石河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中大壩工程設(shè)計(jì)研究

舒志泉

（廣東河海工程咨詢有限公司,廣東 廣州 510610）

0 引言

石河水庫(kù)作為一項(xiàng)重要的水利工程,承擔(dān)著灌溉、發(fā)電和防洪等多重功能。然而,隨著時(shí)間的推移和工程使用年限的增加,水庫(kù)大壩及溢洪道的安全問(wèn)題逐漸凸顯。由于長(zhǎng)期受到自然力和人為因素的影響,大壩的穩(wěn)定性和溢洪道的排洪能力可能出現(xiàn)退化和不足的情況,這給水庫(kù)的安全運(yùn)行帶來(lái)了潛在風(fēng)險(xiǎn)。為確保水庫(kù)的安全運(yùn)行,石河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程被提出并啟動(dòng)。該工程的主要目標(biāo)是通過(guò)對(duì)大壩及溢洪道進(jìn)行設(shè)計(jì)和加固,提高其抗洪能力、穩(wěn)定性和排洪能力,以應(yīng)對(duì)極端氣候事件和洪水威脅。

1 項(xiàng)目概況

石河水庫(kù)位于陽(yáng)江市江城區(qū)白沙街道,漠陽(yáng)江一級(jí)支流馬崗河的上游,距陽(yáng)江市20 km。水庫(kù)集雨面積28.23 km2,總庫(kù)容3258 萬(wàn)m3,是一座以灌溉為主,結(jié)合防洪、供水、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù),承擔(dān)江城區(qū)白沙街道（原屬陽(yáng)東縣,2003 年撤鎮(zhèn)劃歸江城區(qū)）和高新區(qū)平崗鎮(zhèn)（原屬江城區(qū),2008 年劃歸高新區(qū)）3.65 萬(wàn)畝農(nóng)田的灌溉任務(wù)并兼負(fù)白沙街道、平崗鎮(zhèn)共1.1 萬(wàn)人口、1.66 萬(wàn)畝農(nóng)田以及羅陽(yáng)高速、325 國(guó)道、陽(yáng)江火車站及一批工商企業(yè)等的防洪任務(wù)。工程始建于1958 年11 月,1963 年3 月竣工投入使用,水庫(kù)主要建筑物有：土壩一座、輸水涵二座、溢洪道一座。

經(jīng)水利部大壩安全管理中心核查,石河水庫(kù)大壩被鑒定為三類壩,水庫(kù)大壩存在滲透破壞隱患,輸水涵（左）現(xiàn)狀不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,水庫(kù)管理房墻壁開(kāi)裂滲水等問(wèn)題,每到汛期時(shí)水庫(kù)管理部門(mén)都要投入大量人力、物力看護(hù)、巡視水庫(kù),確保安全度汛,牽扯了干部群眾的精力,影響了當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè),因此,及時(shí)對(duì)水庫(kù)除險(xiǎn)加固是對(duì)庫(kù)區(qū)干部、群眾生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的支持,是為了確保水庫(kù)自身安全穩(wěn)定,保證大壩安全運(yùn)行,保障管理工作有序開(kāi)展。

2 大壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)狀復(fù)核

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壩前成果,壩前水深成果見(jiàn)表1。

表1 壩前水深及平均水深成果表

由計(jì)算結(jié)果分析可知,本次除險(xiǎn)加固汛限水位未變,仍為12.10 m,即按照12.10 m 開(kāi)始調(diào)洪?，F(xiàn)狀壩頂高程17.80 m,大于計(jì)算壩頂高程17.65 m。且上游已設(shè)置防浪墻,頂高程為18.30 m,因此石河水庫(kù)大壩壩頂高程滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2.2 壩體防滲方案比選

針對(duì)水庫(kù)大壩防滲的工程措施,本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)對(duì)以下2 種方案進(jìn)行比選,各項(xiàng)方案主要工程量見(jiàn)表2。

表2 防滲方案主要工程量對(duì)比表

方案一：在壩頂沿壩軸線澆筑地下連續(xù)墻。采用液壓抓斗開(kāi)槽,在壩軸線上游側(cè)澆筑混凝土防滲墻。設(shè)計(jì)墻厚0.40 m,平均澆筑深25 m,混凝土防滲墻伸入強(qiáng)風(fēng)化巖層0.50 m,壩長(zhǎng)500 m。由于施工需要,需要在壩頂處臨時(shí)填筑一個(gè)10 m 寬的施工平臺(tái),于背水坡填筑。

方案二：在迎水側(cè)高程11.6 m 平行壩軸線澆筑地下連續(xù)墻。將迎水側(cè)11.6 m 以上的現(xiàn)狀護(hù)坡拆除,澆筑混凝土面板,混凝土面板厚度0.30 m。采用液壓抓斗開(kāi)槽,在迎水側(cè)高程11.6 m 處平行壩軸線澆筑混凝土防滲墻。設(shè)計(jì)墻厚0.40 m,平均澆筑深度18 m,混凝土防滲墻伸入強(qiáng)風(fēng)化巖層0.50 m,壩長(zhǎng)500 m。由于施工需要,需要在迎水側(cè)11.60 m 處臨時(shí)填筑一個(gè)10 m 寬的施工平臺(tái)。

通過(guò)對(duì)兩種方案的對(duì)比,方案一投資較低,由于防滲軸線位于壩體頂部,因此施工時(shí)僅需在背水坡填筑5 m 施工平臺(tái)即可,雖然防滲墻開(kāi)槽、防滲墻混凝土澆筑深度較深,但相較方案二施工難度較低,安全系數(shù)較高。方案二防滲軸線位于迎水坡壩坡處,雖然防滲墻深度較淺,但填筑施工平臺(tái)難度較高,且需要拆除重建迎水坡混凝土面板。從經(jīng)濟(jì)性、施工難度等多方面考慮,本次防滲方案選擇方案一,在壩頂沿壩軸線澆筑地下連續(xù)墻[1]。

2.3 壩體防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)《石河水庫(kù)大壩安全鑒定書(shū)》及以上方案比選內(nèi)容,擬采取澆筑地下連續(xù)防滲墻的處理方法解決大壩及壩基的滲漏問(wèn)題。在壩頂處沿壩軸線偏上游側(cè)澆筑混凝土防滲墻,防滲墻頂高程為17.80 m,墻厚0.40 m,采用液壓抓斗的成槽方法,澆筑C30W8F50 商品混凝土?，F(xiàn)狀壩頂寬度5 m,在背水坡填筑5 m,形成10 m 的工作平臺(tái),背水坡填筑采用臨時(shí)坡比1∶1.5,施工結(jié)束后,將馬道以上的壩體背水坡采用1∶2 削坡。施工前,兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)墻,導(dǎo)墻的型式為L(zhǎng) 型,導(dǎo)墻尺寸為0.2 m×1.5 m,導(dǎo)墻頂面略高于施工平臺(tái)（17.80 m）,墻體澆筑后,予以拆除。防滲墻由壩體左側(cè)至右側(cè)全壩段澆筑,根據(jù)地質(zhì)勘查成果,墻體伸入強(qiáng)風(fēng)化巖層0.50 m。

按照原有斷面型式進(jìn)行恢復(fù),基礎(chǔ)采用0.20 m 粗砂墊層,上部設(shè)置0.40 m M10 漿砌石護(hù)坡,頂層設(shè)置0.15 m C30W8F50 混凝土面板,面板每10 m 設(shè)置一道縱向縫,通長(zhǎng)澆筑,不設(shè)置橫向縫。迎水側(cè)護(hù)坡設(shè)置3 排PVC 排水孔,直徑50 mm,間距5 m,梅花形布置。第一道排水孔位于12.1 m 處,第二道排水孔位于13.6 m,第三道排水孔位于15.1 m 處。

防滲墻厚度采用如下公式進(jìn)行計(jì)算[2]：

式中：B 為防滲墻寬度,m；K 為安全系數(shù),取5；ΔH為水頭差,取7.1 m；Jmax為防滲墻滲透破壞坡降,取100。

經(jīng)計(jì)算,B=0.355 m,參考已建工程經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合工程施工難度,設(shè)計(jì)防滲墻厚度取0.40 m。

2.4 壩體滲流穩(wěn)定計(jì)算

壩體滲流計(jì)算采用Autobank7.0 進(jìn)行有限元計(jì)算,根據(jù)本次地質(zhì)勘查情況,選取壩體最不利斷面K0+400 進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》,滲流計(jì)算水位組合包括以下4 種,見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算工況

通過(guò)采用有限元計(jì)算的方法,計(jì)算得出大壩穩(wěn)定滲流結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 出逸比降計(jì)算成果表

由表4 可知,通過(guò)對(duì)壩體最不利斷面進(jìn)行計(jì)算,分析計(jì)算結(jié)果可知：在各個(gè)工況下,出逸點(diǎn)位置均位于背水坡坡腳排水棱體內(nèi),且各工況出逸比降小于土體允許比降,滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.5 壩體穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,穩(wěn)定計(jì)算五種工況見(jiàn)表5。

表5 穩(wěn)定計(jì)算工況表

由圖1 可知,在各個(gè)工況下,壩體最不利斷面的穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求。

圖1 壩體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

2.6 防浪墻修復(fù)

現(xiàn)狀防浪墻局部墻面破損,下壩階梯處的防浪墻有缺口,防浪墻未閉合,防浪墻表面的貼磚大部分損壞。根據(jù)大壩高程復(fù)核結(jié)果可知,現(xiàn)狀壩頂滿足規(guī)范要求,因此,僅對(duì)破損的防浪墻進(jìn)行修復(fù)設(shè)計(jì),并不封閉壩頂缺口。對(duì)現(xiàn)狀防浪墻進(jìn)行維修改造。將防浪墻表面貼磚拆除,對(duì)原防浪墻進(jìn)行鑿毛處理后,重新澆筑混凝土,采用C30 混凝土,頂面、外側(cè)襯砌青石板,長(zhǎng)度630 m。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以石河水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固為研究對(duì)象,針對(duì)大壩的安全隱患進(jìn)行深入分析,通過(guò)復(fù)核發(fā)現(xiàn),本次除險(xiǎn)加固汛限水位未變,仍為12.10 m,現(xiàn)狀壩頂高程17.80 m,頂高程為18.30 m,大壩壩頂高程滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。大壩防滲方案選擇在壩頂沿壩軸線澆筑地下連續(xù)墻,施工工藝采用液壓抓斗造砼防滲墻方案,設(shè)計(jì)防滲墻厚度取0.40 m,對(duì)原防浪墻進(jìn)行鑿毛處理后,重新澆筑混凝土,采用C30 混凝土,頂面、外側(cè)襯砌青石板,長(zhǎng)度630 m。加固后水庫(kù)的安全性得到了提高,實(shí)現(xiàn)了防滲加固的預(yù)期目標(biāo)。