李旭東

（巴州天寶水利工程設(shè)計(jì)有限公司,新疆 庫(kù)爾勒 841000）

0 引言

由于年久失修，工程存在各種破壞、侵蝕、老化等問(wèn)題而形成病險(xiǎn)水庫(kù)[1]。水庫(kù)加固施工設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化需要根據(jù)水庫(kù)的實(shí)際使用需求來(lái)制定[2]。通過(guò)多方案比選對(duì)工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，不僅保證了工程質(zhì)量，還能最大限度發(fā)揮投資效益。本文結(jié)合新疆輪臺(tái)縣卡爾塔水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，采用多方案比選方式優(yōu)化各分部工程的加固設(shè)計(jì)方案，有效地提升了方案的科學(xué)性和可操作性，為工程的高效實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 工程現(xiàn)狀

1.1 水庫(kù)概況

卡爾塔水庫(kù)位于新疆輪臺(tái)縣境內(nèi)，距縣城約22 km。該水庫(kù)建于上世紀(jì)60 年代初期，攔蓄迪那河支流卡爾塔河。壩長(zhǎng)5.84 km，最大壩高5 m，死水位為945.0 m，正常蓄水位為947.30 m，校核洪水位947.99 m，總庫(kù)容773.99 萬(wàn)m3，死庫(kù)容70 萬(wàn)m3，興利庫(kù)容410.0 萬(wàn)m3，調(diào)洪庫(kù)容703.99 萬(wàn)m3，屬Ⅳ等?。?）型平原水庫(kù)，主要建筑物為4 級(jí)，次要建筑物為5 級(jí)，用于調(diào)節(jié)3.5 萬(wàn)畝耕地用水和下游草場(chǎng)生態(tài)用水。

1.2 水庫(kù)安全鑒定及存在問(wèn)題

卡爾塔水庫(kù)至今已運(yùn)行了40 余年，期間經(jīng)受了多次超標(biāo)準(zhǔn)洪水的考驗(yàn)。現(xiàn)主要存在如下問(wèn)題：

（1）壩頂高程不滿足設(shè)計(jì)要求，大部分壩段壩頂高程未達(dá)到設(shè)計(jì)高程。

（2）受風(fēng)浪沖刷淘蝕破壞上游壩坡，造成壩體斷面尺寸不符合設(shè)計(jì)要求。

（3）部分壩段滲透系數(shù)大，滲透穩(wěn)定性差。

2 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案比選

卡爾塔水庫(kù)擬對(duì)壩體、壩基和壩體上游護(hù)坡部分進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。

2.1 壩體防滲加固方案比選

水庫(kù)壩體、壩基滲漏嚴(yán)重，擬在不改變壩體結(jié)構(gòu)的前提下，采用土料和土工膜防滲、土料作為防滲支撐體的形式對(duì)壩體防滲加固。

（1）方案一：粘土斜墻防滲

粘土斜墻防滲效果和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，能滿足設(shè)計(jì)要求。在現(xiàn)有壩體上游壩坡布設(shè)粘土斜墻，最大高度豎向投影8 m，上游坡比1∶3，設(shè)計(jì)頂寬3.0 m，最大底寬6.0 m。經(jīng)初步估算，斜墻需粘土料8.36 萬(wàn)m3，土料場(chǎng)儲(chǔ)量滿足設(shè)計(jì)需用量。方案一壩體防滲加固部分投資約178 萬(wàn)元。

（2）方案二：土工膜防滲

土工膜防滲效果和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性亦能滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)在現(xiàn)有壩體上游布設(shè)土工膜，上游坡比1∶2.5，本工程共需土工膜約8.44 萬(wàn)m2，則該部分工程投資約131.77 萬(wàn)元。

（3）方案比選

綜合比選，從壩體防滲體填筑料方面分析，采用防滲體＋土料支撐體形式的方案在工程投資、與實(shí)際情況結(jié)合的程度等方面，均遠(yuǎn)優(yōu)于采用粘土斜墻方案。最終推薦采用土工膜作為防滲體的方案對(duì)壩體進(jìn)行防滲加固。

2.2 壩基防滲方案比選

壩基由粉質(zhì)粘土、粉砂層構(gòu)成，中等透水性，故須對(duì)壩基進(jìn)行防滲處理。

（1）方案一：開(kāi)挖截水槽

根據(jù)地勘資料，壩基由2 m～5 m的粉質(zhì)粘土和粉砂層構(gòu)成?？刹扇∽杌瑝η? m處開(kāi)挖截水槽，壩體土工膜延伸至截水槽底部的防滲措施。方案一需鋪設(shè)土工膜1.05 萬(wàn)m2，開(kāi)挖土方約3.6 萬(wàn)m3，投資估算105 萬(wàn)元。

（2）方案二：深層攪拌樁

將水泥作為固化劑將軟土、沙與水泥強(qiáng)制拌和，提高軟基強(qiáng)度。該方法可成樁、墻，適用于處理砂土、淤泥或粉土等軟弱地基，效果顯著。方案二處理地基需開(kāi)挖2 m～5 m，成樁6410 m，投資估算137 萬(wàn)元。

（3）方案比選

綜上，為使壩體和壩基形成一個(gè)安全、經(jīng)濟(jì)、有效的封閉防滲體，推薦采用開(kāi)挖截水槽方案。

2.3 壩體上游護(hù)坡方案比選

護(hù)坡形式可采用砌石、混凝土板、土坡等多種形式，需經(jīng)各不同形式經(jīng)濟(jì)、施工條件比選后，確定合適的護(hù)坡形式。

（1）方案一：混凝土護(hù)坡

混凝土護(hù)坡厚度由波浪壓力及壓力可按式（1）計(jì)算：

式中：t為混凝土板厚度，m；η為系數(shù)，對(duì)整體式大塊護(hù)坡面板，取1.0，對(duì)裝配式護(hù)面板取1.1，取1.0；hp為累積頻率為1%的波高，m；經(jīng)計(jì)算為1.5 m；Lm為波浪的平均波長(zhǎng)，m，經(jīng)計(jì)算為10.9 m；b為沿壩坡向混凝土板長(zhǎng)，m；ρc為混凝土板的密度，t/m3；ρw為水的密度，t/m3；

計(jì)算可得t=7.1 cm，依據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合類似工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)護(hù)坡砼板主壩段厚度取15 cm。

（2）方案二：干砌卵石護(hù)坡

干砌卵石護(hù)坡厚度由波浪壓力及壓力按式（2）計(jì)算：

式中：D為石塊換算球型直徑，m；Q為石塊質(zhì)量，t；D50為石塊平均粒徑，m；t為護(hù)坡厚度，m；Kt為隨坡率變化系數(shù)；ρk為塊石密度，t/m3；ρw為水的密度t/m3。

經(jīng)計(jì)算可得t=23.5 cm，依據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合類似工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)干砌卵石厚度取50 cm。

（3）護(hù)坡方案比選

混凝土護(hù)坡外形美觀，抗沖、耐久性較好，施工質(zhì)量易于保證，且運(yùn)行管理、維護(hù)修補(bǔ)較為便利；缺點(diǎn)為抗凍性能較弱，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高。估算混凝土護(hù)坡方案直接投資為200.74 萬(wàn)元。

干砌卵石護(hù)坡適應(yīng)壩坡變形較好，施工簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理、維護(hù)修補(bǔ)方便，維護(hù)費(fèi)用低；缺點(diǎn)為易受水庫(kù)水位變化影響，造成淘刷破壞，引起不均勻沉陷，且卵石采集較為困難。估算混凝土護(hù)坡方案工程直接投資為276.53 萬(wàn)元。

綜上確定護(hù)坡形式采用混凝土板護(hù)坡。護(hù)坡內(nèi)外邊坡依據(jù)工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)，壩體穩(wěn)定邊坡為1∶2.5。綜合考慮邊坡穩(wěn)定、壩體滲流穩(wěn)定及現(xiàn)狀壩坡坡比，設(shè)計(jì)壩體上游邊坡坡比為1∶2.5，下游培厚壩體邊坡為1∶2。

2.4 壩頂構(gòu)造設(shè)計(jì)方案比選

卡爾塔水庫(kù)壩體為均質(zhì)土壩，壩頂處理采用防浪墻方案和土料填筑方案比選。

（1）方案一：防浪墻方案

在壩頂設(shè)置“L”型鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程為949.70 m，墻高2 m，底寬1.5 m，墻厚0.2 m，混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)為C25、F200、W6，墻頂高出壩頂1.2 m，防浪墻沿長(zhǎng)度方向每隔5 m設(shè)一道伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)止水。估算主壩段工程投資為857.72 萬(wàn)元，副壩段工程投資為477.13 萬(wàn)元。

（2）方案二：土料填筑方案

用土料將壩頂高程填筑至949.70 m，本方案設(shè)計(jì)最大壩高為5 m，壩頂高程為949.70 m，壩頂寬4 m，壩長(zhǎng)5838 m，上游壩坡為1∶2.5，下游壩坡為1∶2。估算主壩段工程投資為780.09 萬(wàn)元，副壩段工程投資為349.33 萬(wàn)元。

（3）方案比選

從工程量及投資比較，方案一投資較大；從施工比較，防浪墻方案涉及混凝土澆筑、鋼筋制安，工藝較填筑方案復(fù)雜。綜合考慮投資、施工周期、施工條件，設(shè)計(jì)采用土料填筑方案。

3 大壩滲流穩(wěn)定驗(yàn)證

為驗(yàn)證除險(xiǎn)加固方案的可靠性，需復(fù)核土體滲透變形形式，判斷壩體、壩基和下游出逸段的滲透穩(wěn)定性。

計(jì)算0+800、1+722、2+100、4+800 斷面，上游壩坡1∶2.5，壩頂寬4.0 m，下游壩坡1∶2.0。計(jì)算軟件采用Autobank6.1滲流分析模塊，采用有限元求解滲流場(chǎng)的拉普拉斯方程計(jì)算，見(jiàn)式（3）。

式中：Kx、Ky為X、Y方向的滲透系數(shù)。

滲流穩(wěn)定計(jì)算工況采取下列水位組合：

（1）正常蓄水位（947.30 m）與下游相應(yīng)的最低水位；

（2）正常運(yùn)行+地震作用時(shí)壩坡穩(wěn)定最不利的情況。

針對(duì)壩體現(xiàn)狀和采取加固方案后在工況條件下分別計(jì)算，成果見(jiàn)表1。

計(jì)算工況位置現(xiàn)狀情況 除險(xiǎn)加固后J計(jì)算 [J]滲透穩(wěn)定性 J計(jì)算 [J]滲透穩(wěn)定性0+800壩坡出逸段 0.466 不穩(wěn)定 0.304 0.466 穩(wěn)定下游壩基 0.424 不穩(wěn)定 0.296 0.424 穩(wěn)定1+722壩坡出逸段 0.460 不穩(wěn)定 0.422 0.460 穩(wěn)定下游壩基 0.443 不穩(wěn)定 0.428 0.443 穩(wěn)定2+100壩坡出逸段 0.475 0.466 不穩(wěn)定 0.446 0.466 穩(wěn)定下游壩基 0.465 0.460 穩(wěn)定 0.324 0.460 穩(wěn)定4+00壩坡出逸段 0.460 不穩(wěn)定 0.203 0.460 穩(wěn)定下游壩基 0.443 不穩(wěn)定 0.313 0.443 穩(wěn)定

通過(guò)計(jì)算可知，采取除險(xiǎn)加固方案后，壩體壩基均由滲透不穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榉€(wěn)定。

4 結(jié)論

根據(jù)水庫(kù)存在的險(xiǎn)情和主要問(wèn)題，針對(duì)壩體、壩基防滲、護(hù)坡和壩頂構(gòu)造等內(nèi)容進(jìn)行了綜合比選，推薦除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)方案如下：

（1）鑒于壩基和壩體處理不到位，施工質(zhì)量不滿足規(guī)范要求，采取了開(kāi)挖截水槽并將壩體土工膜延伸至截水槽底部的防滲方案。

（2）鑒于壩頂高程不滿足要求，完成壩體加高培厚以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）鑒于壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，壩坡失穩(wěn)易造成坍塌滑坡，采取在上游坡面設(shè)1∶2.5的混凝土護(hù)坡，坡面板下鋪設(shè)30 cm厚防凍砂礫石墊層措施。

（4）鑒于壩體有發(fā)生管涌風(fēng)險(xiǎn)，采取在坡面墊層下設(shè)200 g/m2/0.5 mm復(fù)核土工膜措施。

經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，綜合比選得出的加固設(shè)計(jì)方案滿足滲流穩(wěn)定要求，其經(jīng)濟(jì)性與合理性也得到較好的平衡。