幸江云

（贛州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，江西 贛州 341000）

為了保障江西省贛州市中心城區(qū)在供水水源出現(xiàn)突發(fā)性污染事故情況下的城市飲用水水質(zhì)安全，保障城市短期基本生活供水需求，確保社會(huì)的穩(wěn)定，贛州市政府根據(jù)城區(qū)供水工程現(xiàn)狀與規(guī)劃考慮，提出了建設(shè)實(shí)施城市應(yīng)急水源體系。贛州市城市應(yīng)急水源體系的近期任務(wù)：利用峰山省級(jí)森林公園內(nèi)現(xiàn)有的石崆子水庫(kù)建立贛州市中心城區(qū)應(yīng)急水源工程。

1 工程概況

1.1 工程現(xiàn)狀及任務(wù)要求

石崆子水庫(kù)座落在章江一級(jí)支流雙橋河，壩址以上控制集水面積16.0 km2?，F(xiàn)狀的樞紐建筑物包括大壩（均質(zhì)土壩）、溢洪道和壩下涵管等。大壩現(xiàn)狀為均質(zhì)土壩，壩體土質(zhì)較好，為含砂低液限（粉）粘土和粉土質(zhì)砂，但不均勻，碾壓質(zhì)量和壓實(shí)較差。壩頂高程為176.00 m左右，壩頂長(zhǎng)約52 m左右，壩頂寬3 m左右，最大壩高23.5 m。

石崆子水庫(kù)現(xiàn)狀正常蓄水位為172.25 m，興利庫(kù)容為39.6萬(wàn)m3。通過(guò)對(duì)贛州市中心城區(qū)近期50萬(wàn)人口應(yīng)急供水需求的分析，應(yīng)急供水保證庫(kù)容為59萬(wàn)m3，需增加水庫(kù)興利庫(kù)容約20萬(wàn)m3。因此，正常蓄水位需由現(xiàn)狀的172.25 m提高至175.25 m，現(xiàn)狀大壩須進(jìn)行加固擴(kuò)建。

加固后水庫(kù)總庫(kù)容89萬(wàn)m3，是一座以城市應(yīng)急供水為主，兼有城市日常供水等綜合效益水利樞紐工程。

1.2 大壩工程質(zhì)量與地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

1.2.1 壩基地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

壩基巖石巖性有中粗粒黑云母花崗巖、變質(zhì)砂巖和混合巖，屬中硬巖類。大壩左岸壩體填筑在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖體上，右岸壩體填筑在強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖上，河床段壩體填筑在強(qiáng)～弱風(fēng)化花崗巖與變質(zhì)砂巖上。壩基巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)弱風(fēng)化巖基均可滿足大壩承載要求，壩基穩(wěn)定。

1.2.2 原壩體填筑質(zhì)量分析

大壩填筑土料來(lái)源于壩區(qū)附近山坡上的坡殘積土，土質(zhì)以棕黃、棕紅色為主，夾灰、淺黃、灰黃色，土質(zhì)為含砂低液限（粉）粘土和粉土質(zhì)砂，干燥～濕，大部分呈可塑狀或呈稍密狀，土芯以柱狀為主，局部土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散或呈軟塑狀。壩體土的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 壩體土物理力學(xué)指標(biāo)

2 大壩加固設(shè)計(jì)

2.1 加固方案確定

根據(jù)安全超高計(jì)算，壩頂高程為179.00 m，因此，須對(duì)大壩進(jìn)行加高培厚處理。經(jīng)方案比選，本工程加固方案為在大壩上游新加壩體，將大壩加高加厚，上游壩坡坡比 1∶3；下游上部壩坡削坡成 1∶2.5，下部增加壓坡和排水棱體。

2.2 新加壩體材料和壩體防滲設(shè)計(jì)

作為應(yīng)急供水的水源工程，本工程大壩的運(yùn)行方式和一般的土壩有所不同。一般的土壩對(duì)水庫(kù)水位的降落速度有嚴(yán)格的控制，主要是為了防止因水庫(kù)水位驟降引起大壩壩坡的失穩(wěn)。本工程水庫(kù)按照每天10萬(wàn)m3的供水量，水位從正常蓄水位175.25 m降落到死水位 163.50 m，降落的最快速度為每天3.47 m，見(jiàn)表 2。

表2 水庫(kù)水位降落速度表

為了保證水庫(kù)水位驟降時(shí)的壩坡穩(wěn)定，設(shè)計(jì)著重從控制上游新加壩體的滲透系數(shù)和加強(qiáng)防滲以降低現(xiàn)有壩體的浸潤(rùn)線兩方面來(lái)考慮。

2.2.1 控制新加壩體的滲透系數(shù)

壩體浸潤(rùn)線下降的速度，一般決定于庫(kù)水位下降的速度V、土壩壩體的滲透系數(shù)k以及土體的給水度u等因素，與壩體的結(jié)構(gòu)形式特別是壩體及地基上游面的排水條件也有很大關(guān)系。其中土體的給水度u表示單位體積土體在飽和含水情況下水位下降后排出的水量，又稱土體的排水孔隙率。其值大小取決于土的性質(zhì)、密實(shí)程度以及排水的時(shí)間等因素，可由實(shí)驗(yàn)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，經(jīng)驗(yàn)公式：u＝0.117×k1/7。

根據(jù)對(duì)上游壩坡排水條件不好的均質(zhì)土壩和心墻砂殼壩的分析計(jì)算結(jié)果，可以確定：

1） k/（uV）＜0.1 時(shí)為驟降，此時(shí)壩體內(nèi)滲流自由面在庫(kù)水位降落后仍保持有總水頭的90%左右，故可以近似認(rèn)為壩體浸潤(rùn)線基本保持不變，這種情況對(duì)上游壩坡的穩(wěn)定最為不利，為偏于安全可以按照庫(kù)水位開(kāi)始降落前穩(wěn)定滲流的浸潤(rùn)線位置進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析。

2）k/（uV）＞60 時(shí)為緩慢下降，此時(shí)壩體自由面保持有總水頭的10%以下，已不致影響壩坡，因此一般不需要進(jìn)行不穩(wěn)定的計(jì)算。

3）0.1＜k/（uV）＜60 時(shí)，浸潤(rùn)線的下降介于上述兩種情況之間，為進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析，應(yīng)按照緩降過(guò)程計(jì)算浸潤(rùn)線下降的位置。

本工程庫(kù)水位下降的最快速度 V為3.47 m/d，k/（uV）＝0.1 時(shí)相應(yīng)的 k＝8.93×10－6cm/s，k/（uV）＝60 時(shí)相應(yīng)的 k＝1.56×10－2cm/s。 因此，新加壩體的滲透系數(shù)應(yīng)大于 1.56×10－2cm/s，根據(jù)附近料場(chǎng)的情況，本階段設(shè)計(jì)采用透水性強(qiáng)的石渣作為新加壩體的填筑材料，滲透系數(shù)大于 1.56×10－2cm/s。

2.2.2 防滲設(shè)計(jì)

防滲方案選擇采用PE復(fù)合土工膜防滲。復(fù)合土工膜是一種新穎的工程材料，它是由土工織物、土工膜、土工織物三層組成，積聚了土工織物和土工膜的優(yōu)點(diǎn)，具有質(zhì)輕、防滲性能好，有較好的延展性、適應(yīng)變形、施工簡(jiǎn)單和造價(jià)低等特點(diǎn)，是一種理想的防滲材料。

土工膜厚度根據(jù)承受水壓力、墊層土料粒徑和土工膜物理力學(xué)指標(biāo)確定，采用《土壩安全與加固》（牛運(yùn)光編著）中的公式4－9計(jì)算：

式中：δ─土工膜厚度，mm；

γ─水的容重，kN/m3；

H─鋪設(shè)薄膜范圍內(nèi)的最大水頭，m，H＝26 m；

d─墊層土壤最大粒徑，mm，d＝50 mm；

[σ]─膜的允許拉應(yīng)力，kPa，[σ]＝12×103kPa；

E─薄膜的彈性模量，kPa，E＝70×103kPa。

經(jīng)計(jì)算，δ＝0.0019 mm。 參考廠家資料，選用兩布一膜的PE復(fù)合土工膜（300 g/m2/PE0.5/250 g/m2），其物理力學(xué)指標(biāo)為：抗拉強(qiáng)度19 kN/m，延伸率53.6%，CBR頂破強(qiáng)度 3.41 kN，垂直滲透系數(shù) 4.76×10－13cm/s，幅寬 4.0 m。由于本工程為城市供水的水源水庫(kù)，PE土工膜應(yīng)符合《食品包裝用聚乙烯成型品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB9687－88），所用原材料應(yīng)符合《食品包裝用聚乙烯樹(shù)脂衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB9691－88），其他輔助材料應(yīng)符合相應(yīng)的國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

新加壩體沿土工膜抗滑穩(wěn)定分析，防滲體滑動(dòng)指土工膜與保護(hù)層及膜與下墊層之間的滑動(dòng)，土工膜沿墊層滑動(dòng)可通過(guò)在壩坡面設(shè)防滑鋸齒槽來(lái)解決。上游新加壩體沿土工膜滑動(dòng)需進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。當(dāng)上游新加壩體透水性良好，庫(kù)水位降落，浸潤(rùn)面與庫(kù)水位同步下降時(shí)，可用《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（SL/T225－98）附錄A公式計(jì)算材料間的平面滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)：

式中：Fs─抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

W1、W2—主動(dòng)楔ABCD和被動(dòng)楔CDE的單寬重量，kN/m；

C1—沿BC面防護(hù)層（上墊層）土料與土工膜之間的粘著力，kN/m2；

φ1、φ2—內(nèi)摩擦角；

C2—防護(hù)層土料的粘聚力，kN/m2；

α、β—坡角；

L1、L2—BC 和CE 的長(zhǎng)度，m。

由于上游新加壩體和防護(hù)層為透水材料，故本次計(jì)算取 C1＝C2＝0；經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)s＝2.39，滿足要求。 新加壩體沿土工膜抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 新加壩體沿土工膜抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.3 加固設(shè)計(jì)（圖2）

加高后大壩壩頂高程為179.00 m，壩頂寬度為5 m，最大壩高 26.50 m。

上游新加壩體填筑前，先清除現(xiàn)有的塊石護(hù)坡及墊層。上游新加壩體采用透水性較好的風(fēng)化料和石渣填筑，底部最大寬度約32 m，頂部寬度3 m，填筑后上游坡坡比 1∶3。

壩頂加高部分采用粘土填筑，粘土壩體底寬3 m，上游坡比 1∶1，下游壩坡坡比 1∶2.1。

下游壩體169.00 m高程以上進(jìn)行削坡，削坡后下游壩坡坡比 1∶2.1。 169.00 m 高程設(shè) 2 m 寬的馬道，馬道以下用風(fēng)化料進(jìn)行壓坡，壓坡后下游壩坡坡比為1∶3。下游壩腳加設(shè)排水棱體，棱體頂高程160.00 m，寬3 m，棱體下游坡比 1∶1.5。

在上游新加壩體與老壩體及粘土壩體之間設(shè)復(fù)合土工膜防滲。復(fù)合土工膜放在整平的老壩體及粘土壩體上，復(fù)合土工膜與岸坡及壩腳采用砼齒槽相接。復(fù)合土工膜上設(shè)0.3 m后的粗砂保護(hù)層。為增加復(fù)合土工膜與壩體的抗滑性能，在原壩體上游坡面設(shè)四道抗滑齒槽，齒槽間距10 m。

圖2 大壩加固橫剖面圖

大壩上游采用砼預(yù)制塊護(hù)坡，護(hù)坡厚度0.12 m，護(hù)坡下設(shè)0.15 m厚的礫石墊層和0.15 m厚的砂墊層。下游壩坡采用草皮護(hù)坡。

3 結(jié)語(yǔ)

峰山應(yīng)急水源工程的土壩加固設(shè)計(jì)著重從控制上游新加壩體的滲透系數(shù)和加強(qiáng)防滲以降低現(xiàn)有壩體的浸潤(rùn)線兩方面來(lái)考慮，即上游新加壩體采用透水性強(qiáng)的石渣為新加壩體的填筑材料（滲透系數(shù)大于 1.56×10－2），水位驟降時(shí)可以快速降低上游新加壩體的浸潤(rùn)線，減小壩體的空隙壓力；在新加壩體與老壩體之間設(shè)復(fù)合土工膜防滲，降低老壩體的浸潤(rùn)線。通過(guò)措施有效的解決了水庫(kù)水位驟降時(shí)的土壩上游壩坡穩(wěn)定問(wèn)題。

［1］毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制 ［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.9.

［2］SL274－2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］SL/T225－98，水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］牛運(yùn)光.土壩安全與加固［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1998.11.