病險水庫除險加固工程設計研究

劉厚云

(貴州省遵義市習水縣水務局,貴州 遵義 564600)

0 引 言

隨著社會經濟的發展以及人口的增長,土木工程和水資源管理的需求不斷遞增,使水壩的建設與維護成為重要領域[1-2]。尤其在水壩的長期安全和穩定性維護方面[3-4],早期修建的水壩壩體由于安全性不足、滲水等問題,可能影響到水庫的正常運行和周邊地區的安全[5]。如何解決并克服這些問題,確保水壩的穩固性和安全性,是當前的主要關注點[6-8]。

本次研究的對象——習水縣塘房水庫,存在一些功能性問題,如壩體高度不足、滲水以及下游排水結構堵塞。其中,壩體高度不足問題刻不容緩,因為它可能對大雨后的洪水泄放帶來困擾[9];滲水問題可能影響壩體的穩定性;下游排水結構堵塞問題可能影響水庫的運行和下游地區的安全[10]。本次研究將對這些問題進行詳細的分析和研究,并尋找合理的加固方法。

1 習水縣病險水庫除險加固工程設計

1.1 習水縣塘房水庫工程概況與水文地質條件分析

塘房水庫位于習水縣大壩村,是具備供水和農灌功能的小(Ⅰ)型水利樞紐工程,修建于1958年,1972年開始蓄水。經過幾次修復、加固和改造,該水庫盡管存在一定安全問題,但基本能夠正常運行。由于下游有大量人口和土地,水庫安全至關重要。2018年,習水縣水利水電技術工作站委托遵義水利水電勘測設計院進行了安全評估,并于2019年完成復核報告。該報告顯示,水庫大壩存在壩頂灌木凹凸不平、頂高不足、抗洪能力不足、大壩與基礎滲漏、隧洞圍巖穩定性較差等問題。

在水庫運行管理現狀方面,雖有專門管理機構及人員,但存在一些管理上的問題[11-13]。如無管理房、通訊設施差、缺少工程安全監測設施等。滲漏和設施老化成為主要問題,給水庫運行帶來安全隱患。

塘房水庫坐落于赤水河二級、臨江河一級支流——兩叉河上,兩叉河流域面積12.5km2,塘房水庫壩址以上流域面積6.36km2。該區地形以溶蝕、侵蝕構成的中山地貌為主,流域植被良好,水土流失較少。該區屬亞熱帶季風氣候,濕潤溫和,有明顯的氣候垂直變化和強對流天氣。根據習水氣象站統計,年降水量為667.5～1 396.7mm,汛期降雨量占全年的76.5%,枯季降水量占23.5%,平均氣溫13.5℃。該區主要自然災害包括干旱、倒春寒、暴雨、冰雹、凝凍等。

在水庫相關的水文條件計算方面,首先計算徑流。根據習水氣象站1961-2017年的降水資料進行頻率計算,設計流域的多年平均降雨量為1 050mm。貴州省徑流系數圖表顯示,該區徑流系數為0.58,因此設計流域多年平均徑流深為610mm。塘房水庫流域多年平均徑流量計算結果388×104m3。加固后的水庫蓄水位正常,庫容155×104m3,興利庫容149×104m3。長系列調節計算涵蓋了塘房水庫壩址處1961-2017年的水量平衡分析計算?？紤]到生態水量、蒸發和滲漏損失,水庫多年平均可供水量為231×104m3。根據水量設計,該庫供水設計流量0.089m3/s、日變化系數1.3、多年平均供水量216×104m3。

該設計流域位于一般暴雨區,暴雨通常發生在5-8月份,最大日暴雨量181.2mm(發生于1968年5月21日)。該地區洪水以高峰值和集中的洪量為特點,洪水漲勢兇猛且通常在一天內結束。根據測站的暴雨資料,計算出24h暴雨量為93.4、77.4和89.5mm。綜合等值線圖的結果,設計流域最大24h暴雨估計在80mm左右?；诹曀畾庀笳颈┯旰蛥^域暴雨分布規律,確定設計流域暴雨值為90.0mm。根據短歷時暴雨強度公式,最大1h暴雨量S為41.0mm。

塘房水庫附近沒有歷史洪水數據,但根據2019年的洪水調查,水庫每年都會排洪,最高水位超過堤頂約0.5m。根據流域洪水特性和施工期的安排,提出在不同期間進行洪水計算的方案。分期設計洪水采用雨洪法計算,C1取0.34～0.50,分期設計暴雨及分期設計洪水成果見表1。

表1 氣象站分期設計暴雨頻率計算結果

在泥沙與淤泥方面,實測塘房水庫淤積高程約1 381.65m?？紤]到未來50年的運行,預計淤積高程增至1 383.12m。為了應對這種情況,放水口和死水位的高程將分別提升至1 383.00和1 384.00m,以滿足運行需求。

在工程地質方面的計算,測區位于云貴高原黔北山地與四川盆地過渡地帶,最高點為電廠山,高程1 661.2m;最低點為二郎河河床,高程628.0m。區內以碳酸鹽巖和碎屑巖為主,碳酸鹽巖區域呈現巖溶地貌,而碎屑巖地區則為構造侵蝕地形。主要河流有赤水河支流——臨江河及其支流。塘房河為臨江河的支流,其兩岸有沖洪積地貌。水庫區域內的地層情況見表2。

表2 水庫區域內地層劃分表

在地層方面,震旦系至二迭系均有出露,巖性主要是灰巖、白云巖等。地質情況顯示,水庫1998年曾因滲漏進行了帷幕灌漿處理,之后滲漏量減少。多年后,左岸再次出現滲漏,且隨著庫水位上升,滲漏增加。鉆探和物探結果顯示,原有塌陷處以及其他地方均存在滲漏現象。庫區主要問題是左岸庫首的滲漏,因其影響了水庫的蓄水能力,需要進行防滲處理。

1.2 習水縣塘房水庫除險加固方案設計

針對習水縣塘房水庫的現狀和周邊水文地質情況,設計針對性的除險加固方案。該水庫大壩為四級建筑物,根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001),最小安全系數取1.15。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306-2015),該水庫工程屬于地震基本烈度Ⅳ等,大壩建筑物為第4級,大壩抗震設防類別沒達到丁類,不需單獨設計抗震加固。設計中用到的技術規范包括《防洪標準》(GB 50201-2014)、《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001)、《溢洪道設計規范》(SL 253-2000)、《水工混凝土施工規范》(SL 677-2014)、《水利水電工程施工組織設計規范》(SL 303-2017)、《土壩灌漿技術規范》(SL 564-2014)。設計所需數據見表3。

表3 水庫除險加固方案設計數據

續表3

在大壩方面,大壩的安全問題如下:當前高程和超高均未達到標準,防洪能力不足。壩基漏水約0.3L/s,對大壩安全構成威脅。同時,下游存在路況和魚塘導致排水棱體排水不暢的問題,阻礙了大壩排水。針對上述問題,提出以下解決措施:上游按《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001)新建防浪墻,墻頂應高出壩頂1.0～1.2m;對壩基采取防滲帷幕灌漿處理,以應對壩基透水率較大問題。針對壩體滲透系數較大問題,壩面高程1 385.00～1 398.35m段采用壩面土工膜防滲,高程1 385.00m以下壩體采用充填灌漿,基礎采用帷幕防滲處理。針對上游壩坡干砌塊石護坡不滿足規范要求問題,拆除原有石護坡,置換成砼預制塊護坡,并夯實補齊壩體土料,灌注砼為C20;在排水體下游新建排水盲溝,以解決排水不暢問題。

關于溢洪道,主要問題在于溢流堰存在滲漏和泄水建筑物無法滿足規范,同時消力坎破壞嚴重,存在出水直沖河岸的情況。改造措施如下:對壩頂進行整治(包括增設防浪墻和整平壩頂),以滿足規范;加固側墻抗沖耐磨性能,其中提出的最佳方案為拆除已有建筑后,采用C30砼澆筑,底板厚30cm,側墻厚20cm;對破損的消力坎進行修復;清淤溢洪道并設置灌漿孔,同時拆除溢洪道附近的居民住宅,根據水流流態調整和拓寬側墻。

在放水建筑物方面,存在的問題包括滲漏嚴重,滲漏量隨庫水位上升而增大,對大壩安全有害;取水口高程不滿足未來50年的泥沙淤積要求;雖然雙向轉動閘門能夠正常啟閉,但由于使用年限長,出現銹蝕;啟閉房布局不合適,占據了大部分壩頂,導致沒有防洪搶險通道。為了解決上述問題,計劃進行以下改進:調整取水口高程;使用DN300PE管進行整修,加設蝶閥和閘閥室;采用C20砼封堵滲漏位置;更換雙向轉動閘門與進口攔污柵;對啟閉房進行重建,確保壩頂留出防汛搶險通道。

上面除險加固方案中,需要詳細闡述的是滲流穩定安全評價計算方法。按太沙基公式,計算滲流作用下土體發生滲透破壞的水利臨界坡降,具體公式如下:

icr=(Gs-1)/(1+e)

(1)

式中:icr為臨界坡降;Gs為土粒相對密度;e為土孔隙比。

壩體的實際滲透坡降J按式(2)計算:

式中:△h為水流測點與水面的高度差,m;L為混凝土水平方向上的長度,m。

即壩體計算出的實際坡降小于臨界坡降,認為壩體滲流穩定安全;反之,則認為滲流穩定具有風險。

2 習水縣病險水庫除險加固工程評價

按照設計的除險加固方案,對習水縣塘房水庫壩體進行處理加固后,針對除險加固后的水庫安全性、防滲能力等進行驗證。首先驗證除險加固后的壩坡結構穩定性,將本次收集和計算的工程基礎數據、水文地理數據,按照《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001)開展工況計算,結果見表4。由表4可知,在各種水文工況中,加固除險后的瑞典圓弧法壩坡最小安全系數均明顯大于上述規范設定的1.15閾值,表明大壩在各工況下的抗滑穩定性均滿足要求。

表4 壩坡穩定性計算結果

在除險加固方案施工中,混凝土材料的抗壓強度檢測結果見圖1。圖1中,橫軸為試塊在除險加固工程中的取樣位置,橫軸標注的數字后綴代表該位置試塊的混凝土抗壓強度設計值;縱軸為對應的單軸抗壓試驗測出的抗壓強度。由圖1可知,壩體、側墻、壩頂、放水建筑物、上游壩坡、排水盲溝的混凝土試塊7與28天齡期抗壓強度分別為26.18、38.62、26.59、26.48、39.18、17.74MPa及32.58、50.49、33.69、32.88、49.23、24.61MPa,均大于對應的設計值20、30、20、20、30、15MPa。

圖1 除險加固方案混凝土材料抗壓強度檢測結果

分析有抗滲作用的水泥材料的抗滲能力,并進行抗滲試驗,試驗結果見圖2。圖2中,不同圖線代表不同的水壓力。由圖2可知,在水壓低于1.0MPa時,在側墻和上游壩坡的試件隨著時間的滲水速度始終為0L/s;當水壓為1.0MPa后,兩位置出現數值處于0.2～0.4L/s范圍的滲水。之后隨著水壓增加,兩位置試塊滲水速度整體繼續增加。由此可見,除險加固方案的材料抗滲等級達到W8級,能滿足該工程的改造需求。

圖2 水泥抗滲試驗結果

最后驗證加固后的水壩滲透坡降,計算結果見圖3。圖3中,橫軸為混凝土水平方向上的長度也即水壩的寬度,縱軸為滲透坡降,實線、點劃線分別為實際坡降和臨界坡降,按式(2)、式(1)計算得到。由圖3可知,隨著水壩寬度的增長,計算出的臨界坡降不斷降低。當水壩寬度為習水縣塘房水庫的寬度3m時,計算出的實際坡降為0.34,遠小于0.90的臨界坡降。

圖3 加固后的水壩滲透坡降驗證

3 結 論

此次設計的除險加固方案測試結果顯示,在各種水文工況中,處理后的壩坡最小安全系數均明顯大于規范設定的1.15閾值。壩體、側墻、壩頂、放水建筑物、上游壩坡、排水盲溝試塊7與28天齡期抗壓強度分別為26.18、38.62、26.59、26.48、39.18、17.74MPa及32.58、50.49、33.69、32.88、49.23、24.61MPa,均大于對應的設計值20、30、20、20、30、15MPa。在水壓低于1.0MPa時,側墻和上游壩坡的試件隨著時間的滲水速度始終為0L/s。當水壩寬度為習水縣塘房寬度3m時,計算出的實際坡降為0.34,遠小于0.90的臨界坡降。研究表明,根據試驗數據設計的加固除險方案,能夠有效增強水壩的整體穩定性、抗滲水能力和抗洪能力。