高安市三八水庫主壩加固設(shè)計

付 亮

(江西省宜春市水利水電工程監(jiān)理有限公司工程部，江西 宜春 336000)

1 工程概況

三八水庫位于高安市獨城鎮(zhèn)安塘行政村，屬贛江水系肖江支流，壩址控制流域面積22.53km2，總庫容1057m3，設(shè)計灌溉面積2.14萬畝。是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水利樞紐工程。

工程主要建筑物有：五座大壩(主壩、東一副壩、東二副壩、南副壩、西副壩)、五座壩下涵管(主壩壩下涵管、東一副壩壩下涵管、東二副壩壩下涵管、西副壩壩下左右兩座涵管)、溢洪道、引流渠及相關(guān)建筑物、渠首工程、防汛公路等組成。

主壩為黏土心墻壩，壩頂高程61.30m，最大壩高16.5m，壩長308m，頂寬6.0m。上游58.90m高程以下干砌石護坡，以上草皮護坡，坡比1∶2.5-1∶3.0；下游草皮護坡，坡比1∶2.5-1∶3.0，高程51.0m以下設(shè)有貼坡反濾體，頂寬約1.5m，長260m。2002年加固壩體黏土心墻范圍0+008.5-0+298.5，心墻頂高程58.90m，軸線與壩軸線重合，全長290m；壩基帷幕灌漿范圍0+120-0+170，全長50m。

2 主壩復核

2.1 壩頂高程復核

壩頂高程為水庫靜水位與壩頂超高之和，復核計算成果見表1。

表1 壩頂高程復核計算表

從表1可以看出，主壩壩頂高程滿足要求。

2.2 滲流及滲透穩(wěn)定復核

2.2.1 計算斷面及滲透指標的確定

1)計算斷面的確定：

本次滲流計算選取具有代表性的斷面進行分析，具體為：0+050.10、0+135.60、0+213.10三個斷面；斷面的選取可代表主壩實際滲流運行狀況。

2)大壩滲透指標的確定：

壩體各分區(qū)的滲透系數(shù)取值見表2。

表2 主壩滲透系數(shù)分區(qū)指標表

2.2.2 滲流計算

2.2.2.1 計算程序說明

本次滲流理論計算分析采用水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院組織評審通過的北京理正軟件設(shè)計研究院(WWW.Lizheng.com.cn)編制的土石壩二維滲流計算軟件(5.11版)。軟件編制依據(jù)為《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2020)、《滲流數(shù)值計算與程序說明》(毛昶熙等主編、河海大學出版社、1999.01)、《有限元法原理與應(yīng)用》(第二版、朱伯芳編著、中國水利水電出版社、1998.10)等。軟件適用于飽和土和非飽和土理論，適用于不規(guī)則邊界的各向同性(或各向異性)滲流場，能有效地解決各種堤壩復雜滲流狀況的滲流分析問題。

2.2.2.2 穩(wěn)定滲流計算

1)荷載組合：

根據(jù)規(guī)范《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2020)規(guī)定，土壩計算應(yīng)考慮水庫運行中出現(xiàn)的不利條件，需要計算下列水位組合情況：

a)上游正常蓄水位(58.00m)與下游相應(yīng)的最低水位；

b)上游設(shè)計洪水位(58.36m)與下游相應(yīng)水位；

c)上游校核洪水位(58.90m)與下游相應(yīng)水位；

d)上游1/3壩高水位與下游相應(yīng)水位；

因大壩下游為平地，在各種計算工況時的下游水位變幅值較小，故計算時取大壩下游水位為下游地面高程。

2)計算結(jié)果：

按以上所述3種工況分別進行計算，各工況下最大水平滲透坡降值及滲流量計算值見表3。

表3 主壩滲流計算坡降及滲流量表

2.2.3 滲流安全評價

從計算結(jié)果可以看出，主壩樁號0+213.1斷面壩基層水平坡降在校核工況>允許值，單寬滲漏量偏大；大壩現(xiàn)狀的運行情況和計算的結(jié)果是相符的。

2.3 壩坡靜力穩(wěn)定復核

2.3.1 大壩穩(wěn)定計算復核

1)計算方法：

本次鑒定采用北京理正軟件設(shè)計研究院的邊坡穩(wěn)定分析軟件。計算時，穩(wěn)定滲流期下游坡采用有效應(yīng)力法進行計算，計算上游壩坡穩(wěn)定情況時，則采用有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法兩種方法進行計算，計算結(jié)果取兩種方法所得結(jié)果中的小值(本次計算采用畢肖普法)。

2)計算內(nèi)容：

壩坡抗滑穩(wěn)定復核計算是在防洪標準復核和滲流安全評價成果的基礎(chǔ)上進行的。具體的計算工況如下：

a)正常運用條件：

①水庫水位為正常蓄水位(58.00m)的穩(wěn)定滲流期的下游壩坡；

②水庫水位為設(shè)計洪水位(58.36m)的穩(wěn)定滲流期的下游壩坡；

③上游水位由正常蓄水位(58.00m)降至死水位(48.07m)的上游坡；

④水庫水位為不利水位(1/3壩高)的穩(wěn)定滲流期的上游游壩坡；

b)非常運用條件：

①水庫水位為校核洪水位(58.90m)的穩(wěn)定滲流期的下游壩坡；

②上游水位由校核洪水位(58.90m)降至正常蓄水位(58.00m)的上游坡；

計算時，下游壩坡采用有效應(yīng)力法進行計算，水庫水位降落期的上游壩坡則采用有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法兩種方法進行計算，計算結(jié)果取兩種方法所得結(jié)果中的最小值。

3)壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)：

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2001)有關(guān)規(guī)定，采用計及條塊間作用力的計算方法時，壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)，應(yīng)不小于：正常運用條件時[K]=1.30、非常運用條件時[K]=1.20。

4)計算斷面及參數(shù)選定：

由于水庫大壩無任何原型觀測資料，根據(jù)三八水庫壩體的結(jié)構(gòu)布置情況，壩體穩(wěn)定計算斷面選擇滲流計算相應(yīng)的斷面。

壩體填土及壩基各土層的物理力學指標見表4。

表4 主壩壩體填土及壩基材料的物理力學指標表

5)穩(wěn)定計算結(jié)果：

在六種水庫運行工況下，大壩各計算斷面上、下游壩坡的最小安全系數(shù)詳見表5。

表5 主壩各斷面壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果

2.3.2 壩體穩(wěn)定性評價

從結(jié)果可以看出，各種計算工況下，主壩的上、下游壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均>規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求。

3 主壩存在的主要問題

通過對三八水庫現(xiàn)狀的現(xiàn)場檢查及復核計算，主壩存在以下問題：

1)主壩樁號0+213.1斷面壩基層水平坡降在校核工況>允許值，單寬滲漏量偏大；

主壩壩基透水層僅實施了中間段(樁號0+120-0+170)。2005年庫水位達57.03m時，在樁號0+232.5，距下游壩坡腳19.2m，高程47.30m處，發(fā)現(xiàn)一處散浸；在樁號0+269.8高程51.55m處和樁號0+279.5高程52.74m處的下游坡與山體接觸部位發(fā)現(xiàn)兩處漏水點(未實施壩基防滲段)。

2)壩頂未設(shè)壩頂混凝土路面。

4 主壩加固設(shè)計

4.1 加固設(shè)計內(nèi)容

針對主壩存在的問題，根據(jù)現(xiàn)場檢查以及本次加固設(shè)計所進行的地質(zhì)勘探、復核計算結(jié)果，主壩加固設(shè)計的內(nèi)容為：壩基、壩肩帷幕灌漿，增設(shè)壩頂混凝土路面；對現(xiàn)有大壩上下游護坡缺損部位、壩面排水系統(tǒng)損毀部位等進行修復。

4.2 大壩外形輪廓尺寸的確定

1)壩頂高程的確定：

由大壩頂高程復核計算可知，設(shè)計所需壩頂高程為60.88m，現(xiàn)狀壩頂高程為61.30m，滿足設(shè)計要求。本次壩頂設(shè)計高程為61.30m(包括0.20m厚C30混凝土路面、0.15m厚5%水泥穩(wěn)定基層)。

2)壩頂寬度的確定：

根據(jù)《碾壓式土石壩規(guī)范》SL274-2020規(guī)定，如無特殊要求，壩頂最小寬度對中低壩可選用5-10m，現(xiàn)有大壩壩頂寬度為6.0m左右，滿足規(guī)范要求。本次加固維持現(xiàn)狀。

3)壩頂布置：

壩頂設(shè)置混凝土路面，長308m，路面寬4.5m，面層為0.20m厚C30混凝土，下設(shè)0.15m厚5%水泥穩(wěn)定基層，為了滿足路面排水要求，將路面向上游傾斜，其傾斜坡度為2%。

4)大壩護坡及排水系統(tǒng)：

對現(xiàn)有大壩上下游護坡缺損部位、壩面排水系統(tǒng)損毀部位等進行修復。

4.3 踏步設(shè)計

根據(jù)大壩現(xiàn)狀情況，在大壩上、下游各增設(shè)一條踏步，踏步每步高15cm，與壩坡對應(yīng)設(shè)置每步的寬度，并設(shè)置C20混凝土齒墻。踏步用C20混凝土現(xiàn)澆，下設(shè)15cm厚的砂卵石墊層。

4.4 主壩壩基防滲處理

根據(jù)主壩存在的問題結(jié)合其他水庫壩身、壩基及重點堤防堤身、堤基防滲處理的經(jīng)驗，本著經(jīng)濟、實用、等效的原則，初步擬定壩基采用帷幕灌漿方案進行處理。

主壩現(xiàn)有帷幕灌漿50m長，實際施工過程中會存在現(xiàn)有帷幕灌漿防滲墻定位的問題及新老帷幕灌漿防滲墻的搭接問題，施工中控制不好容易造成空窗，從而留下隱患，考慮到現(xiàn)有帷幕灌漿的長度僅為50m，本次設(shè)計不考慮原來的帷幕灌漿處理段，全斷面進行帷幕灌漿處理[1]。

帷幕灌漿范圍為樁號0-001.3-0+321.9，全長323.2m，布置一排，孔距2.0m，帷幕灌漿軸線與壩軸線重合，帷幕灌漿頂高程與現(xiàn)有沖抓黏土防滲墻搭接1.0m，底部伸入深入相對不透水層以下5.0m。

帷幕灌漿造防滲墻設(shè)計如下：

1)帷幕灌漿布置：

帷幕灌漿孔布置單排，鉆孔軸線與壩軸線重合，范圍為樁號0-001.3-0+321.9,全長323.2m，布置一排，防滲墻軸線位于壩軸線處,孔距2.0m，帷幕灌漿頂高程與現(xiàn)有沖抓黏土防滲墻搭接1.0m，底部伸入深入相對不透水層以下5.0m。分三序孔施工。

2)帷幕灌漿防滲墻設(shè)計指標：

帷幕灌漿防滲標準為：q≤10Lu；灌漿壓力應(yīng)通過灌漿試驗確定，初擬孔口灌漿壓力為0.2Mpa-0.4 Mpa；采用"小口徑、孔口封閉、自上而下分段、孔內(nèi)循環(huán)法"灌注工藝，灌漿材料一般采用P.0.42.5純水泥漿液；局部裂隙發(fā)育段、巖溶破碎帶等地段可根據(jù)實際情況采用砂漿和粉煤灰砂漿；砂應(yīng)為質(zhì)地堅硬的天然砂或人工砂,粒徑≤2.5mm,細度模數(shù)≤2.0；各類漿液摻入料的種類及其摻加量應(yīng)通過室內(nèi)漿材試驗和現(xiàn)場灌漿試驗確定；漿液濃度由現(xiàn)場確定，一般由稀到濃逐級變換;灌漿孔位與設(shè)計孔位的偏差值≤10cm,孔深應(yīng)符合設(shè)計要求[2]。

4.5 主壩加固后滲流計算

主壩加固后滲流復核計算方法與上節(jié)相同。壩體及黏土斜墻滲透系數(shù)見表6，計算斷面仍選取0+050.1、0+135.6、0+213.1三個斷面。計算工況同加固前。

表6 加固后大壩斷面土層的滲透計算參數(shù)

各計算斷面按不同工況組合進行計算，各種工況下，大壩防滲墻及各土層分區(qū)內(nèi)最大水平滲透坡降值及滲流量見下表7-表9[3]。

表7 主壩樁號0+050.10斷面滲流計算坡降及滲流量表

表8 主壩樁號0+135.60斷面滲流計算坡降及滲流量表

表9 主壩樁號0+205.90斷面滲流計算坡降及滲流量表

從計算結(jié)果可以看出，大壩壩基設(shè)置帷幕灌漿后，壩體內(nèi)浸潤線明顯降低，有利于壩體穩(wěn)定，且防滲墻墻體滲透坡降均小于其允許滲透坡降[J]=5，滲透穩(wěn)定能滿足要求[4]。

由于原壩體是穩(wěn)定的，所以壩基設(shè)置帷幕灌漿后的不再進行壩體穩(wěn)定計算。

5 結(jié) 語

三八水庫存在壩體、壩基滲漏，壩頂未設(shè)混凝土路面，上下游護坡破損，壩面排水系統(tǒng)損毀等險情，文章針對其存在的險情對其進行加固設(shè)計：壩基、壩肩帷幕灌漿，壩頂增設(shè)混凝土路面，對現(xiàn)有主壩上下游護坡缺損部位、壩面排水系統(tǒng)損毀部位等進行修復。加固后滲流復核計算結(jié)果滿足規(guī)范要求，表明主壩防滲問題得到徹底解決。