北坑水庫除險加固工程中土石壩加固設計方案分析

李 丹

(撫州市水電勘測設計院，江西 撫州 344000)

1 工程概況

北坑水庫位于崇仁縣郭圩鄉(xiāng)東邊村，壩址坐落于崇仁河支流六家橋水支流上，原設計灌溉面積200 hm2，實際灌溉面積133.33 hm2，是一座以灌溉為主，兼顧防洪等綜合利用的小(1)型水庫。

水庫正常蓄水位為87.5 m，相應庫容130.9萬m3；死水位為78.0 m，相應庫容為11.6萬m3；設計洪水標準為30年一遇，相應洪水位88.07 m，庫容143.7萬m3，相應下泄流量16.9 m3/s；校核洪水標準為300年一遇，相應洪水位88.28 m，庫容148.2萬m3，相應下泄流量27.0 m3/s。

大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程90.54～90.82 m，最大壩高15.0 m，壩頂長度245.0 m，壩頂寬度4.0～5.0 m。上游壩坡坡比為1∶2.5，正常高水位87.5 m以下采用干砌塊石護坡，塊石厚度0.2～0.3 m，無墊層，高程87.5 m以上為草皮護坡；下游壩坡85.40 m高程處設有1.5 m寬馬道，馬道上下坡比均為1∶2.0，采用草皮護坡。壩腳貼坡排水體頂高程78.60 m，頂寬1.0 m，邊坡為1∶2.0，塊石層厚度約為0.4 m，無反濾層。

2 大壩存在問題

通過組織管理及施工人員回憶，并組織有關人員現(xiàn)場進行勘探檢查，北坑水庫大壩存在的主要問題有： 大壩土填筑質(zhì)量差，夾較多風化碎石，且碾壓不密實。壩基清基不徹底，壩基存在滲漏問題。上游護坡塊石局部缺失、粒徑偏小，無墊層；壩腳貼坡排水體淤堵、無反濾層，壩腳有滲漏。

3 大壩加固設計

3.1 大壩防滲處理

根據(jù)大壩滲漏情況，設計擬采用三種大壩壩身防滲處理方案進行方案比選,各方案具體設計如下：

3.1.1 方案Ⅰ：黏土斜墻方案

本方案是采用 “上截”的防滲工程措施，在壩體上游面筑防滲斜墻，降低浸潤線位置，達到滲流與結(jié)構穩(wěn)定的目的。

(1)黏土斜墻布置。 即在大壩上游坡加做黏土斜墻，處理時要求拆除護坡后整坡，清除壩身表層含水量過大部分，耙松坡面10～15 cm，進行黏土回填，使得新舊填土良好結(jié)合。

(2)黏土斜墻有效厚度。 黏土斜墻頂厚3.0 m，基礎厚不小于水頭的1/5 取為3.0 m，外邊坡1：3.0，下設黏土截水槽，斜墻有效厚度能達到防滲要求。

(3)黏土斜墻深度。 黏土斜墻的鋪設須放空水庫，并加做施工圍堰，斜墻頂高程為88.57 m，底高程深入基巖層0.5 m。

(4)防滲斜墻材料。 斜墻土料要求采用黏土，黏粒含量在25%～40%，滲透系數(shù)小于5×10-6cm/s，干密度要大于1.5 g/cm3，含水量在20%～30%，干密度與含水量須通過現(xiàn)場實驗控制在設計要求范圍內(nèi)[1]。

3.1.2 方案Ⅱ：射水法造混凝土防滲墻方案

(1)射水法造混凝土防滲墻布置。 射水法造混凝土防滲墻軸線布置在大壩中心線上游1.0 m處，射水槽孔布置在壩頂，造孔樁號自壩左0+000至壩右0+245，全長245 m，總成墻面積4210 m2。

(2)射水造孔防滲墻參數(shù)及技術指標。 滲透系數(shù)：K≤5.0×10-7cm/s，墻體厚度：t=0.22 m，滲透坡降：J<200，抗壓強度：15 MPa，抗?jié)B標號：大于W4。

(3)墻體深度。防滲墻設計深度既要滿足防滲要求，又要做到經(jīng)濟合理和便于施工，選定全封閉式深墻設計，成墻頂高程88.57 m，墻底伸至基巖面以下0.5 m，防滲墻底最低高程為73.6 m，最大深度14.97 m。

(4)混凝土配合比。為保證防滲墻的澆筑質(zhì)量，混凝土配合比應根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。主要建材要求：水泥標號采用P.O.42.5水泥，卵石粒徑為10～20 mm，砂料為中粗砂，坍落度為18～22 cm，擴散控制在34～40 cm。

(5)固壁泥漿。泥漿比重為1.1～1.2,靜切力為2.0～5.0 N/m2，黏度為18～25 MPa·s，含砂量小于5%，失水量小于30 mL/30 min，泥餅厚度為2～4 mm，穩(wěn)定性為0.03 kN/(m3·d)，膠體率為96%。槽孔內(nèi)泥漿面應高于地下水位1.8 m以上，并不得低于孔口高程0.3～0.5 m以上[2]。

3.1.3 方案Ⅲ：沖抓套井回填黏土防滲墻方案

(1)沖抓套井回填黏土防滲心墻布置。 沖抓心墻墻頂高程為校核洪水位88.57 m，底部深入基巖0.3 m。沖抓心墻軸線位于壩軸線上游側(cè)1.0 m處，布孔單排，按主、套井相間布置，一主一套相交成井墻，套井直徑為1.1 m，套井中心距為0.75 m，有效厚度T=0.8 m。樁號自壩左0+000至壩右0+245，全長245 m，總進尺5170 m。

(2)防滲心墻的材料。 回填土料要求是非分散性土料，黏粒含量在25%～40%，滲透系數(shù)<5.0×10-6cm/s，干密度要大于1.5 g/cm3，含水量在20%～30%，干密度與含水量須通過現(xiàn)場實驗控制在設計要求范圍內(nèi)[3]。

三種方案工程量及造價見表1。

表1 三種方案工程量及造價比較

從表1中看出，方案Ⅰ投資最小，投資比較合理，且施工簡單，施工進度快，施工質(zhì)量容易控制，缺點是需要做施工圍堰，水下部分施工不便；方案Ⅱ投資最大，在壩體內(nèi)能形成完整的混凝土防滲體系，防滲效果較好；方案Ⅲ投資居中，可在壩上游面施工，作業(yè)面方便，工藝簡單，質(zhì)量容易控制，但沖抓心墻死水位以下沖抓心墻難以施工，不能形成有效的整體防滲體系，給工程留下隱患。因此，本次設計本著技術可行、經(jīng)濟合理、安全可靠等方面綜合考慮，并參照類似工程擇優(yōu)選取方案Ⅰ黏土斜墻方案對大壩壩體進行加固處理，此方案已經(jīng)積累豐富的施工經(jīng)驗，且效果顯著。

3.2 大壩上游護坡加固處理

大壩上游壩坡不平整，局部缺失，護坡塊石風化、粒徑偏小、無墊層。設計對上游壩坡全面進行整修加固。拆除原護坡塊石，利用拆除塊石料在上游壩腳堆填成固腳平臺，平臺寬3.0 m，平臺頂高程為78.5 m，平臺以下坡比為1∶3.0。上游面新建黏土斜墻，斜墻臨水面坡比為1∶3.0，待黏土斜墻填筑密實后，先在斜墻表面鋪筑0.10 m 厚砂卵石混合料，再進行C15混凝土預制塊護坡，C15混凝土預制塊護坡厚度為0.1 m，護坡范圍下至78.50 m，上至88.57 m，高程88.57 m以上草皮護坡，固腳平臺處C15混凝土固腳尺寸為：0.6 m×0.6 m。

C15混凝土預制塊為六邊形，邊長為0.30 m，縫間用高標號砂漿勾凹縫，板塊預留φ0.05 m排水孔，孔距2.7 m，梅花形布置，排水孔孔口設置雙層土工布(規(guī)格300 g/m2)[4]。

根據(jù)水庫管理需要，上游壩坡樁號0+100處設置C20混凝土踏步，踏步寬3.6 m。

3.3 大壩壩頂加固處理

考慮壩頂有防汛交通要求，本次設計有必要在壩頂新建混凝土路面，因此,要求平整壓實壩頂路基，設計壩頂高程為90.8 m，壩頂寬5.0 m(包括路肩)，在路基與基層之間設置水泥水穩(wěn)層，厚度為0.2 m；路面為水泥路面，混凝土標號為C25，厚度為0.2 m；壩頂公路兩側(cè)設C15混凝土路肩，路肩尺寸為0.3 m×0.4 m。

3.4 大壩下游加固處理

本次加固設計將大壩下游坡面局部塌陷處進行整平，清除雜草，重新采用草皮護坡。草皮護坡范圍從壩頂至貼坡排水體頂部，貼坡排水體頂高程為80.0 m。為防止下游壩坡面雨水集中沖刷而形成雨淋溝，根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL 274-2020)的要求，在下游壩面設置縱橫向排水溝和岸坡排水溝。

壩端與兩岸山坡接合處設置岸坡排水溝，排水溝采用C15混凝土結(jié)構，過流斷面為0.4 m×0.4 m，厚度為0.15 m。貼坡排水體頂部設置縱向排水溝，過流斷面為0.3 m×0.3 m，厚度為0.15 m。下游壩坡樁號0+100處設置C15混凝土踏步，踏步寬3.6 m。

大壩下游現(xiàn)狀排水體淤堵，塊石風化，無反濾層。故本次加固設計將原貼坡排水體拆除重建，貼坡全長210 m，頂部高程80.0 m，頂寬2.0 m，邊坡1∶2.5。塊石與壩坡接觸部位設置反濾層，反濾層的材料分為三層，即砂：厚0.15 m；礫石：粒徑5～20 mm，厚度0.15 m；卵石：粒徑20～80 mm，厚度0.15 m。砌筑貼坡塊石料要求為新鮮、致密、耐風化石塊。壩腳設置C15混凝土排水溝，寬0.5 m，深0.5 m。

在壩后貼坡排水體下設一集水系統(tǒng)，并設置三角量水堰量測系統(tǒng)進行滲水量觀測[5]。

3.5 大壩加固后滲流與壩坡穩(wěn)定復核

3.5.1 大壩滲流復核計算

加固后滲流復核計算斷面滲透分區(qū)、壩體及黏土斜墻的滲透系數(shù)見表2，大壩穩(wěn)定滲流期坡降值及滲流量見表3。各水位組合工況大壩浸潤線見圖1，圖1(a)為上游正常蓄水位87.50 m與下游最低水位組合工況大壩浸潤線；圖1(b)為上游設計水位88.07 m與下游最高水位組合工況大壩浸潤線；圖1(c)上游校核洪水88.28 m與下游最高水位組合工況大壩浸潤線。

從大壩滲流計算來看，壩體浸潤線已大大降低，日滲流量也急速下降。

表3 主壩穩(wěn)定滲流期坡降值及滲流量

3.5.2 壩坡穩(wěn)定復核計算

大壩加固后，壩體下游壩坡的最小安全系數(shù)計算對于采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧法，安全系數(shù)取為：正常運行條件時為1.150，非常運行條件時為1.058。加固后下游壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果見表4，加固后各工況大壩下游壩坡穩(wěn)定計算見圖2。

(1)水庫水位為正常高水位(87.5 m)穩(wěn)定滲流期的下游壩坡，下游無水，如圖2(a)。

表4 加固后壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果

(2)庫水位為設計水位(88.07 m)穩(wěn)定滲流期的下游壩坡，下游有水，如圖2(b)。

(a)上游正常蓄水位與下游最低水位

(b)上游設計水位與下游最高水位

(c)上游校核洪水與下游最高水位圖1 各水位組合工況大壩浸潤線

(a) 正常水位，k=1.313

(b) 設計水位，k=1.224

(c) 校核水位，k=1.152圖2 穩(wěn)定滲流期的下游壩坡，瑞典圓弧法

(3)庫水位為校核洪水位(88.28 m)穩(wěn)定滲流期的下游壩坡，下游有水，如圖2(c)。

壩體加固后，各種工況下下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)都得到明顯的提高，大壩能夠正常和安全運行。

4 結(jié) 語

北坑水庫大壩存在壩體、壩基滲漏，校核洪水位時下游壩坡抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，上游壩坡護坡塊石風化、無墊層、局部缺失，下游壩腳貼坡排水體淤堵、無反濾層等問題。文章以此為依據(jù)，對北坑水庫大壩除險加固展開設計，經(jīng)過方案比選，大壩防滲采用上游壩坡新建黏土斜墻方案進行壩體、壩基防滲；大壩上游壩坡護坡采用混凝土預制塊護坡方案；大壩下游壩腳貼坡排水體進行拆除重建。經(jīng)過對加固后的大壩進行滲流穩(wěn)定分析，復核結(jié)果均滿足規(guī)范要求，設計方案合理，可供類似水庫土石壩除險加固工程參考。