王 倩

(河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津 300250)

1 工程概況

某水庫總庫容13.25×104m3，屬小(Ⅱ)型水利水電工程，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級。根據(jù)實(shí)際測量資料，攔河壩壩型為黏土斜墻式，壩長273 m，現(xiàn)狀壩頂高程50.0 m，頂寬約2.3 m，壩體上游為干砌石護(hù)坡，壩坡坡比1∶2.5，下游無護(hù)坡，壩坡坡比1∶2；壩體材料分區(qū)為黏土斜墻區(qū)、砂礫料區(qū)和壤土區(qū)；壩基坐落在全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖上，裂隙發(fā)育，現(xiàn)場勘察該壩未見滲漏，但注水試驗(yàn)結(jié)果滲透系數(shù)為1.93×10-4～2.85×10-4cm/s，屬中等透水，分析原因認(rèn)為主要是壩基下巖石裂隙發(fā)育。原設(shè)計(jì)的洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇設(shè)計(jì)、300年一遇校核，經(jīng)復(fù)核，現(xiàn)狀壩頂高程不滿足該標(biāo)準(zhǔn)；除險(xiǎn)加固后設(shè)洪水標(biāo)準(zhǔn)取為20年一遇設(shè)計(jì)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)取為200年一遇，正常蓄水位為48.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為48.63 m，校核洪水位為48.87 m，汛限水位為48.00 m，死水位為43.00 m。

2 黏土心墻壩存在的主要問題

根據(jù)現(xiàn)場查勘，上游大部分干砌石護(hù)坡存在脫落、損壞的情況，下游無護(hù)坡；根據(jù)復(fù)核計(jì)算，壩頂高程不滿足防洪要求，下游壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

2.1 壩頂高程不滿足防洪要求

攔河壩壩頂高程不同運(yùn)用情況下的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同運(yùn)用情況下壩頂超高及壩頂高程計(jì)算成果表

由表1可知，設(shè)計(jì)洪水位情況時(shí)壩頂高程最大為50.076 m，設(shè)計(jì)壩頂高程取為50.1 m，本次實(shí)測壩頂高程約50.00 m，攔河壩壩頂高程不滿足防洪要求[1]。

2.2 黏土心墻壩下游壩坡穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求

2.2.1 基本資料

攔河壩為黏土斜墻式，壩頂高程為50.00 m，壩頂寬2.3 m，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2，壩體下游壩腳棱體排水失效。攔河壩壩軸線為曲線，壩基條件較均一，現(xiàn)狀壩頂高程變化不大，因此計(jì)算斷面采用攔河壩下游壩坡最陡的斷面為典型計(jì)算斷面。該區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g,相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，主要建筑物地震設(shè)計(jì)烈度為7度[2]。

2.2.2 壩體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

針對攔河壩進(jìn)行了地質(zhì)勘探和試驗(yàn)工作，在壩頂處布勘探孔并取樣，然后進(jìn)行了壩體及壩基材料物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，計(jì)算采用的壩體及壩基材料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2 壩體及壩基材料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

2.2.3 計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)[3]，攔河壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況見表3。

表3 攔河壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況表

2.2.4 計(jì)算結(jié)果

壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用圓弧法，按計(jì)條塊間作用力的簡化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算采用河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)(Autobankv7.0)[4]。攔河壩上下游壩坡各種工況下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見表4。

表4 攔河壩現(xiàn)狀壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表4可知，攔河壩現(xiàn)狀下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在正常工作條件和非常工作條件下均不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，需要對下游壩坡進(jìn)行貼坡放緩處理。

3 黏土斜墻壩除險(xiǎn)加固

針對攔河壩工程存在的主要問題，黏土斜墻壩加固項(xiàng)目包括黏土斜墻加高、壩頂改造、上游干砌石護(hù)坡翻修、下游壩坡貼坡放緩等。

由地質(zhì)勘測成果可知，壩基座落在全風(fēng)化混合花崗巖上，巖芯呈砂土狀。滲透系數(shù)為1.93×10-4～2.85×10-4cm/s，屬中等透水。全風(fēng)化混合花崗巖為黏土斜墻壩基礎(chǔ)，地質(zhì)條件較好，故本次除險(xiǎn)加固不再進(jìn)行壩基防滲處理。

3.1 壩頂改造

3.1.1 黏土斜墻加高

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)[3]，土質(zhì)防滲體頂部在正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位以上的超高，對于斜墻，超高取值為0.80～0.60；非常運(yùn)用條件下，防滲體頂部不應(yīng)低于非常運(yùn)用條件的靜水位?，F(xiàn)狀斜墻高程為47.96 m，小于正常蓄水位48.0 m和設(shè)計(jì)洪水位48.63 m的超高及校核洪水位48.87 m，即在正常、非常運(yùn)用條件下均不滿足規(guī)范要求，需對其進(jìn)行加高處理。本次加固設(shè)計(jì)采用的洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年設(shè)計(jì)、200年校核，所需斜墻高程計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 斜墻加高計(jì)算成果表

綜合表5結(jié)果，最終確定斜墻從47.96 m加高至49.2 m。

對于斜墻加高的處理措施，本次進(jìn)行了黏土接高斜墻和垂直鋪塑兩方案的比選。兩方案施工工序均為開挖壩頂至原斜墻防滲體，回填壩體土至壩頂高程。采用土工膜接高斜墻方案，結(jié)合部位銜接較繁瑣，容易形成滲漏通道，施工中土工膜也容易破損；而采用黏土接高斜墻，施工簡單，土體間結(jié)合較好。根據(jù)以上分析，選用黏土接高斜墻方案。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)[3]規(guī)定，黏土斜墻加高土料采用黏土，其滲透系數(shù)要求小于1×10-5cm/s，壓實(shí)度不應(yīng)小于96%。

3.1.2 壩頂路改建

改建后，壩頂高程50.1 m，壩頂寬3.0 m。路面上下游均設(shè)C25W4F200預(yù)制混凝土路緣石，尺寸50 cm×10 cm×30 cm(長×寬×高)，頂部與路面齊平。壩頂路面為厚20 cm的泥結(jié)碎石路面，寬2.0 m。

3.2 上游護(hù)坡翻修

根據(jù)壩體實(shí)測斷面資料，攔河壩上游壩坡坡比為1∶2.5?？够€(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明，各種工況下，上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。但是現(xiàn)狀上游干砌石護(hù)坡大部分脫落、損壞，本次除險(xiǎn)加固對死水位43.0 m以上損壞部位按原結(jié)構(gòu)局部翻修。首先，對上游干砌石護(hù)坡進(jìn)行拆除；然后，進(jìn)行壩坡清表；最后，對上游壩坡進(jìn)行干砌石護(hù)坡，厚30 cm，其下鋪設(shè)厚15 cm的砂礫石墊層。

3.3 下游壩坡整治

根據(jù)現(xiàn)場勘察，攔河壩下游無護(hù)坡；現(xiàn)狀壩頂寬2.3 m，下游壩坡1∶2。經(jīng)過對現(xiàn)狀下游壩坡抗滑穩(wěn)定復(fù)核發(fā)現(xiàn)，各種工況下的下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于規(guī)范要求，故為保證下游壩坡安全，本次加固對攔河壩下游壩坡進(jìn)行貼坡放緩處理。根據(jù)壩體實(shí)測斷面，對下游壩坡采用壤土回填，壓實(shí)度不應(yīng)小于96%，達(dá)到坡比1∶2.3，下游壩坡回填范圍為現(xiàn)狀坡底高程41.9 m至壩頂高程50.1 m，沿壩軸線長度約171 m。下游貼坡壤土施工碾壓后壓實(shí)度不應(yīng)小于96%。

對下游護(hù)坡方案進(jìn)行單層干砌石護(hù)坡和草皮護(hù)坡兩種方案比選。單層干砌石方案護(hù)坡厚30 cm，下設(shè)厚10 cm碎石墊層；草皮護(hù)坡方案采用在下游壩坡上種植本地植物爬地草或矮草。經(jīng)計(jì)算，單層干砌石護(hù)坡方案直接工程投資27.1萬元，草皮護(hù)坡方案3.4萬元，兩方案相比草皮護(hù)坡投資較??；同時(shí)考慮到該護(hù)坡方案施工簡便，日常維護(hù)工作量小，而且可以美化環(huán)境，與周圍景色能溶為一體，經(jīng)綜合分析，改建后下游壩坡表面采用草皮護(hù)坡方案。

3.4 加固后壩坡穩(wěn)定計(jì)算

本次對攔河壩除險(xiǎn)加固主要是對下游壩坡放緩回填，上游干砌石護(hù)坡整治，黏土斜墻加高，壩頂修建泥結(jié)碎石路面和路緣石。針對加固后的典型斷面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

攔河壩下游壩坡各種工況下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見表6，加固后壩體標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見圖1，壩坡最危險(xiǎn)滑弧見圖2-圖4。

表6 加固后攔河壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

圖1 加固后黏土斜墻壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

圖2 加固后攔河壩設(shè)計(jì)水位下游壩坡最危險(xiǎn)滑弧

圖3 加固后攔河壩校核水位壩坡最危險(xiǎn)滑弧

圖4 加固后攔河壩正常蓄水位+7度地震下游壩坡最危險(xiǎn)滑弧

由表6可知，攔河壩加固后，各種工況下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.5 壩基水平滲流坡降復(fù)核

3.5.1 壩基水平滲流坡降復(fù)核

攔河壩為黏土斜墻壩，壩基水平滲流坡降按下式計(jì)算：

式中：ΔH為上下游水位差，m；l為壩基滲徑長，m。

經(jīng)計(jì)算，正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位情況下，壩基最大水平滲流坡降J分別為0.112、0.123和0.128，小于壩基允許水平滲流坡降[J]=0.25。

3.5.2 壩坡出逸坡降

滲流在攔河壩坡面逸出，下游壩坡不發(fā)生流土的條件：

式中：θ為壩坡坡角，θ=23°；φ為壩體土的內(nèi)摩擦角，采用本次勘探試驗(yàn)結(jié)果；c為壩體土黏聚力，采用本次勘探試驗(yàn)結(jié)果c=1.7 t/m2。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)實(shí)際工程的地質(zhì)勘察成果及現(xiàn)場查勘、檢查資料，結(jié)合計(jì)算分析，明確黏土斜墻壩實(shí)際存在的安全隱患，通過方案對比，采用Autobank軟件進(jìn)行復(fù)核計(jì)算分析，確定了黏土斜墻壩具體的除險(xiǎn)加固方案，為類似壩型除險(xiǎn)加固提供了參考與借鑒。