大西海子水庫大壩除險(xiǎn)加固比選方案探析

孫 倩

(塔里木河流域工程建設(shè)處，新疆 庫爾勒，841000)

大西海子水庫是塔里木河下游攔河水庫，1972年建成投入運(yùn)行。經(jīng)過多年運(yùn)行，大壩病險(xiǎn)問題較多。為了確保水庫安全，需對(duì)大壩除險(xiǎn)方案進(jìn)行探討。

1 工程概況

大西海子水庫是一座以塔里木河下游生態(tài)供水為主的平原區(qū)中型水利樞紐工程。先后經(jīng)過多次改造建設(shè)，目前水庫水工建筑物包括大壩、老泄洪閘、新放水閘、二庫放水閘(龍口處)、進(jìn)庫引水工程等。壩體由東壩、西壩、南壩、北壩組成，總長32.263km，其中，東壩為主壩段，長4.911km；西壩、南壩和北壩為副壩段，西壩壩頂長14.552km，南壩壩頂長7.294km，北壩壩頂長5.506km。水庫總庫容9870.0萬m3。

2 存在問題

2.1 大壩問題

大壩南、西、北壩體普遍存在風(fēng)蝕、植被茂盛與鼠洞密布等嚴(yán)重問題，壩坡斷面不完整；東壩上游混凝土護(hù)坡局部沉陷、脫空、凍融剝蝕等，其余壩段護(hù)砌不完整，上游已有的六棱塊混凝土護(hù)坡普遍塌陷、受損嚴(yán)重。大壩壩基及壩體均未進(jìn)行防滲處理，滲流出口無反濾排水保護(hù)，防滲體系不完善；壩體及壩基普遍滲漏嚴(yán)重，下游壩坡出逸點(diǎn)高，壩后呈沼澤化。在正常蓄水位849.60m工況下，大壩滲透穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。

2.2 壩基問題

根據(jù)勘察，大西海子水庫均質(zhì)土壩段壩基存在的主要問題是：壩基出露地層巖性主要為第四系沖洪積、風(fēng)積含細(xì)粒土砂或粉土質(zhì)砂層(局部夾薄層低液限粉土)，該層厚度較大，在勘探深度內(nèi)未揭穿，滲透系數(shù)為2.9×10-2cm/s～6.9×10-4cm/s，具有中等透水性，壩基存在滲漏問題。結(jié)合多年的運(yùn)行情況，東壩(主壩段)、南壩、北壩下游壩坡滲水溢出點(diǎn)位置較高，滲水量較大，壩后積水較多，所形成的沼澤濕地面積較大，滲透系數(shù)為2.5×10-3cm/s～7.5×10-3cm/s。壩后普遍存在漏水現(xiàn)象，影響了壩體的穩(wěn)定和安全，應(yīng)進(jìn)行壩基防滲加固處理。

3 大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案比選

大西海子水庫大壩由均質(zhì)土壩段和沙丘段組成，總長32.263km，其中，均質(zhì)土壩段長14.328km，沙丘段長17.935km。均質(zhì)土壩段上游壩坡已護(hù)砌段長8.687km，其中，4.3km為混凝土板護(hù)坡，4.387km為預(yù)制混凝土六棱塊護(hù)坡；未護(hù)砌段長5.641km。已護(hù)砌段中，總體平整，基本完好段長4.3km，位于壩體樁號(hào)K5+506～K9+806(混凝土板)段。其他護(hù)砌段多采用預(yù)制六棱磚面板護(hù)坡，運(yùn)行多年后，現(xiàn)已脫落、塌陷、滑動(dòng)、鼓脹、破損，不能滿足正常使用要求。本次除險(xiǎn)加固，對(duì)襯砌完好段、沙丘段依據(jù)不同情況分別進(jìn)行壩體加固方案比選。

3.1 均質(zhì)土壩段上游護(hù)坡方案比選

3.1.1 原護(hù)坡完好段上游護(hù)坡處理方案比選

(1)現(xiàn)狀護(hù)坡情況

壩頂樁號(hào)K5+506～K9+806段，壩頂長4.3km。2012年對(duì)該段壩體進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，加固時(shí)上游壩坡為1∶2.5的混凝土板護(hù)坡與1∶16的土緩坡相結(jié)合。上游護(hù)坡為C25F200W4現(xiàn)澆混凝土板襯砌，板厚15cm，現(xiàn)狀混凝土板大致完好，僅局部沉陷、脫落、凍融剝蝕。

(2)方案比選

本次對(duì)該部分壩坡的護(hù)坡及防滲處理采用：①保留完好混凝土板，局部破損混凝土板拆除重建(方案一)；②拆除原壩坡混凝土板，修整壩坡+鋪設(shè)復(fù)合土工膜+30cm砂礫石墊層+新澆15cm厚混凝土護(hù)坡板(方案二)；③在849.0m～851.2m高程間原壩坡混凝土板上鋪設(shè)復(fù)合土工膜+6cm苯板+新澆20cm混凝土護(hù)坡板(方案三)。

三種方案進(jìn)行比較，該段上游護(hù)坡處理從施工工藝、施工難度、防滲效果、運(yùn)行檢修、適應(yīng)壩基變形能力、材料來源、工程造價(jià)等方面綜合考慮，設(shè)計(jì)推薦采用保留完好混凝土板，僅局部破損混凝土板拆除重建的方式(方案一)。

3.1.2 原護(hù)坡破損或未護(hù)砌段上游護(hù)坡處理方案比選

均質(zhì)土壩中護(hù)砌破損段和未護(hù)砌段總長10.028km，其中，護(hù)砌破損段長4.387km，未護(hù)砌段長5.641km。壩前水深>1.0m，壩段長8.09km；壩前水深≤1.0m，壩段長1.938km。本次除險(xiǎn)加固初步考慮拆除原破損的護(hù)坡，重新對(duì)上游壩坡進(jìn)行護(hù)坡及防滲處理。依據(jù)壩前水深情況，分別進(jìn)行方案比選。

(1)高壩段(壩前水深>1.0m)上游護(hù)坡方案比選(副壩)

均質(zhì)土壩中襯砌破損段和未襯砌段總長10.028km，其中，壩前水深>1.0m，長8.09km。本次對(duì)該段壩坡的護(hù)坡及防滲處理采用：①復(fù)合土工膜+30cm砂礫石墊層+混凝土板護(hù)砌設(shè)計(jì)(方案一)，其中復(fù)合土工膜鋪設(shè)高程為849.0m～850.25m(阻滑墻至正常蓄水位以上1.0m)；②復(fù)合土工膜+15cm砂礫石墊層+混凝土網(wǎng)格內(nèi)干砌卵石護(hù)坡(方案二)，其中復(fù)合土工膜鋪設(shè)高程為849.0m～850.25m。

經(jīng)過對(duì)以上兩種護(hù)坡方案的比較，其他均質(zhì)土壩高壩段采用混凝土板作為上游壩坡護(hù)坡材料在技術(shù)上是合理的，在經(jīng)濟(jì)上是可行的，為本次設(shè)計(jì)該段壩面護(hù)坡的推薦方案。

(2)低壩段(壩前水深≤1.0m)上游護(hù)坡方案比選(副壩)

均質(zhì)土壩西壩共計(jì)1.938km，設(shè)計(jì)對(duì)壩坡采用：①30cm砂礫石墊層+新澆10cm厚混凝土板(方案一)；②混凝土網(wǎng)格內(nèi)填砂礫石護(hù)砌(方案二)；③土緩坡(方案三)；④預(yù)制混凝土六棱塊護(hù)坡(方案四)。

該段上游護(hù)坡方案從施工工藝、施工難度、適應(yīng)地基變形能力、材料來源、工程造價(jià)等方面綜合考慮，設(shè)計(jì)推薦采用30cm砂礫石墊層+新澆10cm厚混凝土板護(hù)砌(方案一)的斷面型式。

3.2 沙丘段上游護(hù)坡方案比選

沙丘段壩頂長17.935km，局部沙丘段壩體多變形、風(fēng)蝕嚴(yán)重，坡腳受風(fēng)浪淘蝕，壩腳滑塌，壩體不完整。本次除險(xiǎn)加固根據(jù)沙丘段壩體實(shí)際地形情況，分低沙丘段和高沙丘段分別進(jìn)行壩坡處理方案比選。

3.2.1 低沙丘段壩坡處理方案比選

該段壩頂長1.6km，沙丘相對(duì)較低，現(xiàn)狀沙丘頂高程低于正常蓄水位或超高不足，且壩體多變形、風(fēng)蝕嚴(yán)重，坡腳受風(fēng)浪淘蝕，壩腳滑塌，設(shè)計(jì)初步考慮采用：①土緩坡+固沙措施(物理工程)(方案一)；②混凝土網(wǎng)格內(nèi)填砂礫石護(hù)坡+固沙措施(物理工程)(方案二)；③20cm砂礫石墊層+新澆10cm厚混凝土板(方案三)3種方案進(jìn)行上、下游壩坡處理。

西壩低沙丘段壩上下游護(hù)坡處理方案從施工工藝、固沙效果、施工難度、運(yùn)行檢修、適應(yīng)壩基變形能力、材料來源、工程造價(jià)等方面綜合考慮，設(shè)計(jì)推薦采用土緩坡+固沙措施處理(方案一)的方案。

3.2.2 高沙丘段壩坡處理方案比選

該段主要位于南壩，壩頂總長16.335km。設(shè)計(jì)初步考慮采用：①維持現(xiàn)狀，壩體不進(jìn)行護(hù)坡和固沙處理+壩后運(yùn)行管理道路(方案一)；②土緩坡+固沙措施(物理工程)(方案二)；③混凝土網(wǎng)格內(nèi)填砂礫石護(hù)坡+固沙措施(物理工程)(方案三)3種方案進(jìn)行上、下游壩坡處理。

高沙丘段壩體上下游護(hù)坡處理方案從施工工藝、固沙效果、施工難度、運(yùn)行檢修、適應(yīng)壩基變形能力、材料來源、工程造價(jià)等方面綜合考慮，該部分沙丘現(xiàn)狀頂高程高于正常蓄水位2.0m以上，壩頂高程滿足要求，且沙丘上零星長有胡楊、沙棘及蘆葦?shù)?。本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)推薦采用維持現(xiàn)狀，壩體不進(jìn)行護(hù)坡和固沙處理+壩后運(yùn)行管理道路處理(方案一)的方案。

4 壩基防滲方案的比選

根據(jù)調(diào)查，壩體斷面壩坡溢出點(diǎn)計(jì)算滲透坡降為0.20～0.23，高于溢出點(diǎn)允許滲透比降值0.15，壩體滲透比降不滿足穩(wěn)定要求；壩基溢出點(diǎn)計(jì)算滲透坡降為0.06～0.07，壩坡溢出點(diǎn)計(jì)算滲透坡降為0.08～0.09，均低于溢出點(diǎn)允許滲透比降值0.15，壩基壩坡滲透比降滿足穩(wěn)定要求。壩體斷面單寬滲流量為Q=0.628m3/d·m～2.351m3/d·m，單寬滲流相對(duì)大，考慮大西海子水庫主要任務(wù)是以塔里木河下游生態(tài)供水為主，且壩基滲透比降滿足穩(wěn)定要求，壩體、壩基除險(xiǎn)加固并不以減少滲漏量為主。因此，考慮防滲效果、施工便利、施工周期、工程投資等綜合因素，該段壩體不進(jìn)行壩基處理，僅從降低滲透坡降，增加滲流溢出處土體抵抗?jié)B透變形能力等方面考慮，對(duì)下游壩坡進(jìn)行排水處理即可。

本次除險(xiǎn)加固針對(duì)壩基防滲措施采?。孩俳厮鄯罎B(方案一)；②水平防滲鋪蓋(方案二)；③垂直鋪塑方案(方案三)3種方案進(jìn)行比較，以此來選取壩基防滲加固的較優(yōu)方案。

均質(zhì)土壩段壩基防滲加固處理方案從施工工藝、防滲效果、施工難度、運(yùn)行檢修、施工周期、工程造價(jià)等方面綜合考慮，設(shè)計(jì)推薦采用在前壩坡腳結(jié)合土工膜埋膜槽設(shè)置截水槽，距前壩坡阻滑墻2.0m，槽底開挖高程控制在846.5m，截水槽底寬1.0m，邊坡1∶2，將壩面土工膜延伸至截水槽底部，并預(yù)留1.5m折疊伸縮量，再回填開挖土進(jìn)行壓實(shí)(方案一)的方案。

5 大壩除險(xiǎn)具體實(shí)施方案

5.1 東壩

對(duì)于局部破損的樁號(hào)K5+506～K9+806段，襯砌完好的混凝土板保留，破損的拆除后重新澆筑C25F200W6混凝土板進(jìn)行護(hù)坡處理。對(duì)于破損嚴(yán)重的樁號(hào)K9+806～K10+417段，拆除原六棱塊護(hù)坡，修整壩坡，然后采用鋪設(shè)復(fù)合土工膜+30cm厚砂礫石墊層+新澆15cm厚混凝土板防滲護(hù)坡處理方案。前壩坡腳結(jié)合土工膜埋膜槽設(shè)置截水槽，將壩坡土工膜延伸至截水槽底部，再回填開挖土進(jìn)行壓實(shí)處理；下游壩坡設(shè)置排水體、縱橫向排水溝。

5.2 南壩

對(duì)于上游壩坡未護(hù)砌的樁號(hào)K10+417～K11+735段，采用修整壩坡+鋪設(shè)復(fù)合土工膜+30cm厚砂礫石墊層+新澆15cm厚混凝土板防滲護(hù)坡處理方案。前壩坡腳結(jié)合土工膜埋膜槽設(shè)置截水槽，將壩坡土工膜延伸至截水槽底部，再回填開挖土進(jìn)行壓實(shí)處理；下游壩坡設(shè)置排水體、縱橫向排水溝。

對(duì)于沙丘壩的樁號(hào)K11+735～K17+711段，維持現(xiàn)狀。為貫通壩頂?shù)缆?，沙丘下游?cè)合適位置設(shè)運(yùn)行管理道路，道路頂寬5.8m，采用砂礫石路面，道路兩側(cè)各20m范圍考慮采用方格網(wǎng)蘆葦沙障進(jìn)行物理工程固沙，以保證道路正常運(yùn)行。

5.3 西壩

對(duì)于破損嚴(yán)重的樁號(hào)K17+711～K17+912、K23+511～K24+000、K26+659～K27+241、K29+550～K30+200、K31+784～K32+263、K24+000～K24+568和K27+768～K28+504段，拆除原六棱塊護(hù)坡，修整壩坡，然后采用鋪設(shè)復(fù)合土工膜+30cm厚砂礫石墊層+新澆15cm厚混凝土板防滲護(hù)坡處理方案。

對(duì)于上游壩坡未進(jìn)行護(hù)坡的樁號(hào)K25+761～K26+659、K27+241～K27+768和K28+504～K29+017段，采用修整壩坡+30cm厚砂礫石墊層+新澆10cm厚混凝土板護(hù)坡處理方案。

對(duì)于現(xiàn)狀沙丘頂高程低于正常蓄水位的樁號(hào)K21+800～K22+800和K30+200～K30+800段，上游壩坡考慮采用土緩坡，坡比1∶16；下游壩坡不陡于1∶6；壩頂下游側(cè)平均20m寬度范圍考慮采用方格網(wǎng)蘆葦沙障進(jìn)行固沙。

5.4 北壩

對(duì)于上游壩坡未襯砌、破損嚴(yán)重的樁號(hào)K0+979～2+476、K4+547～K5+506段，考慮拆除原六棱塊，修整壩坡，然后上游壩坡采用鋪設(shè)復(fù)合土工膜+30cm厚砂礫石墊層+新澆15cm厚混凝土板防滲護(hù)坡處理方案。前壩坡腳結(jié)合土工膜埋膜槽設(shè)置截水槽，將壩坡土工膜延伸至截水槽底部，再回填開挖土進(jìn)行壓實(shí)處理；下游壩坡設(shè)置排水體、縱橫向排水溝。

6 結(jié)語

大西海子水庫有4座壩，既有均質(zhì)土壩也有沙丘壩，工況復(fù)雜。通過分析4座壩的不同病險(xiǎn)情況，按照防滲保安全的要求，對(duì)不同方案進(jìn)行了比選，提出最科學(xué)的大壩除險(xiǎn)方案，并對(duì)東、南、西、北壩的具體實(shí)施內(nèi)容進(jìn)行了論述，為沙漠區(qū)水庫除險(xiǎn)加固提供了參考。