林 昱

(福建省南平市水利局，福建 南平 353100)

1 大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)概述

1.1 工程概況

南坑水庫位于建陽區(qū)崇雒鄉(xiāng)官田自然村，所在河流為后崇溪支流橫源溪。工程于1981年3月動(dòng)工，1982年4月建成。壩址以上集雨面積1.13km2，主河道長(zhǎng)0.99km，坡降121.9‰。水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計(jì)洪峰流量23.59m3/s，設(shè)計(jì)洪水位343.08m；水庫校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，校核洪峰流量33.20m3/s，校核洪水位343.26m。水庫樞紐由大壩(含非溢流段和溢流段)及放水涵管組成。大壩為漿砌石圓拱壩，壩體為水泥砂漿砌毛塊石，壩頂高程344.23m，未設(shè)防浪墻，最大壩高15.27m，壩頂中心線弧長(zhǎng)65.00m，壩頂寬度0.80m；溢流壩設(shè)置在壩體中部，采用漿砌石結(jié)構(gòu)，為矩形堰。堰頂分為三段，中段堰頂高程為342.15m，長(zhǎng)9.40m；兩邊堰頂高程為342.75m，合計(jì)長(zhǎng)11.20m，溢流壩總凈長(zhǎng)20.60m，溢流型式為開敞式壩頂自由溢流，壩腳為漿砌塊石護(hù)底，未設(shè)消能工；放水涵管埋設(shè)于大壩右側(cè)壩體內(nèi)，為有壓鋼筋混凝土管，內(nèi)徑0.40m，進(jìn)口底高程為331.45m，涵管末端采用DN400閘閥控制放水，最大放水量1.49m3/s。水庫興利庫容20.64萬m3，死庫容0.50萬m3，總庫容25.08萬m3。南坑水庫是一座以灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、防洪的小(2)型水庫。

1.2 水文氣象

南坑水庫所在流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，光熱資源豐富，冬短夏長(zhǎng)，氣候宜人，靜風(fēng)多，溫差大，雨季集中，年平均氣溫18.1℃，無霜期322天，年平均降雨量1742mm，年日照平均1802h，適宜動(dòng)植物生殖繁衍，有“嘉禾之鄉(xiāng)”美稱。

1.3 工程地質(zhì)

根據(jù)鉆孔揭示，壩基巖土體分布及性能特征自上而下分述如下(見圖1)：

a.坡積黏性土(Qdl)。褐黃色、灰褐色，可塑狀，以黏粒、粉粒及砂粒為主，無搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度、韌性中等，坡積形成。

b.全風(fēng)化凝灰熔巖(Kz2)。紅褐色，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，巖石為極軟巖，巖體極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，該層未見軟弱夾層、洞穴、臨空面等。

c.砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖(Kz2)。黃褐、紅褐色，原巖組織結(jié)構(gòu)大部分破壞，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，長(zhǎng)石已大部分風(fēng)化成土狀，巖芯呈砂土狀，手捏即散，遇水易軟化崩解，巖體極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，該層未見軟弱夾層、洞穴、臨空面等。

d.碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖(Kz2)?；液稚瓗r組織結(jié)構(gòu)大部分破壞，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，長(zhǎng)石未完全風(fēng)化，巖芯呈碎塊狀，錘擊易碎，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，塊體已通體風(fēng)化，礦物成分明顯已風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，該層未見軟弱夾層、洞穴、臨空面等。

e.中風(fēng)化凝灰熔巖(Kz2)?；尹S色，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石風(fēng)化裂隙很發(fā)育，主要礦物為長(zhǎng)石、石英，巖芯呈塊狀—短柱狀，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD=30%～80%。完整程度為較破碎—較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ類，該層未見軟弱夾層、洞穴、臨空面等。

圖1 水庫工程地質(zhì)斷面

1.4 大壩加固的必要性

目前，南坑水庫有效灌溉面積300畝，水庫下游涉及一個(gè)村莊140人，電站裝機(jī)2×50kW。為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全發(fā)揮了重要的作用。水庫自蓄水以來，雖然進(jìn)行過簡(jiǎn)單的加固處理，但沒有實(shí)質(zhì)性效果，仍存在較多隱患，處于病險(xiǎn)狀況，無法正常運(yùn)行。因此，南坑水庫必須盡快進(jìn)行加固處理，消除隱患，確保水庫安全運(yùn)行。

1.5 大壩存在的主要問題

《建陽區(qū)南坑水庫大壩安全鑒定報(bào)告書》確定南坑水庫工程存在的主要問題有：大壩為漿砌毛塊石，現(xiàn)狀壩體砂漿勾縫脫落嚴(yán)重，下游面部分段長(zhǎng)滿雜草；溢流壩段下游面多處有白色游離鈣沉積物析出，總面積約100m2，堰頂未設(shè)工作橋，下游未設(shè)消能設(shè)施；壩頂寬度偏小，且壩頂上、下游側(cè)均未設(shè)防護(hù)設(shè)施；放水涵管閘閥位于地面以下，銹蝕嚴(yán)重，已損壞，不能關(guān)閘蓄水，出口無閥門室；大壩未安裝水工、水文監(jiān)測(cè)設(shè)施，未設(shè)管理房；上壩道路坡度陡、路況極差、破損嚴(yán)重，車輛無法到達(dá)壩頭。

2 大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

2.1 壩基防滲加固設(shè)計(jì)

大壩河床壩基主要落于中風(fēng)化凝灰熔巖上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)成果，中風(fēng)化凝灰熔巖透水率為2.76～3.94Lu，屬弱透水性，因此，壩基滲漏問題較小。兩岸壩肩坡積黏性土、全風(fēng)化凝灰熔巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖為中等透水層，導(dǎo)致兩岸存在壩基滲漏隱患。

根據(jù)壩基滲漏問題，結(jié)合壩基地質(zhì)情況，采用兩岸壩肩下游面基巖帷幕灌漿結(jié)合殘積土層高壓旋噴樁防滲方案(見圖2)。

a.大壩下游面沿著壩腳基礎(chǔ)開挖至設(shè)計(jì)高程，并清理開挖斷面。

b.采用C15埋石混凝土澆筑混凝土壓漿蓋板，蓋板沿壩基底線成傾斜布置。結(jié)合下游壩面埋石混凝土加固培厚，預(yù)先澆筑一層C15埋石混凝土蓋板，厚2.0m，作為帷幕灌漿壓漿蓋板用。

c.灌漿孔布置在壓漿蓋板上，沿著壩軸線方向布置一排灌漿孔，按二序加密施工，一序孔距6m，最終孔距3m，鉆孔深入中風(fēng)化層3m。

d.對(duì)兩岸壩肩殘積土層采用高壓噴射混凝土防滲墻，孔距0.5m，成樁直徑0.6m，搭接厚度0.35m。高壓旋噴樁深入全風(fēng)化0.5m，與灌漿帷幕結(jié)合形成一道封閉的防滲墻。

e.灌漿材料采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5。使用前必須對(duì)進(jìn)場(chǎng)的水泥進(jìn)行隨機(jī)抽樣檢驗(yàn)，符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的才允許使用。

f.鉆孔。帷幕灌漿孔位與設(shè)計(jì)孔位偏差值不得大于10cm，孔徑不得小于46mm，孔底偏差不得大于25cm。鉆孔結(jié)束后需進(jìn)行沖洗，直至孔口返清水。

g.帷幕灌漿壓力應(yīng)根據(jù)工程和地質(zhì)情況進(jìn)行分析計(jì)算并結(jié)合工程類比擬定，必要時(shí)進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，并在施工過程中調(diào)整確定，本工程灌漿壓力初步可采用0.3～0.5MPa，但是灌漿時(shí)不得抬動(dòng)混凝土壓漿蓋板和壩基巖體。

h.帷幕灌漿檢查孔的數(shù)量為灌漿孔總數(shù)的10%左右，檢查孔壓水試驗(yàn)應(yīng)在灌漿結(jié)束14天后進(jìn)行，檢查孔各段透水率應(yīng)小于5Lu。

圖2 大壩防滲加固斷面

2.2 大壩壩體加固設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，壩體最大拉應(yīng)力大于允許值，最大壓應(yīng)力小于允許值；拱端對(duì)壩基的推力值大于壩基承載力特征值，拱壩應(yīng)力不滿足要求。高水位運(yùn)行時(shí)左右擋水壩段下游面存在明顯滲濕現(xiàn)象，溢流壩段下游面局部有白色游離鈣沉積物析出，說明壩體砌筑質(zhì)量較差，局部存在滲漏。

本次加固采用壩體背水面C15埋石混凝土培厚處理，同時(shí)解決壩體應(yīng)力不滿足要求及滲漏的問題(見圖3和圖4)。具體設(shè)計(jì)如下：

a.對(duì)下游原壩面進(jìn)行鑿毛，并用高壓水槍沖洗干凈。

b.背水面采用C15埋石混凝土培厚，與蓋板接觸時(shí)須對(duì)蓋板鑿毛并先澆筑一層混凝土，然后分層鋪筑石塊，培厚體下游坡比為1∶0.7，將原拱壩改造為重力式拱壩。

c.按3m分層澆筑，施工時(shí)按0.3～0.6m的澆搗層連續(xù)澆筑，上下澆筑塊之間間歇3～7天。

圖3 非溢流段加固斷面

圖4 溢流段加固斷面

d.對(duì)施工的要求。完成壩基壓漿蓋板澆筑后進(jìn)行混凝土防滲面板的澆筑?；炷翑嚢钑r(shí)間要達(dá)到要求，澆注振搗要全面充分，振搗至表面充分泛漿、混凝土不再下沉、不再冒大的氣泡，就可以停止振搗。模板架立要穩(wěn)固、嚴(yán)密，不允許出現(xiàn)脹模和爆模以及漏漿現(xiàn)象，拆模后不得有超出規(guī)范規(guī)定的蜂窩麻面和空洞以及露筋等現(xiàn)象。另外施工冷縫處理要按規(guī)范進(jìn)行，即必須將連接面混凝土進(jìn)行鑿毛清洗后才能澆注新混凝土。

2.3 重力墩加固設(shè)計(jì)

為了明確拱壩的結(jié)構(gòu)并且使壩體受力合理，對(duì)右岸重力墩進(jìn)行加大加固處理，具體加固方案如下：

a.對(duì)重力墩上、下游面基礎(chǔ)開挖，澆筑前需徹底清理和沖洗，打掉突出的尖角。

b.對(duì)重力墩上、下游面清除雜草、苔蘚，用高壓水槍沖洗干凈。

d.對(duì)長(zhǎng)2.4m的重力墩上、下游面采用C15混凝土加厚0.5m處理。澆筑前布置一層抗裂鋼筋網(wǎng)，其規(guī)格為φ10@200，焊接在錨桿上，鋼筋保護(hù)層厚度為35mm。

3 大壩除險(xiǎn)加固后大壩應(yīng)力和穩(wěn)定性復(fù)核

3.1 加固后大壩應(yīng)力復(fù)核

拱壩應(yīng)力計(jì)算采用浙江大學(xué)的ADAO拱壩分析與優(yōu)化軟件程序進(jìn)行。南坑水庫大壩壩址地震烈度小于6度，大壩為圓筒形漿砌石拱壩，厚高比B/H=0.124，屬薄拱壩。壩體采用漿砌毛塊石，上下游壩面采用水泥砂漿勾縫。

3.1.1 特征水位

校核洪水位343.26m，設(shè)計(jì)洪水位343.08m，正常蓄水位342.15m。

3.1.2 物理力學(xué)指標(biāo)

a.變形模量(根據(jù)巖性，自上而下)。全風(fēng)化巖層0.5GPa，砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖層3.9GPa，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層5.0GPa，中風(fēng)化巖層11GPa。泊松比0.25。

b.砌體參數(shù)。砌體容重2.25t/m3，彈性模量7GPa，線脹系數(shù)0.8×10-5/℃。

c.淤沙參數(shù)。淤沙高程331.45m，淤沙浮容重0.9t/m3，淤沙內(nèi)摩擦角20°。

3.1.3 溫度荷載

采用美國(guó)墾務(wù)局經(jīng)驗(yàn)公式：Tm=±57.57/(T+2.44)。

3.1.4 多拱梁法應(yīng)力控制指標(biāo)

應(yīng)力控制指標(biāo)采用《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 25—2006)規(guī)定指標(biāo)，80號(hào)毛石砌體允許的拉應(yīng)力：拱壩周邊為0.70MPa，其他部位為0.55MPa；壓應(yīng)力：基本組合為2.60MPa，特殊組合為3.00MPa。

拱壩壩體最大主拉應(yīng)力為0.7MPa，發(fā)生在死水位溫降工況，位于上游壩面高程342.15m左側(cè)拱端處；最大主壓應(yīng)力為1.46MPa，發(fā)生在校核洪水位位溫升工況，位于下游壩面高程342.15m右側(cè)拱端處。從復(fù)核計(jì)算來看，壩體最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力均沒有超過允許值，拱端對(duì)壩基的推力值小于壩基承載力特征值。因此，加固后的南坑水庫拱壩應(yīng)力能滿足規(guī)范要求(見表1)。

表1 各工況應(yīng)力計(jì)算成果匯總 單位：MPa

3.2 加固后壩肩穩(wěn)定性復(fù)核

采用單位高度的水平拱計(jì)算各個(gè)高程的壩肩基巖穩(wěn)定性，確定各個(gè)高程必須的壩肩堅(jiān)巖線范圍。按照《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)·第五冊(cè) 混凝土壩》式(22-5-3)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

N=HAcosθ-VAsinθ,Q=HAsinθ+VAcosθ

計(jì)算結(jié)果見表2和表3。

在地形圖上量取各層拱端下游巖體各滑裂面的實(shí)際堅(jiān)巖線長(zhǎng)度，與計(jì)算所需的堅(jiān)巖線長(zhǎng)度進(jìn)行比較。大壩加固后，左、右岸各高程拱肩巖體計(jì)算所需堅(jiān)巖線范圍均在實(shí)際堅(jiān)巖線范圍內(nèi)，理論上拱壩兩岸拱肩整體是滿足拱壩壩肩穩(wěn)定性要求的。這是由于壩體培厚使得建基面各項(xiàng)力系能均勻分布到基巖上，改善了壩體受力分布和巖體的傳力分布。

表2 左岸拱肩巖體抗滑穩(wěn)定復(fù)核成果

表3 右岸拱肩巖體抗滑穩(wěn)定復(fù)核成果

續(xù)表

3.3 加固后重力墩穩(wěn)定復(fù)核

根據(jù)《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，重力墩抗滑穩(wěn)定分析采用純摩公式計(jì)算，公式如下：

∑W=(Gy+Hy-U)

經(jīng)計(jì)算，重力墩底部最大壓應(yīng)力為93.29kPa，最小壓應(yīng)力為0.09kPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于重力墩墩底應(yīng)力的要求；各工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

南坑水庫大壩采用壩基帷幕灌漿結(jié)合壩體培厚的方案進(jìn)行加固處理，經(jīng)過大壩抗滑、穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，大壩穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，加固方案合理，2016年通過了水庫除險(xiǎn)加固工程的竣工驗(yàn)收。工程經(jīng)過近幾年運(yùn)行，大壩未見明顯滲漏現(xiàn)象，說明防滲效果較好，能夠解決壩體和壩基滲漏問題。