首章水庫大壩防滲加固與穩(wěn)定性計(jì)算分析

葉建勇

(福建省寧德市周寧縣水利局，福建 寧德 355400)

1 工程概況

周寧縣首章水庫位于周寧縣瑪坑鄉(xiāng)首章村，所在河流為長峰溪，該水庫建于1981年7月，于1982年12月竣工，壩址以上流域面積1.0 km2，多年降雨量1780 mm，是一座以飲水、灌溉為主的小(2)型水庫，設(shè)計(jì)灌溉面積20多hm2[1-2]。水庫正常運(yùn)行時(shí)水位為827.66 m，壩頂高程為829.92 m，大壩長寬高分別為58.0 m、4.4 m和15.0 m；資料顯示設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和死水位分別為829.30 m、829.64 m、823.92 m，相對(duì)應(yīng)庫容分別為13.62萬m3，14.38萬m3，0.80萬m3。溢洪道堰頂高程827.66 m，堰寬10.2 m[3-4]。

2 大壩防滲加固設(shè)計(jì)

2.1 滲漏原因分析

大壩填土根據(jù)土工顆粒分析成果定名主要為素填土(粉質(zhì)黏土),共取土樣1組,其<0.005 mm，黏粒含量為36.7%，由此可見該大壩填土土料達(dá)不到均質(zhì)土壩質(zhì)量要求。分析土樣后發(fā)現(xiàn)該大壩填土土料塑性指數(shù)為13.1，總體土料質(zhì)量評(píng)價(jià)為“一般”。根據(jù)采取素填土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)(采取上部素填土，未含碎塊石)，重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果：最大干密度1.70 g/cm3，最佳含水量19.8%。采取原狀土樣進(jìn)行常規(guī)分析，土體的干密度為1.28 g/cm3，根據(jù)成果分析壓實(shí)系數(shù)為0.75，低于0.96，表明前期填土壓實(shí)工作不到位，壓實(shí)度差，存在滲漏的安全隱患。由于原有資料壩型定義為黏土心墻堆石壩，對(duì)壩體的定義錯(cuò)誤，本次在壩軸線鉆孔均為堆石體土層，受場(chǎng)地條件制約，在壩體右岸迎水坡采用坑探型式進(jìn)行開挖(TK1孔)，經(jīng)開挖結(jié)果判定壩型為黏土斜墻堆石壩，并采取壩身原狀填土土樣進(jìn)行室內(nèi)分析，壩體在早期漏水較嚴(yán)重，后期對(duì)砌石護(hù)坡進(jìn)行勾縫防滲處理，目前壩面滲漏有所減少，但壩體填筑土防滲質(zhì)量尚有不足，且現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)位于壩腳有一滲漏點(diǎn)，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)滲漏量約為60T/d。

綜上所述，不僅壩體存在滲漏工作不到位的情況，而且發(fā)現(xiàn)壩體與基礎(chǔ)連接處亦欠缺防滲處理。壩體長期受到侵蝕會(huì)導(dǎo)致大壩局部失穩(wěn)、防洪能力喪失等問題，此外由于該大壩自修建以來已有30余年，長期的小范圍滲流必然造成接觸滲流和流土的形成[5-6]。基于現(xiàn)有技術(shù)和工藝，現(xiàn)提出壩體上游面采用土工膜或防滲面板等防滲處理措施。

2.2 壩體防滲方案擬定

充分理解首章水庫大壩病害病癥后，結(jié)合“截?cái)酀B漏通道”的防滲指導(dǎo)思想，選取迎水坡全坡面土工膜加截水墻、C25瀝青混凝土面板加截水墻等方案進(jìn)行比較分析，各方案布置設(shè)計(jì)如下：

方案1：迎水坡全坡面土工膜防滲。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與地質(zhì)勘探資料可知：大壩為黏土斜墻堆石壩，大壩上游坡面斜率太大，坡度較陡，無法滿足設(shè)計(jì)要求。此外，黏土斜墻頂寬偏窄，也達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。本次除險(xiǎn)加固擬對(duì)大壩進(jìn)行的防滲處理方式為：采用在上游側(cè)加厚黏土斜墻及鋪設(shè)700 g/m2復(fù)合土工膜防滲。本方案施工時(shí)是在迎水坡上拆除原干砌石勾縫的砌體及原黏土斜墻上游坡修成臺(tái)階狀，每階高為1.0 m，然后采用黏土進(jìn)行回填夯填，夯填黏土斜墻頂寬為3.0 m，上游側(cè)的坡比為1∶2，并在高程824.00 m處設(shè)置1.5 m 寬的馬道；然后進(jìn)行全壩段鋪設(shè)復(fù)合土工膜，最后在復(fù)合土工膜上依次鋪設(shè)0.2 m厚砂碎石墊層和砌筑0.3 m厚干砌石護(hù)坡；在壩體與兩岸壩肩交接處各設(shè)有一道防滲墻，防滲墻為矩形斷面，采用C15現(xiàn)澆混凝土(埋石率為20%)進(jìn)行澆筑，其斷面寬0.5 m，深1.0 m，總長76 m。

優(yōu)勢(shì)：復(fù)合土工膜具有高強(qiáng)度、運(yùn)輸量小、靈活的變形能力、高延展性和防腐防侵蝕的優(yōu)點(diǎn)，整個(gè)工程造價(jià)較低，且能有效對(duì)壩體、壩基進(jìn)行防滲加固。

缺陷：復(fù)合土工膜防滲層結(jié)構(gòu)包括支承層、土工膜層、保護(hù)層三層，每一層有特定且精細(xì)的施工工藝，施工難度較大。

方案2：迎水坡采用瀝青混凝土面板防滲。本方案施工時(shí)是在迎水坡上拆除原干砌石勾縫的砌體及原黏土斜墻上游坡修成臺(tái)階狀，每階高為1.0 m，然后采用黏土進(jìn)行回填夯填，夯填黏土斜墻頂寬為3.0 m，上游側(cè)的坡比為1∶2，然后在黏土斜墻上依次鋪設(shè)0.3 m厚砂碎石墊層以及澆筑0.3 m厚C25瀝青混凝土護(hù)面，再在死水位以下堆石渣蓋重，石渣蓋重水平上頂寬為3.0 m，迎水坡坡比為1∶2；在壩體與兩岸壩肩交接處各設(shè)有一道防滲墻，防滲墻為矩形斷面，采用C15現(xiàn)澆混凝土(埋石率為20%)進(jìn)行澆筑，其斷面寬0.5 m，深1.0 m，總長76 m。

優(yōu)勢(shì)：瀝青混凝土滲漏量極低，有良好的柔性，可能發(fā)生的裂縫有一定自愈封閉作用，施工對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好，施工速度快，方便監(jiān)控、維修、滲漏探測(cè)等。

缺陷：施工技術(shù)要求較高、面板受氣候影響較大、易老化、斜坡穩(wěn)定性能差。

表1列出了兩種方案在工程量和造價(jià)上的不同之處，對(duì)比兩個(gè)方案的各項(xiàng)工程量和各單項(xiàng)造價(jià)均能發(fā)現(xiàn)方案1在投資和工程量上站先決優(yōu)勢(shì)。所以經(jīng)投資、技術(shù)以及結(jié)合本工程病險(xiǎn)情況，本次加固防滲設(shè)計(jì)選用方案1作為推薦方案。

表1 各方案工程量及工程投資比較

3 大壩加固后滲流安全性及穩(wěn)定計(jì)算

由于大壩加固后，改變了原來的防滲條件，必須對(duì)大壩滲流安全性和壩坡穩(wěn)定重新進(jìn)行計(jì)算分析,判斷水庫大壩經(jīng)本次加固后穩(wěn)定是否滿足要求[7- 8]。溢洪道的溢流堰斷面結(jié)構(gòu)也因此做了調(diào)整，使得大壩校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位均做了調(diào)整，經(jīng)過計(jì)算后，校核洪水位為829.14 m，設(shè)計(jì)洪水位為828.83 m。

3.1 加固后滲流安全性計(jì)算

本次加固后的大壩滲流計(jì)算方法與加固前滲流分析類似，計(jì)算斷面取加固后的最大斷面，其計(jì)算工況如下： (1)上游庫水位為正常蓄水位827.66 m，下游無水。(2)上游庫水位為設(shè)計(jì)洪水位828.83 m，下游無水。 (3)上游庫水位為校核洪水位829.14 m，下游無水。 (4)上游庫水位從校核洪水位829.14 m驟降至堰頂高程827.66 m，下游無水。

從表2成果可知，大壩加固后在各種工況下，壩體內(nèi)部水力坡降均比加固前有所減少，但對(duì)壩體不會(huì)產(chǎn)生滲流破壞。理論上單寬滲流量很小，比加固前有所減小。因此，本次加固措施可行。

由表2可知，四種工況下壩體內(nèi)部水力坡降均低于加固前的值，加固后不再對(duì)壩體產(chǎn)生滲流破壞。觀察單寬滲流量的值也可以得出相同的結(jié)論，圖1是經(jīng)過Autobank7.0軟件導(dǎo)出的加固后的滲流分析圖，與加固前做了對(duì)比后表明該加固措施切實(shí)可行[9]。

表2 加固前后各工況滲流計(jì)算成果對(duì)比表

圖1 各工況加固后滲流分析

3.2 大壩加固后穩(wěn)定計(jì)算

參照《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 258—2000)規(guī)定，在大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，無須考慮地震力影響，穩(wěn)定計(jì)算斷面選取最大斷面。本次壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算采用Autobank7.0軟件在微機(jī)上完成計(jì)算。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)，本工程為黏土斜墻堆石壩計(jì)算方法采用摩根斯頓-普賴斯(Morgenstern-Price)法。摩根斯頓-普賴斯法計(jì)算公式(1)與公式(2)如下[10]：

tanφ′=tanφ/K

(1)

C′=C/K

(2)

式中：φ′、C′為假定壩體材料的有效強(qiáng)度指標(biāo)；C、φ為壩體材料實(shí)際的有效強(qiáng)度指標(biāo)；K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

本次壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算采用Autobank7.0軟件在微機(jī)上完成計(jì)算。計(jì)算了7種工況，分別為

(1)正常運(yùn)用情況。工況1：庫水位為正常蓄水位827.66 m，下游無水時(shí)，上游邊坡穩(wěn)定計(jì)算;工況2：庫水位與下游狀態(tài)同工況1，下游邊坡穩(wěn)定計(jì)算;工況3：庫水位為設(shè)計(jì)洪水位828.83 m，下游無水時(shí)，上游邊坡穩(wěn)定計(jì)算;工況4：庫水位與下游狀態(tài)同工況3，下游邊坡穩(wěn)定計(jì)算;工況5：庫水位為死水位823.92 m，下游無水時(shí)，上游邊坡穩(wěn)定計(jì)算。

(2)非常運(yùn)用情況。工況6：上游庫水位為校核洪水位829.14 m，下游無水，下游邊坡穩(wěn)定計(jì)算;工況7：上游庫水位從工況6所述的829.14 m降至壩頂高程827.66 m，下游無水時(shí)，上游邊坡穩(wěn)定計(jì)算。

結(jié)合表3、表4成果可知，大壩通過方案1所述加固后壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)高于規(guī)范所規(guī)定的最小安全系數(shù)，利用Autobank7.0軟件驗(yàn)算后的分析圖表現(xiàn)出相同的結(jié)果，由此可見該加固方案在大壩穩(wěn)定性這個(gè)檢測(cè)維度上滿足要求，切實(shí)可行[11]。

正常蓄水位827.66 m時(shí),上游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=2.278,下游游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.687(a)工況1設(shè)計(jì)洪水位828.83 m時(shí),上游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=2.28587,下游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.67619(b)工況3死水位823.92 m,上游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=2.235 54 (c)工況5水位從校核洪水位829.14 m驟降至正常蓄水位827.66 m時(shí),上游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=2.2576(d)工況7

表3 大壩加固后壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)表

4 結(jié) 語

結(jié)合工程地質(zhì)勘測(cè)、大壩現(xiàn)狀問題分析和相關(guān)大壩防滲加固設(shè)計(jì)案例，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度分析了大壩滲漏原因，由此給出了壩坡土工膜防滲和瀝青混凝土面板防滲兩種改造方案。對(duì)比之下，最終選取了壩坡土工膜防滲進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。此外，文章還利用微機(jī)軟件Autobank7.0對(duì)比了改造前后首章水庫大壩穩(wěn)定性，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足大壩排險(xiǎn)加固要求，科學(xué)地延續(xù)了高齡大壩的使用壽命，同時(shí)保障了該小(2)型水庫大壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行。