陸立泉

長(zhǎng)壕水庫(kù)漿砌石重力拱壩加固設(shè)計(jì)淺析

陸立泉

（廣西玉林水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣西玉林537000）

以廣西興業(yè)長(zhǎng)壕水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程為實(shí)例，針對(duì)水庫(kù)漿砌石重力拱壩存在滲漏問(wèn)題，在對(duì)其加固防滲設(shè)計(jì)分析。通過(guò)壩面防滲方案優(yōu)選確定采用鋼筋砼面板防滲，并對(duì)大壩裂縫進(jìn)行處理和壩頂加固。

漿砌石重力拱壩；滲漏；灌漿；砼面板方案設(shè)計(jì)

1 工程概況

長(zhǎng)壕水庫(kù)位于廣西興業(yè)馬騮江二級(jí)支流的長(zhǎng)壕江上游，是一座以灌溉為主，兼顧供水的?。?）型水庫(kù)，2000年8月建成并投入運(yùn)行，水庫(kù)控制集雨面積為2.13 km2，總庫(kù)容170萬(wàn)m3。該工程等別屬Ⅳ等，永久性水工建筑物級(jí)別主要建筑物為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)，采用50年一遇洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核。水庫(kù)正常蓄水位168.50 m，死水位148.90 m，設(shè)計(jì)洪水位169.15 m，校核洪水位169.34 m。樞紐建筑物主要包括漿砌石重力拱壩1座，輸水涵管一座，放空涵管1座。

2 工程地質(zhì)

庫(kù)區(qū)出露地層有第四系坡殘積層（Qedl）和泥盆系郁江組（D1y）巖性為黃褐、灰黃色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、黃綠色、灰綠色泥巖夾泥質(zhì)灰?guī)r及打石坡侵入體（T2Dp）：巖性為中細(xì)粒斑狀黑云二長(zhǎng)花崗巖，斑晶為微斜微紋長(zhǎng)石。

工程區(qū)下伏基巖為泥盆系郁江組（D1y）和打石坡單元（T2Dp）巖性為：細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r及二長(zhǎng)花崗巖，巖層產(chǎn)狀為25°/SE∠25°，工程區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造形跡。

壩肩為弱風(fēng)化郁江組第三段細(xì)砂巖，厚約5 m～17.9 m，裂隙較發(fā)育，巖性呈碎塊狀。壩基為弱風(fēng)化郁江組第二段泥質(zhì)粉砂巖及第三段泥質(zhì)灰?guī)r與粉砂巖互層，厚3.5 m～6.5 m。弱風(fēng)化巖體平均呂榮值為12.0 Lu，為中等透水性。微風(fēng)化巖體平均呂榮值為3.1 Lu，為弱透水性。

3 大壩現(xiàn)狀及存在的病險(xiǎn)問(wèn)題

漿砌石重力拱壩為定圓心，變半徑的漿砌石單曲拱壩，壩頂弧長(zhǎng)101.1 m，壩頂中心角為76.010，外半徑為58.09 m，壩頂厚2.5 m，壩底厚11.30 m，最大壩高30.2 m，厚高比為0.37，弧高比為3.35。壩頂路面有間隔不等的13條橫向裂縫，最大縫寬約5 mm，其中一條裂縫從壩頂路面延伸至157.50 m高程。當(dāng)水位高于157.50 m高程時(shí)，下游壩坡有一股水流噴射出來(lái)，同時(shí)還有多處滲漏點(diǎn)，滲水帶出大量的鈣質(zhì)，形成了多條白色砂漿鈣化條。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，庫(kù)水位160.50 m時(shí)，下游壩坡的多處滲水和射水的滲漏量總和達(dá)到7.0 L/s。

大壩滲漏嚴(yán)重，已經(jīng)影響了大壩的正常運(yùn)行，被鑒定為“三類壩”。

4 大壩加固方案設(shè)計(jì)

本次大壩加固設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有：壩頂高程復(fù)核；壩頂裂縫分析和加固；壩體和壩基防滲分析和加固；壩體裂縫分析和處理；壩體應(yīng)力和穩(wěn)定分析。

4.1 壩頂高程復(fù)核

該水庫(kù)多年平均最大風(fēng)速為W=15 m/s。該壩屬4級(jí)建筑物，正常運(yùn)用條件下采用多年平均最大風(fēng)速的1.5倍，即22.5 m/s，非常運(yùn)用條件下采用多年平均最大風(fēng)速，即15 m/s。根據(jù)水庫(kù)的吹程確定方法，直接在水庫(kù)萬(wàn)分之一地形圖上量得。大壩有效吹程為500 m。

壩頂高程與水庫(kù)正常蓄水位的高差、設(shè)計(jì)洪水位或與校核洪水位的高差△h，按下式計(jì)算：

式中：△h為壩頂與水庫(kù)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位或校核洪水位的高差，（m）；2h2為浪高（m）；Vf為計(jì)算風(fēng)速，m/s；Df為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，km；g為重力加速度；h0為波浪中心線至水庫(kù)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位或校核洪水位的高差（m），按下式計(jì)算：

表1 壩頂高程計(jì)算成果表單位：m

式中H1為壩前水深，m；2LL為平均波長(zhǎng)，m；hc為安全超高，可查利用《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL25－2006）表9.1.1讀取[1]。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

從計(jì)算成果得知，在設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位等工況下壩頂高程均滿足設(shè)計(jì)要求，不需要加高。

4.2 壩頂加固

拆除壩頂防浪墻和欄桿，新建上游防浪墻和下游欄桿。新建防浪墻，板厚0.25 m，高1.15 m，采用C20砼現(xiàn)澆。新建欄桿高1.15 m，柱為0.2m×0.2 m，柱間距為2 m，采用C20砼澆筑。壩頂路面拆除重建，鋪設(shè)C25砼路面厚0.25 m。

4.3 壩基防滲

根據(jù)工程地質(zhì)可知，壩基和壩肩屬于中等透水，需要進(jìn)行防滲帷幕。帷幕灌漿孔深入壩基不透水層微風(fēng)化巖層3 m左右，局部微風(fēng)化巖層比較深，孔深按照0.7倍水頭控制，單排布孔，孔距為2.0 m。帷幕灌漿孔位置與壩基應(yīng)力情況有關(guān)，一般布置在壓應(yīng)力區(qū)，并盡可能靠近上游壩面。本次加固于拱座上新建C20砼灌漿平臺(tái)壓重塊，平臺(tái)寬2.0 m，高2.0 m，平臺(tái)長(zhǎng)度根據(jù)壩腳坡度和布孔要求確定。平臺(tái)混凝土抗?jié)B等級(jí)要求達(dá)到S6。兩岸帷幕原則上是延伸至正常水位與相對(duì)隔水層相交處[2]，由于隔水層比較深與正常水位線相交處比較遠(yuǎn)，本次加固防滲帷幕左岸延伸入岸坡20 m，右岸延伸入岸坡25 m，延伸方向與壩肩段一致，保持帷幕連續(xù)性。

壩基防滲帷幕灌漿采用純水泥漿，水泥標(biāo)號(hào)為425。壩基防滲帷幕灌漿前庫(kù)水位盡可能降至最低水位，減少水壓力對(duì)灌漿的影響。灌漿施工應(yīng)遵循帷幕灌漿施工工藝，嚴(yán)格把控灌漿質(zhì)量。

4.4 壩面防滲

壩面防滲，本次推薦一個(gè)傳統(tǒng)壩面防滲方案即砼面板防滲方案I和另一個(gè)新技術(shù)方案即由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所推廣的噴涂聚脲彈性體技術(shù)方案II。

方案I：先把壩體迎水面鑿毛并沖刷干凈，然后再澆筑一層厚0.3 m的C20鋼筋砼面板做防滲層，要求砼抗?jié)B等級(jí)為S6。接觸面采用錨筋連接，錨筋呈梅花型布置，錨筋直徑16 mm，錨筋長(zhǎng)1.1 m，面板掛φ10@200鋼筋網(wǎng)。

方案II：先把壩體迎水面鑿毛并沖刷干凈后，然后噴2 cm厚聚合物砂漿，最后噴涂1.6 mm厚聚脲彈性體材料[3]。

通過(guò)投資概算得出，其中方案I費(fèi)用213.16萬(wàn)元，另外方案II費(fèi)用275.23萬(wàn)元。

兩個(gè)方案都有優(yōu)缺點(diǎn)，可以相提并論。其中方案I優(yōu)點(diǎn)：工程投資比較少，節(jié)約工程費(fèi)用；施工技術(shù)成熟，施工機(jī)械設(shè)備比較簡(jiǎn)單，有技術(shù)保證；工程施工經(jīng)驗(yàn)豐富，工程質(zhì)量容易掌控。而方案I缺點(diǎn)：砼防滲面板施工工期比較長(zhǎng)。另外方案II優(yōu)點(diǎn)：工程施工期比較短，可以盡早修復(fù)水庫(kù)功能和效益。而方案II缺點(diǎn)：工程投資比較大；施工技術(shù)屬于行業(yè)新技術(shù)，噴涂施工需要引進(jìn)專用的聚脲噴涂設(shè)備及其配套設(shè)備，不容易施工；目前利用做拱壩防滲的施工經(jīng)驗(yàn)比較少，質(zhì)量保證比較難。為了更直觀分析方案的優(yōu)劣，進(jìn)行列表分析，見(jiàn)表2。

表2 方案比較

本項(xiàng)目施工總工期8個(gè)月，跨越一個(gè)枯水期，關(guān)鍵施工點(diǎn)是大壩壩基帷幕灌漿和灌漿平臺(tái)壓重塊施工。而大壩砼防滲面板工程量少，工期不長(zhǎng)，對(duì)整個(gè)工程施工進(jìn)度影響不大。該水庫(kù)設(shè)計(jì)月供水量為8萬(wàn)m3，供水單價(jià)為0.21元/m3，設(shè)計(jì)供水月收入為1.68萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，縮短工期提早供水意義不大。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析方案的施工技術(shù)、施工經(jīng)驗(yàn)、施工工期及其工程投資等特點(diǎn)，從而推薦該漿砌石重力拱壩的壩面防滲采用鋼筋砼面板防滲方案即方案I。

4.5 壩體裂縫處理

該拱壩裂縫均為橫向裂縫，且未貫穿壩體，均為表層裂縫，壩頂路面拆除重建即可。而從壩頂路面延伸至157.50 m高程的裂縫，需要進(jìn)行灌漿處理。由于裂縫寬度不大，不需要開(kāi)挖處理，可采用壓力灌漿處理，但是需要適當(dāng)控制灌漿壓力，避免造成灌漿壓力過(guò)大導(dǎo)致壩體變形和壓力過(guò)小達(dá)不到設(shè)計(jì)效果。漿液采用純水泥漿，灌漿時(shí)應(yīng)遵循由稀到稠的原則，以保證質(zhì)量。

4.6 應(yīng)力及穩(wěn)定分析

本次加固沒(méi)有改變拱壩的結(jié)構(gòu)，經(jīng)計(jì)算在基本荷載組合和特殊荷載組合條件下，壩體最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力分別小于漿砌石容許壓應(yīng)力、拉應(yīng)力，壩體壓應(yīng)力、拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。壩肩穩(wěn)定分析采用剛體極限平衡法，壩肩巖體的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范的最小值，壩肩巖體穩(wěn)定。重力墩按整體抗滑進(jìn)行穩(wěn)定分析，重力墩的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范的最小值，重力墩穩(wěn)定。本次加固方案，滿足了拱壩應(yīng)力和穩(wěn)定要求，方案可行。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程的漿砌石重力拱壩，通過(guò)壩面鋼筋砼板防滲、壩基帷幕灌漿防滲、壩體裂縫處理以及壩頂路面拆除重建等加固措施，有效的減少壩體滲漏，同時(shí)也消除大壩安全隱患。該水庫(kù)漿砌石重力拱壩加固設(shè)計(jì)方案通過(guò)了自治區(qū)水利廳審批，目前已經(jīng)實(shí)施，取得了良好的設(shè)計(jì)效果。

[1]SL25-2006，貴州水利廳·砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]·水利水電出版社，2006

[2]祁慶和·水工建筑物[M]·北京：水利水電出版社，1997

[3]黃微波·噴涂聚脲彈性體技術(shù)[M]·北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005

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1673-9000（2017）02-0049-02

2016-12-15

陸立泉（1979-），男，廣西貴港人，工程師，主要從事水利水電工程施工設(shè)計(jì)。