代，其中均質(zhì)壩居多。國(guó)際大壩委員會(huì)20世紀(jì)90 年代的調(diào)查表明， 土石壩運(yùn)行的安全可靠程度與混凝土類(lèi)壩相比更具風(fēng)險(xiǎn)，按潰壩計(jì)，土石壩潰壩數(shù)量最多，占總數(shù)的70%。 中國(guó)大壩學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)的國(guó)內(nèi)土石壩潰壩案例中四川省最多，達(dá)396 座。

與混凝土壩相比，土石壩的安全運(yùn)行周期短、潰壩風(fēng)險(xiǎn)高是其自身?xiàng)l件決定的。 土石均質(zhì)壩、心墻壩或斜墻壩是三種最具代表性的常規(guī)土石壩壩型，所用材料均為土料、石料或其混合料，具有散粒性，只有通過(guò)強(qiáng)力壓密才能形成整體，從而具有一定的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。 另外，由巖土材料組成的壩工建筑物， 必然不同程度地受到水流侵蝕、沖刷，水流作用對(duì)巖土體具有破壞性， 而年復(fù)一年的水流沖蝕具有周期性， 對(duì)土石壩體形成緩慢的不可逆的漸進(jìn)性破壞，病害土石壩由此形成。 相對(duì)于混凝土重力壩、拱壩等剛性壩，因土石壩的整體強(qiáng)度與剛度不高， 抵抗變形的能力不強(qiáng)， 有時(shí)也稱(chēng)為柔性壩。 因此，土石壩經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行， 必然會(huì)出現(xiàn)較混凝土壩更高程度的病害，如滲漏、開(kāi)裂、管涌、滑坡等，若不及時(shí)加固處理，可能造成潰壩、失效等嚴(yán)重危害。

從目前四川省情況來(lái)看， 滲漏、裂縫、滑坡是土石壩的三大主要病害形式。 一些土石壩由于壩體滲漏，導(dǎo)致壩體下游浸潤(rùn)線(xiàn)抬高，白蟻易于筑穴繁殖，形成滲漏通道，對(duì)壩體安全穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響。 水利部《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》規(guī)定，竣工驗(yàn)收5年后每6～10 年必須進(jìn)行一次大壩安全鑒定。 但因大壩數(shù)量眾多、鑒定工作量太大、經(jīng)費(fèi)缺乏等原因，安全鑒定存在諸多困難。 此外，從病險(xiǎn)土石壩除險(xiǎn)加固情況看， 土石壩的整治、加固、運(yùn)行具有周期性，一般每隔20年左右需進(jìn)行一次整治。

針對(duì)四川省病險(xiǎn)土石壩存在的種種病險(xiǎn)、病害情況，為進(jìn)一步降低或減少土石壩長(zhǎng)期運(yùn)行帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，特別是防止汛期洪水造成潰壩引起的災(zāi)害， 降低水庫(kù)大壩病害程度，同時(shí)減少整治加固次數(shù)，延長(zhǎng)水庫(kù)安全運(yùn)行周期， 結(jié)合工程建設(shè)實(shí)際，研究提出對(duì)傳統(tǒng)或常規(guī)土石壩進(jìn)行性能改良的縱向增強(qiáng)體土石壩加固技術(shù)，以期解決影響土石壩安全運(yùn)行的一系列病險(xiǎn)問(wèn)題，力求從根本上解決土石壩病險(xiǎn)發(fā)生率高、洪水漫頂易潰壩等致命性缺陷。 工程研究與實(shí)踐表明，這種新壩型能夠極大提高土石壩的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

二、縱向增強(qiáng)體加固土石壩的技術(shù)特點(diǎn)

縱向增強(qiáng)體是在土石壩中建造集防滲與受力為一體的剛性結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體具有防滲、受力、抵抗變形以及保障洪水漫頂不潰或緩潰的力學(xué)性能， 在土石壩體內(nèi)置入增強(qiáng)體改變傳統(tǒng)土石壩“柔柔相伴”而成為“剛?cè)嵯酀?jì)”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 縱向增強(qiáng)體采用混凝土或鋼筋混凝土， 通過(guò)在壩軸線(xiàn)附近施工開(kāi)槽預(yù)設(shè)鋼桁架與后期帷幕灌漿鋼管， 按地下連續(xù)墻的施工方式建造而成， 墻體底部一般嵌入壩基并通過(guò)墻下帷幕灌漿與壩基緊密連接， 最終形成不可變形的固定端。

1.防滲性能

增強(qiáng)體心墻用于防滲與混凝土心墻一樣，是基本功能。墻體防滲性指標(biāo)滿(mǎn)足防滲要求，k 值為A×10-8cm/s，墻體厚度依壩高和筑壩材料的性質(zhì)計(jì)算確定，一般為60～100 cm，如大竹河水庫(kù)大壩（壩高61 m）加固取墻體厚度為80 cm。

2.受力性能

增強(qiáng)體作為一種剛性結(jié)構(gòu)置入柔性土石壩體內(nèi)，將受到壩體自身和上游庫(kù)水的荷載作用，這種受力體現(xiàn)在兩個(gè)方面。 一是水土壓力在水平方向?qū)w的作用， 類(lèi)同擋土墻的受力，因此引入受力安全系數(shù)的概念，分析在不同工況下墻體受力的安全性，表明增強(qiáng)體安全可靠。 二是由于堆石壩殼料與增強(qiáng)體存在較大的變形差異， 堆石體在與增強(qiáng)體界面上的沉降必然形成對(duì)墻體向下的拖曳力， 稱(chēng)之為下拉荷載或下拉力，增加了墻體受力負(fù)擔(dān)。 理論分析表明，下拉力與壩高（或增強(qiáng)體高度）成二次冪變化關(guān)系， 在墻體底部達(dá)到最大值， 因此只需復(fù)核墻體底部的抗壓與抗彎拉強(qiáng)度是否滿(mǎn)足有關(guān)規(guī)范即可。

3.抵抗變形性能

增強(qiáng)體心墻置入土石壩內(nèi)，在一定程度上改變了土石壩的應(yīng)力與變形情勢(shì)，與常規(guī)土石壩有限元分析成果相比，將土石壩內(nèi)置增強(qiáng)體剛性心墻分成了壩體上下游兩個(gè)變形區(qū)域，特別靠近墻體的變形狀況總體較常規(guī)土石壩為小，其中計(jì)算沉降變形占?jí)胃?.15%～0.25%左右， 這是由于增強(qiáng)體在一定程度上限制了土石壩體的變形。

4.漫頂不潰或緩潰性能

通過(guò)工程實(shí)例分析，增強(qiáng)體土石壩的一個(gè)重要特征是在遭遇洪水漫過(guò)壩頂造成壩體沖刷時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)漫頂不潰或漫頂緩潰，這是與常規(guī)土石壩最重要的區(qū)別之一。 反過(guò)來(lái)說(shuō)，常規(guī)土石壩 （即柔性材料建造的均質(zhì)壩、心墻壩、斜墻壩和瀝青混凝土心墻壩等）如果在其壩軸線(xiàn)附近再造一道剛性墻體，就能夠?qū)崿F(xiàn)漫頂不潰或漫頂緩潰，這對(duì)已建且運(yùn)行多年的土石壩病險(xiǎn)水庫(kù)的除險(xiǎn)加固防止漫頂潰壩提供了解決方案。

上述有關(guān)增強(qiáng)體的性能與特點(diǎn)是集防滲、受力、抵抗變形、漫頂不潰或緩潰等多種優(yōu)良性能為一身的增強(qiáng)體心墻，由此形成的土石壩便稱(chēng)之為縱向增強(qiáng)體（心墻）土石壩。

三、縱向增強(qiáng)體加固病險(xiǎn)土石壩的優(yōu)越性

縱向增強(qiáng)體技術(shù)對(duì)病險(xiǎn)土石壩的除險(xiǎn)加固，在整治思路上，突破了“柔柔相伴”的傳統(tǒng)土石壩建造特點(diǎn)，形成“剛?cè)嵯酀?jì)”的新建壩思路；在整治手段上， 通過(guò)剛性墻體的置入，可以很好地解決土石壩的各類(lèi)病險(xiǎn)；在整治效果上，將有效延長(zhǎng)土石壩的安全運(yùn)行周期， 減少整治次數(shù)和經(jīng)費(fèi)?？v向增強(qiáng)體加固病險(xiǎn)土石壩的優(yōu)越性包括：

①增強(qiáng)體心墻在壩軸線(xiàn)附近置入壩體內(nèi)直至壩基，通過(guò)后期灌漿形成新的防滲體系，有效杜絕原水庫(kù)大壩的滲漏，從而消除病險(xiǎn)土石壩基于滲漏的其他病險(xiǎn)。

②剛性心墻的“插入”，將大幅度降低下游壩體長(zhǎng)期出現(xiàn)的浸潤(rùn)線(xiàn)太高、 下游壩坡穩(wěn)定性堪憂(yōu)的不利情況，提高壩坡穩(wěn)定性。

③徹底消除白蟻危害，浸潤(rùn)線(xiàn)大幅度降低后，白蟻筑巢的高度也隨之降低， 由于剛性墻體的不可侵蝕性，白蟻不可能形成連貫上下游的穴道并成為滲漏通道。

④采用增強(qiáng)體加固病險(xiǎn)土石壩，可以做到事半功倍，極大地消除土石壩的病害乃至病險(xiǎn)，節(jié)省病險(xiǎn)水庫(kù)整治加固經(jīng)費(fèi)。

⑤采用縱向增強(qiáng)體技術(shù)加固的病險(xiǎn)土石壩能夠有效降低洪水漫頂潰壩的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)防洪保安十分重要。

⑥采用內(nèi)置增強(qiáng)體加固病險(xiǎn)土石壩，可以按照正常的水庫(kù)管理與調(diào)度方式運(yùn)行， 從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約水資源、滿(mǎn)足來(lái)年用水需求，保障漁業(yè)養(yǎng)殖用水，既利穩(wěn)定又利增收。

四、工程實(shí)例

1.大竹河水庫(kù)整治

四川省攀枝花市仁和區(qū)大竹河水庫(kù)是以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有城市應(yīng)急供水、防洪等綜合利用的中型水利工程，總庫(kù)容1 128.9 萬(wàn)m3，正常蓄水位1 215.00 m， 大壩原為碾壓瀝青混凝土心墻石渣壩， 最大壩高61.0 m。大竹河水庫(kù)于2010 年1 月開(kāi)工，2011年7 月大壩填筑到頂。 2011 年10 月開(kāi)始試蓄水，便發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：一是經(jīng)充分論證認(rèn)定瀝青心墻出現(xiàn)多條裂縫導(dǎo)致滲漏； 二是壩體石渣料偏細(xì)對(duì)壩體穩(wěn)定不利。 在蓄水位上升至1 201.48 m 時(shí)， 實(shí)測(cè)大壩下游滲漏達(dá)27.93 L/s， 觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)大壩下游壩體浸潤(rùn)線(xiàn)較高，影響大壩安全穩(wěn)定，必須進(jìn)行工程整治。經(jīng)多次比較整治方案，決定采用剛性較強(qiáng)的混凝土防滲墻。 在壩軸線(xiàn)上游側(cè)2.4 m 修筑防滲墻，通過(guò)預(yù)埋灌漿管進(jìn)行灌漿使墻下接帷幕灌漿和固結(jié)灌漿，形成一套垂直完整的防滲封閉體系。 防滲墻的墻厚為80 cm，墻體深入弱風(fēng)化巖0.5～1 m。

計(jì)算驗(yàn)證與實(shí)際觀(guān)測(cè)表明，大竹河大壩采用混凝土防滲墻代替失效的瀝青混凝土心墻效果顯著。2015 年整治完成，至今運(yùn)行良好。

2.竹子坎水庫(kù)除險(xiǎn)加固

四川省通江縣竹子坎水庫(kù)是一座以灌溉為主、兼有防洪效益的?。?）型水利工程， 總庫(kù)容為34.56 萬(wàn)m3，正常水位119.6 m， 大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高29.60 m。該工程建于1975 年，1983 年竣工。 水庫(kù)運(yùn)行多年出現(xiàn)大壩、溢洪道、放水設(shè)施等系統(tǒng)性病害情況， 經(jīng)分析與勘察存在大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)不夠、 下游壩坡穩(wěn)定不滿(mǎn)足規(guī)范要求、壩體變形散浸、壩肩滲漏等諸多病險(xiǎn)問(wèn)題。 安全鑒定表明竹子坎水庫(kù)已成高危病險(xiǎn)水庫(kù)， 對(duì)下游各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成極大威脅。

設(shè)計(jì)單位提出采用W6 C25 混凝土增強(qiáng)體心墻進(jìn)行加固，混凝土墻體位于壩軸線(xiàn)偏上游1.4 m， 厚0.80 m，成墻最低高程82.70 m， 頂部高程120.10 m。 增強(qiáng)體心墻物理指標(biāo)要求：28 天標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度R28≥25 MPa；滲透系數(shù)K≤1×l0-7cm/s；彈性模量E≥25 000 MPa。 在防滲墻中布置1 排帷幕灌漿孔，孔距1.5 m，帷幕防滲深度按至少伸入基巖q≤10 Lu以下5 m 控制。 防滲心墻共劃分13個(gè)槽段，典型槽段寬6.8 m，槽孔分兩序間隔開(kāi)挖。

表1 增強(qiáng)體建造直接費(fèi)用與壩高的關(guān)系

竹子坎水庫(kù)除險(xiǎn)加固于2018 年整治完成，目前運(yùn)行狀況良好。 該水庫(kù)在2020 年汛期一直按照設(shè)定度汛水位運(yùn)行，沒(méi)有“空庫(kù)度汛”，從而保障來(lái)年供水需求。

五、縱向增強(qiáng)體土石壩經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

采用縱向增強(qiáng)體加固技術(shù)整治各類(lèi)土石壩病險(xiǎn)水庫(kù)， 就目前的工程實(shí)踐而言， 一般都是壩高為20～70 m 的中低壩，其技術(shù)性能可靠，經(jīng)濟(jì)造價(jià)優(yōu)越， 直接費(fèi)用一般在數(shù)百萬(wàn)至一千多萬(wàn)不等， 增強(qiáng)體直接工程投資一般不超2 000 萬(wàn)元，對(duì)病險(xiǎn)土石壩水庫(kù)整治來(lái)說(shuō)完全可以接受。 增強(qiáng)體建造的直接投資與壩高的關(guān)系見(jiàn)表1。

六、結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)近年的工程實(shí)踐與理論研究，縱向增強(qiáng)體加固病險(xiǎn)土石壩技術(shù)是可靠可行的，對(duì)防止水庫(kù)大壩失事特別是漫頂潰壩具有重要作用，也能降低土石壩各類(lèi)病害病險(xiǎn)的重復(fù)發(fā)生率，克服了以往病險(xiǎn)水庫(kù)“頭痛醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”的片面做法。 目前縱向增強(qiáng)體土石壩已經(jīng)初步形成設(shè)計(jì)導(dǎo)則， 并在新建和除險(xiǎn)加固中均有了實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行狀況良好。 今后，應(yīng)不斷總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)， 加強(qiáng)抗震適應(yīng)性研究， 以期得到更廣范圍的應(yīng)用，降低常規(guī)土石壩漫頂潰決風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的長(zhǎng)久安全運(yùn)行。 ■