淺談小型水庫土石壩的除險加固

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       【摘 要】結(jié)合某病險水庫工程的缺陷和隱患,分析了小型水庫土石壩除險加固的原則,加固設(shè)計的原理及方法,并提出了適宜該工程的除險加固設(shè)計方案。實踐證明,該工程加固效果較好,有效發(fā)揮了其防洪、灌溉等綜合效益。 

　　【關(guān)鍵詞】水庫大壩;除險;加固  　　Reinforcement and avoiding danger for small reservoirs dam 【Abstract】Combination dangerous defects and hidden reservoir, small reservoir dam analysis reinforce the principles of design principles and methods of reinforcement, and put forward appropriate reinforcement of the project design. Proved that the reinforcement is better to effectively play its flood control, irrigation and other comprehensive benefits.  　　【Key words】Dam; Danger; Reinforcement  　　1. 工程概況  　　依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000)及《防洪標準》(GB50201-94)規(guī)定,某工程設(shè)計洪水標準為30年一遇,校核洪水標準500年一遇。該工程于1975年10月興建,1976年3月建成,總庫容275萬m?3,校核洪水位234.15m;興利庫容185萬m?3,興利水位231.0m;死庫容15萬m?3,死水位215.5m。水庫樞紐工程主要由大壩、溢洪道、放水洞三部分組成。大壩為粘土心墻砂殼壩,壩長300m,壩頂寬2.5m~4.0m,最大壩高24.0m,壩頂高程235.15m,粘土心墻頂高程233.5m。溢洪道采用壩肩式,位于大壩右端,進口為開敞式寬頂堰,堰頂高程231.0m,堰寬51m,最大泄量450m?3/s。放水洞位于大壩0+108樁號處,為矩形斷面的無壓漿砌塊石涵洞,尺寸為1.0m×0.7m,洞身長90m,進口底高程215.5m,采用鋼絲繩斜拉式閘門,啟閉機房位于壩肩迎水側(cè),最大引水流量1.9m?3/s。  　　2. 工程存在的問題  　　該工程由于建造時間早,在建期間受資金及條件的限制,采用人工筑土建成,大壩填筑質(zhì)量差,碾壓質(zhì)量達不到規(guī)范要求。壩體土料為夾雜礫石和較大砂礫的壤土,加之冬季施工,造成壩體壓土密實度低。粘土心墻清基不徹底,導(dǎo)致壩腳有滲水現(xiàn)象。大壩的迎水坡坡比為1:1.86~1:1.92,缺土嚴重。砌石護坡質(zhì)量差,大部分已破壞,壩殼裸露,樁號0+210處塌陷,水位變動區(qū)壩坡掏刷嚴重。背水坡坡比較陡,僅有1:1.5~1:1.82,缺土嚴重,且多處出現(xiàn)由于沖刷形成的局部塌陷和凹坑,坡面雜草叢生,無排水設(shè)施。大壩壩頂寬2.5m~4.0m,且不平整;防浪墻老化失修,砂漿剝落,損壞嚴重,基礎(chǔ)未與心墻銜接;溢洪道進口處與大壩岸無護砌裹頭,泄洪時嚴重危及壩體安全。  　　3. 除險加固方法的選用原則  　　土石壩雖然壩型常見,但由于其工程情形復(fù)雜,機具、材料等條件多變,并且各項具體的除險加固方法很多都有其特定的適用范圍和局限性,因此,對每一具體工程病害都應(yīng)進行仔細分析。應(yīng)從工程病害情況、除險加固要求(包括加固后工程應(yīng)達到的各項指標、加固范圍、加固進度等)、工程費用以及材料、機具來源等各方面進行綜合考慮。確定土石壩加固方法時,應(yīng)根據(jù)工程病害的具體情況對幾種加固方法進行技術(shù)、經(jīng)濟、施工比較,選擇技術(shù)上可靠,經(jīng)濟上合理,且能滿足施工要求的除險加固方法。  　　4. 工程的除險加固設(shè)計  　　4.1 壩體尺寸設(shè)計。工程的壩頂寬度當前為2.5m~4.0m,根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計導(dǎo)則》(SL189-96)(以下簡稱《導(dǎo)則》)有關(guān)規(guī)定,考慮工程構(gòu)造、防汛搶險、交通、新農(nóng)村建設(shè)等需要,本次加固壩頂寬度按4m設(shè)計。依據(jù)《導(dǎo)則》規(guī)定,壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和,根據(jù)該水庫不同運行工況下靜水位的壩頂超高核算壩頂高程。本次加固壩頂高程確定為235.24m,在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加高壩頂0.94m,并在上游壩肩修建0.8m高防浪墻,則防浪墻頂高程為235.24m。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)要求,粘土心墻土壩心墻防滲體在正常蓄水位或設(shè)計水位以上超高0.6m,心墻防滲體頂部不應(yīng)低于非常運用條件靜水位。本次加固后粘土心墻頂高程僅低于壩頂0.5m。根據(jù)工程現(xiàn)狀并考慮壩型、壩高、壩基材料等因素,參照已建類似土壩工程做法,確定大壩迎水坡在高程231.0m處設(shè)1.5m寬戧臺,戧臺以下、以上坡比均為1:2.5;背水坡在高程225.0m處設(shè)1.5m寬戧臺,戧臺以上坡比為1:2.0,以下坡比設(shè)計為1:2.5。在大壩與溢洪道相接處增設(shè)漿砌石裹頭防護,上游端與迎水坡護坡石銜接,護至壩頂,并采用漿砌料石封頂。  　　4.2 迎水坡工程。迎水坡進行補土以達到設(shè)計坡比,并進行翻壓。采用干砌塊石護,護坡石下設(shè)反濾層。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001),選用塊石寬×厚為0.30m×0.20m,塊石長度不小于50cm;每隔20m設(shè)漿砌石隔梁,斷面尺寸為0.7m×0.7m,沿壩腳設(shè)漿砌石齒墻。原有反濾體由于多年運行,部分坍塌,反濾體外部淤積粘土,排水效果差,現(xiàn)排水體頂部高程不滿足規(guī)范要求,故本次加固對其拆除重建。反濾體形式按實際現(xiàn)狀選用貼坡排水體,護坡反濾層自上而下第一層為2cm~4cm石子,厚15cm,第二層為200g/m?2的反濾土。頂部高程按照規(guī)范要求,貼坡排水體頂部高程應(yīng)高于壩浸潤線出逸點不小于1.5m,根據(jù)滲流計算成果確定反濾貼坡排水體的頂部高程為91.5m,底部設(shè)兩級反濾層。  　　4.3 背水坡工程。  　　4.3.1 壩坡補土。背水坡局部缺土,坡比不滿足規(guī)范要求。且坡面凹凸不平,無排水設(shè)施,沖刷較嚴重。按設(shè)計坡比補土筑坡并翻壓。施工中,清除原有坡面雜草及腐質(zhì)土,自下而上,水平上升,分層鋪土,層土層壓,提高密實度,增強壩坡抗滑穩(wěn)定能力。為保證新、老土礫料的有機結(jié)合,在新土鋪筑過程中,新土要與原壩坡土粒料進行搭接,搭接寬度不少于0.5m。  　　4.3.2 壩坡防護排水。大壩原有坡面無排水設(shè)施,根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)規(guī)定,沿壩軸線每隔30m設(shè)置豎向排水溝一道,計11道,戧臺及坡腳各設(shè)橫向排水溝一道。排水溝按10年一遇洪水標準設(shè)計,豎向排水溝斷面寬×高為0.40m×0.25m,橫向排水溝斷面寬、高分別為0.40m×0.25m和0.5m×0.4m。排水溝底部采用C15細石混凝土現(xiàn)場澆筑,厚度15cm,兩側(cè)墻采用10cm厚C20混凝土預(yù)制板鑲砌,1∶3.0水泥砂漿勾縫。背水坡全部植草皮防護,以防止雨水漫流造成坡面沖刷。 　4.3.3 排水體。坡腳在樁號0+060~0+150處設(shè)堆石棱體排水,頂寬1.5m,邊坡1:1.5,高度3m;其他壩段采用貼坡式排水體,邊坡1:2.5。排水體采用塊石干砌,內(nèi)側(cè)設(shè)反濾層,反濾層自內(nèi)而外依次鋪設(shè)粗砂、透水土工布、碎石。  　　4.4 壩頂工程。壩頂防浪墻設(shè)在上游壩肩處,基礎(chǔ)與粘土心墻銜接,壩頂以上高度0.8m,M7.5塊石漿砌,M10漿砌料石鑲面,用20cm厚的料石封頂。壩頂設(shè)混凝土路面,考慮到交通要求,硬化路面凈寬4.5m,底部設(shè)15cm厚的水泥砂礫穩(wěn)定層,面層為30cm厚的混凝土,路面橫坡傾向下游,坡比為2%。新建防浪墻與心墻之間的防滲體,采用土工膜連接,防滲土工膜上下鋪砂質(zhì)粘土厚15cm保護。  　　4.5 滲漏處理工程。根據(jù)安全排查可知,該工程建壩時壩基清基不徹底,壩腳多處滲水,通過對壩基進行帷幕灌漿,徹底根治了壩基滲漏問題。具體滲漏處理的要求為:保證壩體和壩基的滲流穩(wěn)定,其抗?jié)B比降和滲透流速滿足穩(wěn)定要求;控制滲流量,盡量減少滲漏損失;控制下游剩余水頭,防止?jié)B透變形破壞,保證下游邊坡穩(wěn)定,減少下游沉降。滲漏處理的總原則是“上截下排”,“上截”即在壩軸線以上部分堵截滲流途徑,防止和減少滲漏水量滲入壩體和壩基;“下排”就是在下游做好反濾導(dǎo)滲排水設(shè)施,使?jié)B入壩體、壩基的滲水在不帶走土顆粒的前提下安全通暢地排向下游。  　　4.5.1 灌漿方法。采用充填式灌漿,按照分序和“少灌多復(fù)”(即一次灌漿量要少,重復(fù)灌漿的次數(shù)要多)的灌漿方法。通過套管“自下而上,分段灌注”,在灌漿中先對第一序孔輪灌,待第一序孔終灌后再進行第二序孔,第二序孔結(jié)束后再進行第三序孔。每孔灌漿次數(shù)為5~10次,兩次灌漿間隔時間不應(yīng)少于5天。鉆孔過程中,出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象時,可采用先灌漿后鉆進的辦法處理,并嚴格控制灌漿量及灌漿壓力。  　　4.5.2 鉆孔布置。充填灌漿孔一般應(yīng)布置在隱患處或其附近,根據(jù)隱患的性質(zhì)或范圍決定布孔。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001),本工程壩高在20m以上,宜采用雙排布孔,孔距為2.0m~2.5m,排距為0.5m~1.0m。在岸坡段、彎曲壩段布孔,應(yīng)適當縮小孔距。底部要求嵌入不透水層2m~3m。  　　4.5.3 灌漿材料與灌漿壓力灌漿壓力:根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001),帷幕灌漿壓力按下式計算。  　　P=P?0+mD+kyh  　　式中,P——灌漿壓力(KPa);  　　P?0——巖基表層的允許壓力(KPa);  　　m——灌漿段上巖層每增加1m所增加的壓力(KPa);  　　D——灌漿段上巖層的厚度(m);  　　k——一般取為1.5;  　　y——壓重的重度(KN/m?3);  　　h——灌漿段以上壓重的厚度(m)。  　　經(jīng)計算,本工程的設(shè)計灌漿壓力為0.05MPa~0.25MPa。  　　5. 結(jié)論  　　通過分析該工程的隱患所在,依據(jù)規(guī)范對大壩壩坡穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定行了壩體尺寸的重新設(shè)計,并采用碾壓試驗等方法確定各項施工填筑參數(shù),在迎水坡工程、背水坡工程、壩頂工程施工中嚴格按施工填筑參數(shù)控制壓實質(zhì)量、鋪筑厚度、材質(zhì)級配等各項指標。工程加固后至今運行良好,故實踐證明其所采取的除險加固措施取得了較好效果,值得推廣。