張 娟

(韶關(guān)市水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 韶關(guān) 512000)

1 問題的提出

水庫安全事關(guān)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和公共安全。加快病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固，消除大壩安全隱患，是深化水庫管理體制改革，健全長效運(yùn)行管護(hù)機(jī)制，保障水庫安全運(yùn)行和效益發(fā)揮的有效措施[1]。遙田水庫位于廣東省新豐縣遙田鎮(zhèn)聯(lián)豐村境內(nèi)，距縣城約60km。該水庫始建于1976年，運(yùn)行至今已近46年，是一座以灌溉、供水為主，兼顧防洪、發(fā)電的小(1)型水利水電工程。水庫設(shè)計(jì)灌溉面積5362畝，供水人口規(guī)模為19380人，電站裝機(jī)容量為435kW。水庫投產(chǎn)運(yùn)行后，在防洪減災(zāi)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電以及水生態(tài)保護(hù)等方面都發(fā)揮了積極作用。由于近年來暴雨等極端天氣加劇，洪水災(zāi)害頻繁，導(dǎo)致水庫電站多次被淹，對(duì)樞紐安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。2018年遙田水庫大壩安全類別評(píng)為三類壩。為保證水庫防洪興利效益的正常、穩(wěn)定發(fā)揮，有效保障當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水需求，亟需對(duì)水庫開展除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。本文結(jié)合遙田水庫除險(xiǎn)加固實(shí)際，對(duì)小型水庫的加固要點(diǎn)進(jìn)行分析和探討。

2 工程概況及存在問題

2.1 工程概況

遙田水庫主要由大壩、溢洪道、輸水建筑物和下游二級(jí)電站等組成，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)；水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，施工洪水標(biāo)準(zhǔn)為枯水期5年一遇，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度。水庫調(diào)洪演算成果見表1。

表1 遙田水庫調(diào)洪演算成果表

2.2 存在問題

水庫安全評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，樞紐工程存在以下問題。

(1)大壩：①遙田水庫大壩現(xiàn)狀為均質(zhì)土壩，壩頂寬度為4.25m，不滿足相關(guān)規(guī)范要求；大壩上下游壩坡坡度較陡，經(jīng)復(fù)核計(jì)算，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。②大壩上游干砌石護(hù)坡腐蝕風(fēng)化嚴(yán)重，護(hù)坡質(zhì)量較差，基本不能防止波浪及雨水淘刷，影響壩坡安全；因壩體土料遭沖刷流失，下游壩坡排水溝內(nèi)部淤積且雜草叢生，其排水功能無法正常發(fā)揮(如圖1所示)。③根據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘察報(bào)告，壩體填筑質(zhì)量較差，土體整體呈松散—稍密實(shí)，壓實(shí)度不均勻，滲透系數(shù)不滿足SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定的數(shù)值。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查分析，壩基無嚴(yán)重的集中滲漏及滲透穩(wěn)定問題，但存在壩基繞滲問題，對(duì)壩體穩(wěn)定不利。④經(jīng)計(jì)算，大壩壩肩下游浸潤線的最高溢出點(diǎn)高于下游壩坡排水棱體頂高程，且大壩兩側(cè)壩肩未設(shè)排水棱體，不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。⑤上、下游壩坡均發(fā)現(xiàn)多處螞蟻筑巢現(xiàn)象。

(2)溢洪道：現(xiàn)狀溢洪道底板與側(cè)墻均置于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上，缺乏排水措施，且側(cè)墻墻身腐蝕風(fēng)化嚴(yán)重。

(3)輸水隧洞：①輸水隧洞洞身混凝土老化開裂、滲漏較嚴(yán)重，裂縫寬度不滿足規(guī)范要求。②現(xiàn)有輸水隧洞出水口漿砌石結(jié)構(gòu)存在裂縫，且下游輸水明渠段出水口基礎(chǔ)及消能設(shè)施已被山洪沖毀，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖已出露，影響大壩排水棱體的安全穩(wěn)定和大壩的正常運(yùn)行。③輸水隧洞進(jìn)水口攔污柵破爛、銹跡嚴(yán)重，斜拉閘門傳動(dòng)桿有生銹、防銹漆脫落現(xiàn)象。

(4)安全監(jiān)測：未設(shè)置大壩變形、位移及測壓管觀測設(shè)施，無法及時(shí)監(jiān)測大壩的安全性態(tài)。

3 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案

針對(duì)水庫的上述問題，擬在原址開展水庫除險(xiǎn)加固工作。加固工作應(yīng)在消除水庫樞紐病、險(xiǎn)情的前提下，充分利用現(xiàn)有建筑物，盡可能地降低工程造價(jià)。除險(xiǎn)加固工程內(nèi)容主要為：①對(duì)大壩壩體和壩基進(jìn)行防滲處理，并整修上游護(hù)坡、排水棱體和進(jìn)行白蟻防治；②溢洪道整修；③右壩廢棄輸水涵封堵；④左側(cè)輸水隧洞加固；⑤完善安全監(jiān)測設(shè)施等。

3.1 大壩加固

結(jié)合遙田水庫大壩存在的問題，采取的針對(duì)性加固措施有：①對(duì)大壩進(jìn)行防滲處理；②清除原干砌石護(hù)坡后現(xiàn)澆120mm厚C20砼面板護(hù)坡，護(hù)坡塊尺寸為4m×4m，塊上設(shè)排水孔；③上游壩腳新建阻滑墻，并利用清表干砌石壓腳；④下游壩坡排水棱體拆除表層風(fēng)化干砌石，并培厚干砌石2m；⑤對(duì)下游壩坡進(jìn)行白蟻防治。

3.1.1壩體防滲方案比選

大壩加固的核心問題為壩體防滲。防滲墻的厚度應(yīng)滿足抗?jié)B及耐久性要求，在滲透壓力作用下，其耐久性主要取決于機(jī)械力侵蝕和化學(xué)溶蝕作用。由于2種侵蝕破壞作用都與水力坡降密切相關(guān)，因此防滲墻的厚度應(yīng)根據(jù)其允許的水力梯度和承受的最大水頭以下式計(jì)算：

B=H/Jp=45/80=0.56m

(1)

式中，H—防滲墻承受的最大水頭，m；Jp—防滲墻的允許水力梯度(通常取Jp=80～100)。

防滲墻的厚度亦應(yīng)考慮便于施工。對(duì)于沖擊鉆造孔其墻厚不小于0.6m，對(duì)于液壓抓斗其墻厚不小于0.5m。參考已建的類似工程，防滲墻厚度最終確定為0.6m。結(jié)合地質(zhì)鉆探資料，大壩地基巖土層自上而下依次為第四系殘坡積層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化花崗巖。由于防滲墻的深度應(yīng)穿過強(qiáng)風(fēng)化巖層，并深入弱風(fēng)化花崗巖1m，故防滲墻的最大深度確定為45m。

防滲墻寬度和深度確定后，對(duì)以下3種防滲方案進(jìn)行比較：方案一(塑性砼防滲墻方案)，墻厚0.6m；方案二(普通砼防滲墻方案)，墻厚0.6m；方案三(壩體劈裂灌漿+壩基帷幕灌漿方案)，劈裂灌漿與帷幕灌漿共用一孔，灌漿孔雙排布置，其排距1m、孔距2.5m，以梅花形布置。不同方案比選見表2。由于大壩存在的主要問題是壩體浸潤線較高，以及下游壩坡、滲流不穩(wěn)定，因此大壩加固的關(guān)鍵就在于降低壩體浸潤線，確保下游壩坡滲流、穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。經(jīng)過方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選，并結(jié)合工程實(shí)際特點(diǎn)，壩體防滲方案選擇方案一(塑性砼防滲墻方案)。

表2 遙田水庫壩體防滲方案比選表

在塑性混凝土防滲墻配合比的選擇上，應(yīng)盡量使防滲墻的變形模量和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系調(diào)整至與周圍土層較接近，方可保證其無論在何種荷載作用下，其應(yīng)力較小且變形均勻，從而提高防滲墻的安全度。塑性混凝土的主要技術(shù)指標(biāo)為：抗壓強(qiáng)度R28=1.0～5.0MP；彈?！?00MPa；滲透系數(shù)：K≤10-7cm/s；滲透破壞比降≥300；坍落度為180～220mm；擴(kuò)散度為350～400mm；模強(qiáng)比為200～500；水膠比0.85～1.20。

3.1.2大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算

壩體防滲方案確定后，大壩滲流穩(wěn)定分析典型計(jì)算斷面如圖2所示。采用滲流有限元分析法進(jìn)行計(jì)算，分析工況主要包括4種：①上游正常蓄水位(234.70m)與相應(yīng)的下游水位(195.40m)；②上游設(shè)計(jì)洪水位(236.75m)與相應(yīng)的下游水位(195.40m)；③上游校核洪水位(237.38m)與相應(yīng)的下游水位(195.40m)；④上游庫水位由正常蓄水位(234.70m)降落至1/3壩高(218.74m)。滲流計(jì)算結(jié)果如表3。結(jié)果表明，大壩在各工況下浸潤線逸出點(diǎn)高程均低于排水棱體頂高程，能有效地防止壩坡發(fā)生凍脹破壞和滲透變形。

圖2 大壩滲流計(jì)算模型圖

表3 大壩滲流計(jì)算成果表

3.1.3壩坡穩(wěn)定計(jì)算

壩坡穩(wěn)定計(jì)算斷面亦如圖2所示。對(duì)于土壩，其壩坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告中的土工試驗(yàn)成果并參考類似工程確定，反濾體的物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)相應(yīng)規(guī)范并結(jié)合同類工程經(jīng)驗(yàn)值確定[3]。壩體土樣抗剪參數(shù)通過飽和慢剪試驗(yàn)獲得，凝聚力、內(nèi)摩擦角均取為地勘建議值。由于大壩為均質(zhì)土壩，故選擇計(jì)及條塊間作用力的簡化Bishop法計(jì)算壩坡的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定[4]。分析工況同上述滲流穩(wěn)定工況，穩(wěn)定計(jì)算成果見表4。結(jié)果表明，各工況下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表4 壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

3.1.4白蟻防治設(shè)計(jì)

由于大壩運(yùn)行年限較長，存在白蟻隱患。根據(jù)廣東省水利廳頒布的DB44/T 2282—2021《水利工程白蟻防治技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，堤壩工程擴(kuò)建或除險(xiǎn)加固時(shí)必須對(duì)原堤壩內(nèi)的白蟻隱患進(jìn)行全面的檢查和徹底處理。結(jié)合水庫大壩蟻害實(shí)際情況，設(shè)計(jì)擬采用水利部推廣的“找標(biāo)殺、找標(biāo)灌、找殺(防)”措施(共3個(gè)環(huán)節(jié)、9道工序)，即通過找準(zhǔn)白蟻經(jīng)常出現(xiàn)的位置并誘殺白蟻，同時(shí)對(duì)蟻穴進(jìn)行回填粘土和灌漿處理，不僅可根治白蟻危害，同時(shí)灌實(shí)后還可加固大壩，確保水庫安全運(yùn)行。

3.2 溢洪道加固

針對(duì)溢洪道存在的現(xiàn)狀問題，在滿足結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定要求的前提下，擬對(duì)擋墻進(jìn)行修復(fù)，即鑿除原表層水泥砂漿后采用M12.5水泥砂漿重新抹面，并增設(shè)臨壩側(cè)安全護(hù)欄。

3.3 右壩廢棄輸水涵封堵

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，右壩廢棄輸水涵于上世紀(jì)90年代進(jìn)行過封堵，距今時(shí)間久遠(yuǎn)，其封堵質(zhì)量不好，且在水位較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。右壩廢棄輸水涵的封堵措施為：在進(jìn)口處開挖出輸水涵管，并對(duì)涵管內(nèi)灌水泥漿堵實(shí)，堵實(shí)長度為73.3m；外部新建C20砼截水墻對(duì)右壩廢棄輸水涵進(jìn)行封堵，截水墻長2.8m、厚1m、高3.3m。

3.4 左壩輸水隧洞加固

輸水隧洞位于壩體左側(cè)，其洞長150m，斷面為城門洞式(底寬0.9m、高1.5m)。針對(duì)輸水隧洞現(xiàn)狀問題，其加固措施為：在進(jìn)口處更換斜拉閘閘門和斜拉桿，并新建消力井；下游出水口段新建消力池，兩側(cè)新建C20砼擋墻；輸水隧洞出口段在高程204.41m處新建C20鋼筋砼底板并與現(xiàn)狀輸水隧洞出口段銜接，同時(shí)在高程198.39m處分級(jí)放坡，自下而上坡比分別為1∶4.5、1∶3；在高程194.02m處新建C20砼消力池，消力池長10m、寬3.5m，消力坎高1.3m，并在消力池兩側(cè)新建C20砼側(cè)墻。

3.5 安全監(jiān)測設(shè)計(jì)

3.5.1安全監(jiān)測原則

為了確保大壩安全運(yùn)行，有必要對(duì)主要建筑物設(shè)置完善的安全監(jiān)測設(shè)施。安全監(jiān)測布置遵循以下原則：①應(yīng)能全面、準(zhǔn)確地反映建筑物在施工期、蓄水期及運(yùn)行期的實(shí)際工作狀態(tài)。②應(yīng)結(jié)合影響大壩安全的主要問題，有針對(duì)性地設(shè)置監(jiān)測項(xiàng)目和布置監(jiān)測儀器。對(duì)于重要監(jiān)測斷面或重點(diǎn)監(jiān)測項(xiàng)目，宜采用2種以上的監(jiān)測手段。③應(yīng)選擇性能穩(wěn)定可靠、量程和精度滿足監(jiān)測要求的監(jiān)測儀器和設(shè)備。采用的監(jiān)測方法應(yīng)技術(shù)成熟，便于操作[5]。④宜采用先進(jìn)技術(shù)或?yàn)楹笃诩夹g(shù)改進(jìn)留有余地。若采用自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備，同時(shí)應(yīng)具備人工監(jiān)測條件。

3.5.2安全監(jiān)測范圍及方式

遙田水庫安全監(jiān)測范圍包括壩體、壩肩以及對(duì)大壩安全有重大影響的近壩區(qū)岸坡和其他建筑物、設(shè)備等。監(jiān)測方式主要包括人工巡視檢查和儀器監(jiān)測，其中巡視檢查主要針對(duì)施工期、運(yùn)行期水庫的各主要建筑物進(jìn)行，分為日常、年度、特殊情況下的巡視檢查等。

(1)大壩變形監(jiān)測：傳統(tǒng)的變形變監(jiān)測是在監(jiān)測區(qū)建立控制網(wǎng)，使用精密測距儀和經(jīng)緯儀為主要手段，選擇控制網(wǎng)中高等級(jí)點(diǎn)建立統(tǒng)一基準(zhǔn)，將這些監(jiān)控網(wǎng)點(diǎn)與各部位的獨(dú)立基準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測，從而形成整體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[6]。目前，GNSS精密定位技術(shù)已在大地測量、地殼形變監(jiān)測、精密工程測量等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和普及，其具有全天候作業(yè)及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化傳輸、管理和分析的特點(diǎn)[7]。因此，大壩變形監(jiān)測選用GNSS監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)SL 551—2012《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[8]規(guī)定，監(jiān)測縱斷面一般不少于4個(gè)；監(jiān)測橫斷面間距在壩軸線長度小于300m時(shí)，宜選取20～50m；當(dāng)壩軸線長度大于300m時(shí)，宜選取50～100m。結(jié)合上述布設(shè)原則，水庫變形監(jiān)測縱斷面選取4個(gè)，橫斷面則根據(jù)壩長及壩體結(jié)構(gòu)類型確定。

(2)大壩滲流監(jiān)測：壩體滲流監(jiān)測項(xiàng)目包括揚(yáng)壓力、滲流壓力、滲流量、繞壩滲流和水位監(jiān)測等。揚(yáng)壓力、繞壩滲流須采用埋設(shè)測壓管及滲壓計(jì)監(jiān)測；滲透壓力、水位可采用滲壓計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。

4 結(jié)語

在系統(tǒng)梳理遙田水庫樞紐工程的現(xiàn)狀問題基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)性的水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案。本文形成主要結(jié)論如下：

(1)經(jīng)計(jì)算，大壩防滲墻厚度確定為0.6m，最大深度為45m，通過方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選后選擇塑性砼防滲墻方案。防滲方案確定后，大壩的滲流穩(wěn)定、壩坡穩(wěn)定計(jì)算均滿足規(guī)范要求。

(2)通過選用GNSS監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行大壩變形監(jiān)測，能全面反映大壩在施工期、蓄水期及運(yùn)行期的工作狀態(tài)。

(3)工程實(shí)踐表明，通過實(shí)施有效的除險(xiǎn)加固治理，可充分發(fā)揮水庫的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益，保障當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全，并進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。該工程可為我國類似的小型水庫除險(xiǎn)加固積累建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。