孟 林

(平昌縣農(nóng)田水利規(guī)劃建設管理局，四川 巴中 636400)

慶豐水庫大壩除險加固研究

孟 林

(平昌縣農(nóng)田水利規(guī)劃建設管理局，四川 巴中 636400)

對水庫大壩進行加固除險，既能夠延長水庫的使用壽命，又能夠提高水庫大壩使用的質量，以免水庫大壩在汛期或者雨季壓強和壓力的增大，出現(xiàn)潰壩或者潰堤的現(xiàn)象，危及到人們的生命和財產(chǎn)。水庫大壩工程的實施，是將人們安穩(wěn)的生活和社會經(jīng)濟持續(xù)的增長進行有效地維護，所以，對于加固除險水庫大壩的重要性必須要認識和了解，將加固除險水庫大壩的處理方法進行有效地落實，從而使水庫大壩的使用價值得以提高。該文對慶豐水庫大壩的加固和除險進行了分析和研究。

慶豐水庫大壩；除險加固；研究

0 前 言

開展水利工程建設是一項利國利民的事業(yè)，在水利工程中，水庫大壩可謂是最常見的建筑。慶豐水庫是1988年建成后開始運行，至今天已有二十多年的歷史，在運行的過程中存在著很多的問題，該文研究了慶豐水庫大壩加固除險的設計，分析了水庫大壩的病害，完整地探討了慶豐水庫大壩的加固除險，對于加固除險水庫大壩具有至關重要的現(xiàn)實意義[1]。

1 大壩結構的穩(wěn)定和除險加固設計

1.1 分析大壩滲流破壞

1)壩體滲漏：壩坡逸出的浸潤線造成壩坡沼澤化或者濕潤化，通?；旌贤亮匣蛘哔|壩型中容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象，浸潤面過高使滑坡的可能性增加了，因為降雨和氣溫的影響以及長期滲流的作用，減小了壩坡土體抗剪的強度，破壞了局部的滲透，加大了滑塌的可能性；壩體裂縫滲漏：壩體隱蔽滲漏的主要因素就是壩體開裂，因為斜墻或者心墻的后壩殼通常都是強透水的土料，裂縫集中滲漏在壩殼中會擴散，因此，集中滲漏區(qū)就很難發(fā)現(xiàn)，利用觀測壩殼浸潤面的成果也很難判斷滲漏是否存在。下游壩面的集中滲漏現(xiàn)象：壩體在進行分層填筑時，土層相對比較厚，加上施工機械功率不足，導致各層填土的局部疏松和上部不密實，從而使水平集中滲漏帶形成，有些壩的施工組織比較落后，尤其是有些人工填筑的施工，規(guī)模比較大，填筑運用分段包干的方法，由于土層的厚度和上升的速度都不一致，相臨兩段接合的部位，漏壓和少壓的松土帶現(xiàn)象就容易出現(xiàn)[2]。

2)非正常滲漏和壩基滲漏：很多土石壩不是根據(jù)壩工理論和規(guī)范建造的，而是在特殊的歷史時期建造的，很多土石壩建設在正式開工以前，沒有進行前期地質勘探或者水文地質工作，非常粗糙，導致沒有對土石壩工程做任何的防滲處理。

3)壩后地面滲漏：通常的滲漏現(xiàn)象就是土石壩外坡壩后的地面所出現(xiàn)的砂環(huán)和砂沸以及管涌和泉涌，或者沼澤化，地層構造和控制滲流是導致滲漏出現(xiàn)的主要因素。淤泥和粉細砂或者壤土的表層，透水性都比較小，而其下的砂層地基或者砂礫石的透水性都比較強，如果壩后沒有運用適當?shù)臏p壓排水的措施，出逸坡降比表層土的臨界坡降大時，壩后的地面就會有管通和砂沸等相關的破壞現(xiàn)象出現(xiàn)。

4)繞壩滲漏：大壩兩岸的節(jié)理發(fā)育和山體裂隙，或者巖溶和斷層的現(xiàn)象發(fā)生，還有透水第四紀的堆積層，繞壩滲流不但對山體自身安全有影響，還影響壩基和壩體。

5)接觸部位滲漏：各種接觸部位有：壩體齒墻和兩刺墻與涵管、壩基與壩體、兩岸山坡的防滲設施與壩體、破碎基巖與兩岸山坡的防滲設施，滲漏通常是因為施工和設計等相關因素引發(fā)，導致接觸沖刷現(xiàn)象發(fā)生，甚至出現(xiàn)垮壩失事的現(xiàn)象。

1.2 觀測大壩滲流的成果

自慶豐水庫竣工并運行以后，將原型觀測進行了開展，但是，慶豐水庫雖然運用了多年，卻并沒有進行很好地維護，導致原有觀測土壩的大部分都損壞或者失效了。

1)壩體黏土心墻不存在滲透穩(wěn)定和滲漏的問題。

2)大壩的多數(shù)壩段壩基滲漏情況普遍存在。地質勘查后得知，處理壩基帷幕灌漿防滲的壩段只有103m，不但灌漿的效果很差，也不連續(xù)；9m范圍內(nèi)的基巖巖體上部，壓水試驗的透水率可以到10-16lu，透水層為中等。開挖壩基截水槽,可以看到能夠通過的有擠壓破碎帶6條和斷層25條以及巖脈數(shù)條，多數(shù)不但節(jié)理裂隙比較發(fā)育和順河向，而且強烈風化和巖體破碎。這些因素導致水庫在進行蓄水時，隨著抬高庫水位，加大了大多壩段壩基的滲漏量[3]。

3)地質勘查的結果表明，大壩樁號為0+000-0+220m的地段，沒有滲透穩(wěn)定的問題存在；大壩樁號為0+220-0+520m的地段，因為壩基有滲漏問題存在，導致截水槽后的壩基卵礫石層有滲透穩(wěn)定情況存在。如果水庫長期進行高水位的運行，高水頭的滲透壓力就會逐步地加大該段壩基的滲漏量，卵礫石層也不均勻，有的部位細粒缺乏，基本都是粗顆粒，出現(xiàn)架空的現(xiàn)象，滲透的系統(tǒng)也相應地變大，細顆粒在滲漏水的帶動下，移動到下游粗顆粒的孔隙中，細顆粒逐漸地流失，加大了上游部分的滲透系數(shù)，減小了水頭的損失，導致下游部位對絕大部分水頭進行承受，致使流土現(xiàn)象發(fā)生，上下游貫通后，成為連續(xù)的孔道，導致滲透破壞發(fā)生。

4)兩側的壩肩沒有繞壩滲漏的情況存在。

1.3 分析大壩壩坡抗滑穩(wěn)定

工程施工中，在極限平衡理論的基礎上，通過運用土坡穩(wěn)定的分析方法。將土假設為理想的塑性材料，極限的平衡狀態(tài)達到時，土體就會沿著一個破裂的面出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象而失去穩(wěn)定，這就是極限平衡理論的一個基本的假設。

設計土石壩規(guī)范中規(guī)定，瑞典圓弧法是分析土石壩穩(wěn)定的主要方法。這種方法在理論上雖然有些不足，對一些情況所給出的結果也不太合理，但是，計算比較簡單，已有近百年的歷史，積累的經(jīng)驗比較豐富。從1949年開始，我國大量土石壩建成以后，基本利用的都是這種分析方法，從使用的效果上來看，還是比較可靠安全的。瑞典圓弧法無法將每一土條力平衡的條件進行滿足，所計算出的安全系數(shù)也比較低。因此，畢肖普法在當前邊坡穩(wěn)定分析上應用比較廣泛，畢肖普照法對每個土條間作用力的影響都進行了考慮[4]。

為了使設計土石壩邊坡的安全得以有效地保障，瑞典圓弧法和畢肖普法以及滑楔法等各種方法，在對土石壩邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)進行計算時，數(shù)值不限。由于不斷的改進和完善分析邊坡穩(wěn)定的軟件和分析邊坡的穩(wěn)定理論，在設計土石壩上下游邊坡的實際過程中，分析邊坡穩(wěn)定可以采用不同的程序和計算方法，對計算結果綜合進行比較以后，再采取合理的設計方案。

1)分析土石壩邊坡穩(wěn)定的原理：極限平衡理論主要是在土體處在理想塑性的狀態(tài)時，對滑裂面軌跡和應力分布進行研究。從當前來看，在工程的實踐中，分析土石壩邊坡穩(wěn)定，通常采用的是極限平衡法。極限平衡法通常的步驟，是假定破壞是沿著土體內(nèi)的某一個滑裂面進行滑動。結合摩爾-庫倫的破壞準則和滑裂土體靜力的平衡條件，能夠將沿著該滑裂面進行滑動的可能性計算出來，也就是破壞的概率和安全系數(shù)，再選取一些可能的滑裂面作為系統(tǒng)，將穩(wěn)定的破壞概率和安全系統(tǒng)計算出來?？赡苄宰畲蟮幕瑒用婢褪瞧茐母怕首罡呋蛘甙踩禂?shù)量低的滑動面。

分析邊坡穩(wěn)定的傳統(tǒng)方法就是極限平衡法，利用安全系數(shù)對邊坡穩(wěn)定性進行定量評價，安全系數(shù)具有直觀性，已經(jīng)廣泛應用于工程界。此方法根據(jù)則塑性的理論，只對土體破壞的瞬間變形機制比較注重，而忽視了土體變形的過程，只要求對Mohr-Coulomb的破壞準則以及力和力矩的平衡進行滿足。

極限平衡法沒有對土體自身應力-應變關系進行考慮，不能夠將邊坡變形破壞的過程進行有效地反映。但是，因為極限平衡法的概念明了且簡單，在計算的方法上，有大量的計算模型和經(jīng)驗形成了，具有準確的計算結果。所以，從當前來看，分析邊坡穩(wěn)定性主要的方法還是極限平衡法。在工程實踐的過程中，可以結合邊坡破壞的滑動面形態(tài)，來將相應的極限平衡法進行選擇。

2)大壩壩坡除險加固的設計：根據(jù)壩基和壩體的實際地質條件，該次設計所選擇的斷面是最大壩的高樁號0+308m，采用了畢肖普法和瑞典圓弧法分別對上下游壩坡進行抗滑穩(wěn)定的復核計算，上游壩坡主要對部位驟降和最不利的水位兩種情況進行了計算，下游壩坡主要對正常蓄水位的穩(wěn)定滲流期情況進行了計算。通過計算，了解到對工況下壩坡抗滑穩(wěn)定的計算都符合規(guī)范的要求。因此，該次加固除險設計，對于上下游壩坡坡比保持不變，只是拆除上游壩坡原有的干砌塊石護坡；平整下游碎石護坡以后，再將一層碎石鋪到上面。

為了使來年的灌溉需求得以保證，加固除險施工期間的水庫庫容必須高于150×104立方m，水庫的水位為318.1m，因此，該次設計擬將上游壩坡的翻修范圍規(guī)定為318.1m至壩頂。采用干砌塊石護砌作為該范圍內(nèi)的護坡翻修方案，將鋼盤混凝土梁格設置在上游坡上，來對干砌塊石護坡穩(wěn)定的要求進行滿足。

大壩上游護坡翻修的起始高程是318.1m，護坡的厚設是0.3m，頂高程是330m，設0.16m為塊石護坡的碎石墊層。拆除原護坡塊石以后，整平原碎石墊層的表面以后，將0.15m的厚碎石層重新進行鋪設，將0.3m厚度的干砌塊石砌筑在新墊層上。在翻修起始高程318.1m的護坡處設置一個深度和底寬為0.4m的干砌石腳槽。

清坡平整大壩下游壩坡以后，將0.2m厚的碎石層重新進行鋪設，將起始高程翻修為313m。將兩級馬道設置在下游壩坡上，第一級的馬道高程324m，寬為1.8m；第二組的馬道高程318m，寬為1.8m，下游壩坡從下而上，分別為1：2.5和1：2.25以及1：2。大壩樁號0+516m和0+226m，重新將2m寬上壩踏步進行砌筑。

2 水庫大壩除險加固防滲設計的處理方式

2.1 穩(wěn)定大壩的壩體結構

1)水庫大壩的結構分類：防滲加固措施通常遵循上堵中截下排的原則，水平鋪蓋需要人工填筑和天然黏土兩種，水庫大壩除險加固一般采用高壓噴射灌漿防滲和混凝退防滲墻以及倒掛井防滲墻和劈裂灌漿防滲等幾類。大壩壩體根據(jù)上下游坡度的陡緩程度，相對應地進行系數(shù)放緩的培厚施工。

2)維護大壩結構的其他建設項目：為了使大壩結構得以穩(wěn)定，既要重視排水棱體處理能力的加大，又要重視處理涵洞和護坡的危險災情，使泄洪道排水的能力得以增加，及時加固改造除險，對于水庫大壩受滑坡的影響力，應該力學地參考滑坡自身的成因、性質、規(guī)模、邊界條件以及范圍等，還有滑坡產(chǎn)生的作用，使滑坡安全的穩(wěn)定性得以擴大。

3)大壩壩體加固，提高其抗震的能力：在水庫大壩加固措施實施的過程中，還要重視落實其抗震的能力，相對應地檢測地震烈度和震級，在水庫大壩壩頂超高設計抗震加固，坡壩放緩，致使上部壩坡穩(wěn)定性得以增強，因為水庫大壩上部地震的慣性比較大，需要石塊砌體或者石塊對水庫大壩進行加固增厚，同時，建設鋼筋槽穩(wěn)定的水庫大壩也要增設。在土石方格或者鋼筋設置時，應該重視加固水庫下游坡壩，禁止開閘泄洪時，發(fā)生沖毀下游壩坡的現(xiàn)象。

2.2 增強水庫加固除險的能力

1)水庫除險加固措施的實施：對水庫大壩加固除險，設計的原則既要簡便可行，又要具有經(jīng)濟性。水庫大壩加固除險措施的要求，工程施工現(xiàn)場地質勘查必須要實施，分析大壩滲流的情況。產(chǎn)生裂縫容易加大裂縫導致整個大壩潰堤，水庫大壩在除險中，先要解決裂縫問題，才能夠有效地開展加固的技術。滲流狀況若比較輕，可以運用高壓膽管理混凝土旋噴的技術，將滲流縫隙堵塞，以防混凝土板張裂。此外，還可以采用翻砌施工的方式，處理裂縫涌水的情況。

2)水庫防滲的技術：水庫發(fā)生滲水，主要是因為在水的壓強下，水庫內(nèi)部結構松動或部位變化。所以，水庫大壩防滲技術中的防滲方式具有很多種。例如，帷幕灌漿和混凝土防滲墻，以及深層攪拌連續(xù)墻和高壓噴射灌漿等相關的防滲技術措施，從而使水庫大壩施工的質量得以有效地提高。

3 總 結

綜上所述，慶豐水庫大壩實施加固除險工程，無論對樞紐建筑物工程狀況的改善，還是水庫運行條件的改善，都至關重要，同時，也提升了水庫綜合的效益。慶豐水庫通過加固險除，既修繕了水庫現(xiàn)有的工程設施，又使水庫運行期和使用的壽命得以有效地延長，使水庫防洪和灌溉等相關的主要作用得以充分地發(fā)揮。

[1]焦一峰.中小型水庫大壩除險加固技術方案優(yōu)選研究[J].中國水運：下半月,2017,17(06):224-225.

[2]邱雪仁.登云水庫大壩除險加固技術方案及效果分析[J].中國水利,2015(12):47-48.

[3]朱賽.薄璧抓斗造塑性混凝土防滲墻在田心水庫大壩除險加固中的應用[J].水利水電技術,2014,45(11):78-79，84.

[4]顧紅紅,張樹理,任廣慧.水庫大壩除險加固技術的應用及防滲措施[J].中國高新技術企業(yè),2014(26):136-137.

[5]鄧志華,肖麗紅.中小型水庫大壩除險加固常見問題及加固措施研究[J].河南水利與南水北調,2014(14):69-70.

TV698.23

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2017-09-12

孟林(1970-)，男，四川平昌人，工程師，研究方向為水利建設、管理。