楊坪水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)分析

熊偉杰

(湖南欣盛建設(shè)有限公司,湖南 常德 415000)

長(zhǎng)期以來(lái)，越來(lái)越多的水庫(kù)存在著使用時(shí)間較長(zhǎng)、維修不及時(shí)的質(zhì)量問(wèn)題，需要進(jìn)行有效的除險(xiǎn)加固處理，保證其運(yùn)行安全性和可靠性。水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程要分為3個(gè)階段，分別為前期準(zhǔn)備、實(shí)際施工以及后期驗(yàn)收。其中，施工階段是最為重要的關(guān)鍵部分，是水庫(kù)加固修復(fù)后功能能否得以改善的基礎(chǔ)。為了保證水庫(kù)加固后能夠有效減少安全隱患，提高施工質(zhì)量，在工程中要對(duì)施工管理工作予以高度重視，使水庫(kù)發(fā)揮更大的社會(huì)效益。

1 工程概況

1.1 工程概況

楊坪水庫(kù)位于常德市臨澧縣佘市橋鎮(zhèn)歇駕村，屬于道水水系，是一座以灌溉為主、兼顧防洪等綜合利用的小(Ⅱ)水利工程。樞紐工程由大壩、溢洪道和輸水涵管組成。楊坪水庫(kù)大壩壩型為均質(zhì)土壩，最大壩高為16.1m，現(xiàn)狀壩頂高程為122.38m，壩頂軸線長(zhǎng)245m，壩頂寬度4m，大壩上游壩坡坡比為1∶2.57，上游為C20砼防滲面板，護(hù)坡整體結(jié)構(gòu)完好；大壩下游壩坡分3級(jí)，坡比分別為1∶2.5、1∶2.5、1∶3.2，平臺(tái)高程分別為116.74m、112.83m。溢洪道堰型為開敞式溢洪道，堰頂高程為120.67m，溢洪道位于大壩右側(cè)，溢洪道由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消力池、泄洪渠組成[1]。輸水涵洞位于大壩右側(cè)壩體下部，為砌石拱涵。進(jìn)口底板高程111.21m。輸水涵洞周邊滲水，啟閉設(shè)備陳舊。水庫(kù)在流域中有著重要的地位與作用，該水庫(kù)建成四十多年來(lái)，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益十分顯著。

1.2 除險(xiǎn)加固改造緣由

該水庫(kù)興建于1973年11月，1974年9月完成建設(shè)并開始運(yùn)行。在后續(xù)使用中又進(jìn)行多次擴(kuò)建，到達(dá)現(xiàn)在規(guī)模。在當(dāng)時(shí)技術(shù)、資金等眾多方面的限制下，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工質(zhì)量相對(duì)較低。該大壩的施工人員主要為當(dāng)?shù)卮迕?，施工整體周期較長(zhǎng)，并且專業(yè)指導(dǎo)不足，在施工質(zhì)量上有很大欠缺，存在著填土混雜、清基不徹底、施工分層等問(wèn)題。填筑土碾壓情況欠佳，甚至很多局部存在漏壓現(xiàn)象，無(wú)法滿足土壩填筑的標(biāo)準(zhǔn)和要求。在長(zhǎng)期的運(yùn)行中出現(xiàn)了壩體散浸、壩肩滲漏等問(wèn)題，威脅到大壩的安全使用，同時(shí)也對(duì)下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。

目前工程存在的問(wèn)題和安全隱患主要有以下幾個(gè)方面：①大壩壩肩滲漏嚴(yán)重，下游壩坡未整形達(dá)標(biāo)，無(wú)反濾排水設(shè)施；②溢洪道進(jìn)口段及泄槽段為漿砌石襯砌，整體結(jié)構(gòu)完好，泄槽出口無(wú)消能設(shè)施，溢洪道整體淤塞、沖刷嚴(yán)重，泄洪渠不暢通；③白蟻危害嚴(yán)重；④輸水涵無(wú)啟閉機(jī)房，輸水涵管為塊石拱涵，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，涵管管身老化出現(xiàn)滲漏；⑤無(wú)觀測(cè)設(shè)施；⑥無(wú)防汛倉(cāng)庫(kù)。在長(zhǎng)期的運(yùn)行中大壩險(xiǎn)情逐漸惡化，對(duì)其自身運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重隱患，為了更好地保護(hù)當(dāng)?shù)厝嗣癜踩?，必須要?duì)其進(jìn)行有效的除險(xiǎn)加固處理。

2 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

楊坪水庫(kù)設(shè)計(jì)正常蓄水位120.67m，正常庫(kù)容55萬(wàn)m3，死水位111.21m，死庫(kù)容5.0萬(wàn)m3。水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積700畝。該水庫(kù)為小(Ⅱ)型水庫(kù)，工程等別屬Ⅴ等工程，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)；其設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。消能防沖建筑物按10年一遇設(shè)計(jì)。水庫(kù)特征水位及相應(yīng)庫(kù)容見(jiàn)表1。

表1 水庫(kù)特征水位及相應(yīng)庫(kù)容表

2.1 擋水建筑物除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

2.1.1大壩存在的主要問(wèn)題

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及管理人員介紹，楊坪水庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行以來(lái)壩體、壩基滲漏嚴(yán)重，2015年除險(xiǎn)加固大壩采用沖抓套井及帷幕灌漿防滲，處理了壩體及壩基滲漏，但效果不明顯，經(jīng)過(guò)本次現(xiàn)場(chǎng)查勘發(fā)現(xiàn)，大壩壩肩及部分壩基依然出現(xiàn)滲漏情況，本次設(shè)計(jì)對(duì)壩體、壩肩進(jìn)行防滲很有必要。

(2)下游壩坡未整修達(dá)標(biāo)處理，且外坡排水溝不完整，水庫(kù)建成已運(yùn)行多年，在雨水沖刷作用下，下游坡面淘刷嚴(yán)，壩下渠道局部開裂、老化。第三，大壩下游壩腳沒(méi)有設(shè)置反濾排水體，使排水不暢，效果差。

2.1.2壩頂改造設(shè)計(jì)

大壩壩頂為現(xiàn)狀為混凝土路面，寬5.0m，壩頂中部布置一盞防汛太陽(yáng)能路燈。

2.1.3大壩防滲處理

據(jù)當(dāng)年現(xiàn)場(chǎng)施工人員回憶，施工為民工大兵團(tuán)包片作業(yè)，設(shè)備簡(jiǎn)陋，大壩填筑用石夯和木夯夯砸壓實(shí)。由于采用大批民工作業(yè)，缺乏技術(shù)指導(dǎo)和施工管理，無(wú)法達(dá)到施工要求。壩體分層填筑時(shí)存在上部密實(shí)而下部疏松的問(wèn)題，導(dǎo)致有水平滲水帶形成[2]。分段填筑上升速度存在差異，相鄰處存在漏壓、少壓?jiǎn)栴}，導(dǎo)致大壩存在散浸問(wèn)題。投入使用后相繼存在不同險(xiǎn)情，雖然對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)和加固處理，但是其效果受到經(jīng)費(fèi)等方面的影響而不是十分理想，大壩運(yùn)行安全存在嚴(yán)重問(wèn)題。

(1)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)大壩所存在的問(wèn)題，對(duì)于其壩肩和壩身滲漏問(wèn)題，再加上當(dāng)年施工大壩填筑未壓實(shí)，碾壓質(zhì)量不滿足規(guī)范要求，若采用高噴灌漿，對(duì)壩體擾動(dòng)較大，而充填灌漿由于灌漿壓力較小，對(duì)壩體擾動(dòng)亦較小，施工時(shí)有利于大壩穩(wěn)定安全，因此本次除險(xiǎn)加固施工采用充填灌漿技術(shù)。在大壩左右兩壩肩壩頂作壩體充填灌漿，右壩肩灌漿軸線長(zhǎng)50m，左壩肩長(zhǎng)45m，右壩肩長(zhǎng)45m，總長(zhǎng)90m，雙排布置，灌漿孔間排距3.0m，漿液采用水泥漿。

(2)灌漿材料與漿液控制

灌漿材料采用32.5普通硅酸鹽水泥，要求新鮮而無(wú)變質(zhì)結(jié)塊現(xiàn)象。漿液采用水泥漿，水灰比1.2∶1～0.8∶1。通過(guò)漿液控制能夠保證漿液質(zhì)量及其水灰比的合理性，減少使用中的冒漿量。對(duì)此，漿液水灰比要≤1∶1。在試驗(yàn)中對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整，減少冒漿量。施工前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配方試驗(yàn)，保證漿液最優(yōu)，提高施工質(zhì)量。

2.1.4下游壩坡整修設(shè)計(jì)

大壩下游處坡面存在較多雜草，同時(shí)由于沒(méi)有設(shè)置排水體，導(dǎo)致浸潤(rùn)線有所升高，土料逐漸發(fā)生軟化，在雨水的作用下發(fā)生一定沉降，坡面不平整，同時(shí)坡比標(biāo)準(zhǔn)性不足，需要進(jìn)行除雜和平整處理。

(1)在下游進(jìn)行坡面平整和雜草處理，厚度0.3m，完成修整后壩坡主要為3級(jí)，坡比分別為1∶2.75、1∶2.75、1∶2.75，平臺(tái)高程分別為116.74m、112.83m，第1級(jí)平臺(tái)寬2.5m，第2級(jí)平臺(tái)寬9.86m，設(shè)置內(nèi)側(cè)排水溝。通過(guò)設(shè)置縱向和豎向的排水溝來(lái)防止壩坡在雨水沖刷的作用下而形成雨淋溝。沿著山體與壩坡交接處設(shè)置豎向排水溝，采用C20砼襯砌。拆除重建過(guò)壩渠道，采用三合土防滲。

(2)新建行人階梯，采用砼C20護(hù)砌厚200mm，斷面尺寸為b×h=150mm×300mm。

2.1.5排水棱體設(shè)計(jì)

由于下游處沒(méi)有社會(huì)排水棱體，無(wú)法進(jìn)行順暢排水，造成了壩體浸潤(rùn)線逐漸升高的問(wèn)題。為了進(jìn)行大壩的穩(wěn)定滲流，根據(jù)其實(shí)際情況新建排水棱體，其頂部高程要比浸潤(rùn)線高出一點(diǎn)，應(yīng)使浸潤(rùn)線在凍結(jié)深度以下，5級(jí)壩要大于1.5m。根據(jù)施工要求及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)來(lái)確定頂部寬度，通常要大于1.0mm。最終確定排水棱體頂高程108.96m，底高程為106.96m；體頂寬為1.43m，選擇耐風(fēng)化、質(zhì)地堅(jiān)硬的塊石進(jìn)行砌筑。排水棱體與壩體之間設(shè)置反濾層，反濾層由兩層反濾料組成，選用耐風(fēng)化的粗砂和碎石構(gòu)成，每層粒徑隨滲流方向變大，第一層卵石反濾料厚度為200mm；第二層粗砂反濾料厚度為200mm。

2.2 溢洪道除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

2.2.1溢洪道加固改造設(shè)計(jì)方案

根據(jù)溢洪道存在的問(wèn)題以及地質(zhì)專業(yè)、水文專業(yè)和管理單位意見(jiàn)，經(jīng)分析比較，本次設(shè)計(jì)將采用如下方法對(duì)其進(jìn)行加固改造：①對(duì)溢洪道進(jìn)行清淤；②新建消能設(shè)施，對(duì)泄洪渠進(jìn)行襯砌。

2.2.2溢洪道結(jié)構(gòu)布置

溢洪道由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消力池組成，結(jié)構(gòu)布置如下。

(1)進(jìn)口段、控制段溢洪道堰型為開敞式溢洪道，堰頂高程為120.67m，進(jìn)口段、控制段及泄流槽段為M7.5漿砌石護(hù)砌，現(xiàn)狀較好。從樁號(hào)0-020～0+000為進(jìn)口段，長(zhǎng)20m，凈寬2.0m，側(cè)墻為M7.5漿砌石擋墻，底板為C25砼襯砌；控制段從樁號(hào)0+000～0+005，長(zhǎng)5m，凈寬2.0m，側(cè)墻為M7.5漿砌石擋墻，底板為C25砼襯砌，頂部高程為123.10m，其中，控制段上部現(xiàn)狀設(shè)有1座工作橋連接壩頂與村級(jí)公路。

(2)泄槽段控制段后接泄槽，泄槽段從樁號(hào)0+005～0+030，共長(zhǎng)25m。凈寬2m，坡降i=0.067。橫斷面為梯形，底板為砼結(jié)構(gòu)。兩側(cè)均為M7.5漿砌石擋土墻，現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)較好。

(3)永久縫、止水與排水設(shè)施泄槽橫向永久縫2條；縱向縫1條(在邊墻與底板交接處)，縫寬均為20mm。縱、橫向永久縫均設(shè)橡皮止水，縱、橫向永久縫處均設(shè)無(wú)砂管排水設(shè)施。

(4)消能防沖楊坪水庫(kù)溢洪道消能防沖設(shè)施采用10年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)采用底流消能出水條件較好。消力池樁號(hào)0+030～0+034，消力池池深0.5m，池長(zhǎng)4.0m，底板C25鋼筋砼厚0.3m，側(cè)墻為M7.5漿砌石重力式擋土墻墻高1.4m。側(cè)墻、底板設(shè)排水孔，孔徑φ50mm。

(5)尾渠段尾渠段樁號(hào)0+034～0+090，底板C25砼厚0.3m，側(cè)墻為M7.5漿砌石重力式擋土墻墻高1.4～1.1m。

2.3 輸水建筑物除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

2.3.1輸水涵管存在的主要問(wèn)題

根據(jù)安全鑒定資料、地勘資料、現(xiàn)場(chǎng)檢查資料并經(jīng)復(fù)核驗(yàn)算，輸水涵管存在的主要問(wèn)題如下：輸水涵洞位于大壩右側(cè)壩體下部，為砌石拱涵，進(jìn)口底板高程111.21m。輸水涵管經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，涵管管身老化出現(xiàn)滲漏，多次出現(xiàn)險(xiǎn)情，且尺寸較小無(wú)法檢修，出口無(wú)消能設(shè)施；閘門及啟閉設(shè)施老化銹蝕嚴(yán)重，啟閉機(jī)啟動(dòng)方式為人工啟閉，操作不便，涵管需全部翻建并更換閘門及啟閉設(shè)施[3]。

2.3.2設(shè)計(jì)方案擬定

為徹底消除輸水涵管存在的隱患，保障下游灌面供水，以及便于日后檢修，本次設(shè)計(jì)對(duì)原涵管、消力井、斜拉閘進(jìn)行挖除，挖除后新建鋼筋混凝土箱涵、消力井、斜拉閘、消力池，新建啟閉機(jī)房，并按原設(shè)計(jì)參數(shù)要求恢復(fù)壩體[4]。

2.3.3加固方案設(shè)計(jì)

本次除險(xiǎn)加固將涵管拆除，改建為鋼筋混凝土箱涵，根據(jù)地質(zhì)土方開挖建議值，其兩邊開挖坡比均為1∶1。新建的箱涵設(shè)在原址，采用鋼筋砼箱涵，尺寸為0.8m×1.2m，厚0.3m，進(jìn)口采用斜拉閘控制，5t手電兩用啟閉機(jī)；消力井采用C25鋼筋砼，消力井上游側(cè)設(shè)防空孔，孔徑0.4m；箱涵長(zhǎng)65m，進(jìn)口底板高程為110.90m，出口底板高程為110.90m。

3 水庫(kù)防滲加固中所用到的技術(shù)分析

3.1 高壓旋噴灌漿施工技術(shù)

高壓旋噴灌漿技術(shù)是一項(xiàng)常見(jiàn)的處理技術(shù)，在水庫(kù)除險(xiǎn)加固施工中較為常見(jiàn)，有著較好的加固效果[5]。但是在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)有著相對(duì)較高的要求。一些軟性地基會(huì)顯著加大該技術(shù)的應(yīng)用難度，例如沙土、粘性土等等。高壓旋噴灌漿施工技術(shù)往往應(yīng)用于工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備要求不高的工程當(dāng)中，需要通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用就能夠?qū)λ畮?kù)壩體的結(jié)構(gòu)效果以及實(shí)際組成進(jìn)行整體把握和控制，有利于保證施工作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)有效提高水庫(kù)的強(qiáng)度[6]。

3.2 帷幕灌漿施工技術(shù)

相比于高壓旋噴技術(shù)，帷幕灌漿技術(shù)的工藝更為簡(jiǎn)單，并且其施工成本較低，能夠在保證施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上降低所需成本，在水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中采用該技術(shù)，借助壓送機(jī)械設(shè)備將漿液直接灌入到水庫(kù)底部，使其以自然方式進(jìn)行凝結(jié)，從而對(duì)水庫(kù)起到加固作用。在壓送時(shí)，要根據(jù)水庫(kù)的實(shí)際情況來(lái)對(duì)漿液流量和流速進(jìn)行有效控制，保證滲透效果和加固效果良好，滿足除險(xiǎn)加固的需求[7]。

3.3 劈裂式灌漿加固技術(shù)

劈裂式灌漿加固往往應(yīng)用于壩體質(zhì)量較差的土壤中，通過(guò)有效的加固，水庫(kù)壩體整體強(qiáng)度顯著提高。為了保證該技術(shù)的應(yīng)用效果，使其加固作用更為明顯，可以通過(guò)自動(dòng)壓力形成黏土幕布，但是要保證壩體軸線方向準(zhǔn)確。在形成壩體幕布時(shí)要注意重力承載能力，同時(shí)移動(dòng)時(shí)檢測(cè)壩體密實(shí)度，保證其穩(wěn)定性。

3.4 大壩防滲墻加固技術(shù)

在水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)，其地貌因素以及地質(zhì)因素都可能會(huì)對(duì)大壩防滲墻加固施工產(chǎn)生直接影響。如要較好地應(yīng)用大壩防滲墻加固施工，必須要綜合考慮到水庫(kù)地理位置的具體特點(diǎn)，同時(shí)照顧到周邊各種環(huán)境因素。同時(shí)，通過(guò)大壩防滲墻加固施工可以將壩體的不均勻沉降問(wèn)題有效解決。在建立壩體過(guò)程中都是采用混凝土來(lái)進(jìn)行防滲墻施工，在這過(guò)程中，需要在底部放置一定的基石，然后對(duì)壩體兩側(cè)進(jìn)行處理，形成結(jié)構(gòu)較好的防滲墻。同時(shí)由于壩體需要長(zhǎng)時(shí)間使用，必須要保證其在均勻性、連續(xù)性和長(zhǎng)久性方面的要求[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)的正常運(yùn)行是關(guān)系民生的基礎(chǔ)保障，密切關(guān)系到人民自身利益，結(jié)合時(shí)代發(fā)展情況和水庫(kù)運(yùn)行狀況，科學(xué)合理地分析水庫(kù)運(yùn)行中的實(shí)際問(wèn)題，重視施工管理，加強(qiáng)后期維修保養(yǎng)，使水庫(kù)發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，楊坪水庫(kù)項(xiàng)目完成后，渠道、大型建筑物及險(xiǎn)工、隱患得以防滲、除險(xiǎn)、加固，使干渠上跑水、漏水現(xiàn)象基本得到控制，因漏水、跑水灌道、建筑物附近的“冷浸田”及“泥腳田”得以改觀，恢復(fù)正常產(chǎn)量，避免減產(chǎn)，并改善生態(tài)環(huán)境。