□劉 克（鄭州市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

0 引言

隨各地氣候、地形、地質(zhì)條件不同，修建的大壩類型也不相同，具有區(qū)域性的特點(diǎn)，土石壩是其中重要壩型。在我國(guó)，平原區(qū)和淺山丘陵區(qū)的中小型水庫(kù)中以土石壩居多，其中碾壓式土石壩應(yīng)用最廣泛。眾多的小型土石壩經(jīng)長(zhǎng)年運(yùn)行，存在不同程度的問(wèn)題。在所有壩型中，土石壩在出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，對(duì)下游的影響是最為嚴(yán)重的。為保證庫(kù)區(qū)群眾人民生命財(cái)產(chǎn)安全，我國(guó)對(duì)小型水庫(kù)全面除險(xiǎn)加固十分必要。

排水體是土石壩的重要設(shè)施，是為了降低壩體浸潤(rùn)線，減小壩體空隙水壓力，提高壩坡穩(wěn)定性；控制滲流，防止?jié)B透破壞，保護(hù)壩坡土，防止凍漲破壞。其對(duì)合理確定壩體尺寸，節(jié)約工程投資，保證壩體滲流穩(wěn)定具有重要作用。我國(guó)修建于上世紀(jì)50-70年代的小型水庫(kù)土石壩，受建設(shè)歷史條件影響和長(zhǎng)年運(yùn)行，各設(shè)施不同程度出現(xiàn)問(wèn)題，排水體作為土石壩的主要組成部分，常出現(xiàn)的問(wèn)題是下游壩坡坡腳排水體缺失或排水體損壞等引起水庫(kù)蓄水期間下游壩坡滲流溢出點(diǎn)偏高，極易發(fā)生滲透破壞，導(dǎo)致大壩不能正常蓄水使用。

采用現(xiàn)行規(guī)范和計(jì)算方法對(duì)上世紀(jì)建設(shè)的土石壩進(jìn)行分析時(shí)，往往發(fā)現(xiàn)這些小型土石壩并不完全滿足采用現(xiàn)行規(guī)范穩(wěn)定安全系數(shù)要求，或者一些下游壩坡排水設(shè)施缺失。與新建土石壩設(shè)計(jì)不同，完全挖除壩體，修復(fù)或完善設(shè)施后重新回填，尤其是對(duì)于相對(duì)較高的小型土石壩除險(xiǎn)加固來(lái)說(shuō)，顯然不經(jīng)濟(jì)。文章以某鎮(zhèn)小型土石壩排水體除險(xiǎn)加固方案選擇為例，闡明小型土石壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)方案選擇思路。

1 工程概況

某小型水庫(kù)興建于上世紀(jì)70年代，由于受歷史條件的影響及施工條件的制約，加之各方面的條件限制，施工機(jī)具又極其落后，所以水庫(kù)存在著許多質(zhì)量問(wèn)題，運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了幾次險(xiǎn)情，經(jīng)及時(shí)處理及限制水位運(yùn)行，險(xiǎn)情基本得到控制，但不能正常發(fā)揮效益，需除險(xiǎn)加固。壩體排水棱體除險(xiǎn)加固是其中主要內(nèi)容之一。

水庫(kù)是一座以防洪、農(nóng)業(yè)灌溉和供水為主的?、蛐退畮?kù)，主要建筑物有大壩、溢洪道和放水管。大壩為均質(zhì)土壩，壩長(zhǎng)218m，高30.16m，壩頂寬3.40m，防浪墻平均高1.10m。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇設(shè)計(jì)，300a一遇校核，興利庫(kù)容21.34萬(wàn)m3，總庫(kù)容30.95萬(wàn)m3，可灌溉43.33hm2土地。壩體主要為壤土，土質(zhì)不均勻，含風(fēng)化巖屑及小礫石，下游壩腳有排水棱體。放水管為漿砌石城門洞型無(wú)壓洞，斷面尺寸1.00m×1.70m，洞長(zhǎng)99.00m，最大泄量1.50m3/s。放水管進(jìn)口有閘門控制；下游出口有一灌溉支洞，現(xiàn)已封堵廢棄。溢洪道位于大壩右壩頭，距壩頭約10.00m，溢洪道底寬11m，下游接陡坡泄流。

水庫(kù)位于低山區(qū)，兩岸山坡較陡，上部基巖裸露，下部多被第四系坡洪積覆蓋，庫(kù)內(nèi)河谷呈“V”字型，河床寬100～150m,河床零星分布有殘留一級(jí)階地，且分布不對(duì)稱。壩址區(qū)出露的基巖為震旦系石英砂巖和前震旦系絹云母片巖。河槽部分壩基巖層主要為絹云母片巖，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，表層多具強(qiáng)風(fēng)化，具弱透水性。兩壩肩基巖均為絹云母片巖，局部有石英砂巖。壩體填土巖性以壤土為主，粘粒含量為24%，土質(zhì)不均勻，局部填土為砂壤土且含有小礫石及風(fēng)化巖碎屑，取樣室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)為4.50×10-5cm/s具弱透水性。

查看本水庫(kù)原始設(shè)計(jì)資料，得知原設(shè)計(jì)為均質(zhì)土壩，壩體下游壩坡采用棱體排水的結(jié)構(gòu)形式。但對(duì)比水庫(kù)原始設(shè)計(jì)資料和實(shí)測(cè)大壩斷面，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)的排水棱體在現(xiàn)狀壩體下游坡腳以外部分缺失，并不完整。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖探坑發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀壩體僅在主河槽及左岸灘地段有排水棱體，但中部棱體高，兩側(cè)棱體低，立面大致呈“U”型分布，排水棱體頂高程425.45m，底高程422.35m，壩軸線方向僅長(zhǎng)約23m；壩體在河道主河槽右岸灘地段坡腳為土體，無(wú)排水棱體，壩基礎(chǔ)局部出露基巖。

2 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

按此水庫(kù)除險(xiǎn)加固地勘資料，對(duì)大壩各典型斷面進(jìn)行滲流分析和穩(wěn)定分析。設(shè)計(jì)壩坡穩(wěn)定分析采用河海大學(xué)編制的autobank6.1程序，按瑞典圓弧法計(jì)算，采用有限元法計(jì)算。壩體穩(wěn)定滲流期和上游水位降落時(shí)的滲透壓力采用近似法計(jì)算，即計(jì)算滑動(dòng)力矩時(shí)，浸潤(rùn)線以下、靜水位以上的土體采用飽和密度γs；計(jì)算抗滑力矩時(shí)，浸潤(rùn)線以下靜水位以上的土體用浮密度γb（當(dāng)計(jì)算上游坡穩(wěn)定時(shí)，以上游靜水位為準(zhǔn)；計(jì)算下游坡穩(wěn)定時(shí)，以下游坡靜水位為準(zhǔn)）；浸潤(rùn)線以上土體，不論計(jì)算滑動(dòng)力矩及抗滑力矩，均用濕密度γw；對(duì)于上、下游靜水位以下的壩殼部分皆采用浮密度γb計(jì)算。土料強(qiáng)度浸潤(rùn)線以下采用飽和固結(jié)快剪小值平均值，浸潤(rùn)線以上采用原狀土不飽和快剪小均值。計(jì)算斷面采用實(shí)測(cè)壩體斷面。各工況，壩體上下游邊坡穩(wěn)定分析成果見(jiàn)表1。

表1 復(fù)核大壩穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表

根據(jù)上述分析計(jì)算結(jié)果，下游壩坡在設(shè)計(jì)水位條件下穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，為此需對(duì)壩體采取除險(xiǎn)加固措施。綜合分析各工況計(jì)算結(jié)果及試算過(guò)程，分析得出壩體下游壩坡不穩(wěn)定原因是滲流浸潤(rùn)線位置偏高。

2.1 除險(xiǎn)加固方案

針對(duì)灘地段壩體無(wú)排水棱體和有排水棱體段壩體有不穩(wěn)定的工況，分析可采用以下2種思路對(duì)壩體排水體采取工程措施，確保壩體穩(wěn)定：①通過(guò)降低浸潤(rùn)線及其下游壩坡溢出點(diǎn)的方式來(lái)滿足壩體穩(wěn)定,②下游坡面增設(shè)貼坡排水體，加固壩坡。

為保證主河槽段壩體正常排水，保證下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全，初步考慮3種方案，對(duì)比分析后選擇切實(shí)可行的加固方案，各方案如下：方案一是恢復(fù)原設(shè)計(jì)棱體排水方案。對(duì)灘地段壩體下游坡腳開(kāi)挖后布設(shè)棱體排水，對(duì)大壩下游坡高程432.48m至高程426.67m范圍內(nèi)培土放緩坡比至1：2.50;高程426.67至坡腳421.66范圍內(nèi)，恢復(fù)加固排水棱體，頂寬1m，內(nèi)坡比1：2.50，外坡比1：3。排水體在干砌石之下采用;方案二是增設(shè)貼坡排水體方案。對(duì)現(xiàn)狀下游壩按1：1坡削坡后，在坡腳增設(shè)貼坡排水體，在設(shè)計(jì)水位滲流溢出點(diǎn)以上高程433.48m處至坡腳421.66m范圍內(nèi)增設(shè)貼坡排水體，邊坡1：2.50。在有排水棱體段，對(duì)現(xiàn)狀排水棱體表面干砌石拆除，清除淤積后，繼續(xù)砌筑貼坡排水體；在無(wú)排水棱體壩段，新鋪設(shè)貼坡排水體，壩坡清基后依次鋪設(shè)15.00cm的粗砂墊層和15.00cm礫石墊層和干砌塊石；方案三是增設(shè)橋式濾水管輔助排水方案。在現(xiàn)狀下游壩坡腳局部開(kāi)挖后，對(duì)出露壩體斷面順?biāo)椒较蜚@孔并埋設(shè)橋式濾水管，共布置兩排，最底一排距河床地面1m，排水反濾管在開(kāi)挖坡面上呈梅花狀布置，水平向間距2m，豎向間距均為1m，底層水平向孔長(zhǎng)約13.20m，頂層水平向孔長(zhǎng)約10.10m。排水花管下游接本次翻修加固的排水棱體。各方案簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1、圖2、圖3。

圖1 下游坡腳排水體除險(xiǎn)加固方案一簡(jiǎn)圖

圖2 下游坡腳排水體除險(xiǎn)加固方案二簡(jiǎn)圖

圖3 下游坡腳排水體除險(xiǎn)加固方案三簡(jiǎn)圖

2.2 方案分析與選擇

方案一是按照新建土石壩的思路，恢復(fù)完善排水棱體，方案實(shí)施后的優(yōu)點(diǎn)是排水效果好，可有效降低壩體內(nèi)浸潤(rùn)線。缺點(diǎn)是，排水棱體需開(kāi)挖下游坡腳土體后鋪設(shè)排水棱體，土方開(kāi)挖量大，對(duì)原壩體擾動(dòng)大，現(xiàn)有棱體拆除翻修量大。

方案二是按照現(xiàn)狀大壩下游邊坡需要的穩(wěn)定斷面尺寸與壩體下游排水設(shè)施相結(jié)合的思路，增設(shè)貼坡排水體，加固壩體。優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)狀下游坡腳壩體結(jié)合削坡，可翻修現(xiàn)狀排水棱體中表面已淤塞部分，且整體土方開(kāi)挖量少，對(duì)原狀壩體擾動(dòng)小，壩體下游坡抗滑穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定可同時(shí)滿足規(guī)范要求，缺點(diǎn)是貼坡排水體砌石量較大。

方案三是按照恢復(fù)排水棱體排水功能的思路，在無(wú)排水棱體的壩段增設(shè)水平向橋式濾水管，達(dá)到排水棱體同樣排水效果的目的。優(yōu)點(diǎn)是砌石量較方案二少，對(duì)現(xiàn)狀壩體擾動(dòng)小，缺點(diǎn)是水平向?yàn)V水管需水平向鉆孔，施工工序復(fù)雜，尤其上排水平相濾水管孔鉆孔距離地面高差4m，水平鉆孔施工難度大，需要墊土作為鉆孔平臺(tái)，工期較長(zhǎng)。

以上三方案，經(jīng)分析均可滿足壩體滲流及穩(wěn)定要求，但投資和工期不同，考慮本工程距離城區(qū)遠(yuǎn)，但石料豐富，且為小型土石壩工程，長(zhǎng)年沉降已穩(wěn)定，本著盡量減少對(duì)壩體擾動(dòng)，充分利用當(dāng)?shù)夭牧虾陀邢尥顿Y的原則，最終選定方案二作為壩體下游坡排水體除險(xiǎn)加固方案。

3 結(jié)語(yǔ)

建國(guó)以來(lái)，我國(guó)在土石壩建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，積累了極其豐富的經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)小型土石壩有其自身的建設(shè)歷史條件，在除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)小型土石壩其自身的建設(shè)條件、工程現(xiàn)狀條件和小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程規(guī)模小、投資較少的特點(diǎn)，按照維修加固的思路選擇切實(shí)可行的加固方案，盡量減少對(duì)現(xiàn)狀壩體的擾動(dòng)破壞，發(fā)揮工程效益。