水庫除險加固設計探析

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摘要：芒勇水庫大壩為兩期建成的漿砌石單曲拱壩，因建成時期技術落后，存在不同程度的安全隱患。為了消除水庫病害，針對水庫大壩存在的險情，設計采取增加壩頂防浪墻、對左岸進行帷幕灌漿、更換閘門及啟閉機等除險加固技術方案處理水庫大壩存在的問題。經實施效果評價，設計技術方案合理，達到除險加固目的。

關鍵詞：除險加固設計;技術方案

1.工程簡況

芒勇水庫位于貴州省三都縣境內，屬珠江流域柳江水系打狗河上游支流河段，壩址以上集雨面積86.2km2，是一座以農田灌溉為主，兼顧農村人飲任務的綜合利用水利工程。水庫總庫容2049萬m3，灌溉面積4.47萬m3，工程規模為中型。水庫始建于1978年，1979年停建。1989年復建，1995年建成蓄水。擋水大壩為漿砌石單曲拱壩，最大壩高32.0m，壩頂高程852.00m，壩頂寬5.0m，壩頂弧長169.5m。泄洪建筑物形式為壩頂泄洪，采用挑流鼻坎消能，溢流堰頂高程848.10m。放水建筑物形式為岸邊塔式取水、左岸隧洞放水，設計放水流量4.0m3/s，取水口設閘門控制放水。大壩座落在三疊系新苑組（T2x）青灰色含鈣質頁巖夾細粒砂巖地層之上，壩基巖體為CIII1、CIII2類，總體屬軟質巖，遇水易軟化，抗風化能力弱，工程地質條件較差。

2.水庫大壩存在的主要問題

2.1大壩安全超高復核

結合工程規模和《防洪標準》的規定，本工程設計洪水標準采用50年一遇（P=2%），校核洪水標準采用500年一遇（P=0.2%）。經調洪演算，大壩設計洪水位為850.23m，校核洪水位為850.96m。根據《漿砌石壩設計規范》中關于非溢流壩壩頂超高的計算公式（△h=2h1+h0+hc）計算，本工程△h=0.71+0.2+0.3=1.21m。現壩頂高程為852.00m，壩頂滿足規范要求，但加上安全超高1.21m后，防浪墻頂應為852.17m高程，而大壩無防浪墻，不滿足安全超高要求。

2.2庫首左岸滲漏分析

庫首左岸出露地層為T2x青灰色含鈣質頁巖與細粒砂巖互層，分水嶺山體單薄，且有與壩區河谷呈平行發育的低鄰谷，水平距離180m，水位落差28m，水力比降15.6%。左岸鄰谷有大片沼澤濕地和漏水點，總漏水量為10L/s。據鉆探揭示，左岸山體節理裂隙發育，巖層強風化厚度達15.0-19.0m，地下水位低于正常水位12.5m，庫首左岸存在鄰谷滲漏問題。

2.3壩體滲漏分析

運行中發現早期老壩體浸潤嚴重，局部形成射流，后期壩體局部也存在浸潤。鉆孔壓水試驗表明，壩體高程838.0m以上透水率一般小于3Lu，局部大于5Lu；高程838.0m以下的老壩體透水率一般為5-10Lu之間，局部大于10Lu，滲透性明顯較大。分析認為，壩體分兩期建成，早期壩體膠結材料為砂漿，受施工技術水平限制，形成壩體的空隙較大；后期壩體膠結材料為砼，情況有所改善，但局部仍存在空隙大的問題。

2.4壩基滲漏分析

現場調查發現，壩腳和左右壩肩共有明顯漏水點4處，范圍較大的浸潤4處，總滲漏量達2.3L/s。室內試驗表明，壩基含鈣質頁巖遇水軟化后，強度指標降低達47%左右。分析認為，壩基巖層雖屬隔水層，但因受區域構造和風化作用的影響，節理裂隙發育，巖體破碎，裂隙相互連通形成庫水的滲漏途徑，一般滲漏量較小，范圍分散。原設計未作固結灌漿和帷幕灌漿處理，致使壩基滲漏量逐年加大。

2.5泄洪沖刷計算

溢洪道位于壩頂中部，泄洪沖刷區出露基巖為軟質巖，遇水易軟化，抗沖刷能力差，沖刷系數1.8。經現場測量，沖坑深度已達5.0m，壩后開始形成臨空面。利用《水力學計算手冊》中的沖刷計算公式對泄洪挑流及下游沖坑穩定進行復核，結果顯示，沖坑最深點距壩趾距離30.1m，最大沖坑深度13.7m，沖坑后坡坡比i=1：2.2，大于穩定要求的ik=1：2.5，因此，可判斷沖坑后坡影響壩基的安全穩定。

2.6放水隧洞漏水分析

放水隧洞位于左岸，總長146.5m，斷面為城門洞型，寬×高為2.3m×2.3m，采用M5漿砌石襯砌，厚50cm，側墻和頂拱用厚6cm的C15鋼絲網砼防滲，底板用厚5cm的C10砼防滲。運行中發現，洞內和出口周邊漏水嚴重，洞內漏水點集中在進口0-50m范圍內，漏水量達200L/s，隧洞出口周邊漏水量達100L/s。分析認為，因施工技術原因，隧洞施工時對圍巖的擾動較大，成型斷面不規則，掉塊嚴重。據勘測，進口段多處裂縫漏水，洞頂掉塊局部最大高度達3.1m，底板因高程錯誤回填有80cm厚的石渣，原設計未作固結和回填灌漿處理，也未設截流環，防滲層較薄，使庫水沿隧洞砌體周邊滲漏，大部分從砌體施工縫隙滲入洞內。

2.7近壩庫岸穩定分析

近壩左岸布置有取水塔，高程852.0m以上曾經發生過小型滑坡。右壩肩布置有沖沙底孔，進口右側邊坡較陡，上部已發生坍塌現象。此外，左右壩肩原開挖面常發生塌落現象。分析認為，近壩庫岸覆蓋層較厚，基巖為軟質巖，遇水易軟化，且岸坡較陡。結合近壩庫岸地形地質條件，采用瑞典條分法對庫岸邊坡穩定進行分析計算，利用《北京理正計算程序》邊坡穩定分析的等厚土層土坡穩定計算程序計算，在水庫放空時，經計算得岸坡穩定安全系數K=1.27＞〔K0=1.15〕，自然邊坡總體是穩定的。但在庫水消落、沖淘和風浪的作用下，庫岸局部土體和強風化巖屑不斷垮塌和崩落，會造成局部失穩及流土，影響取水口及底孔的正常運行。

2.8閘門啟閉困難

取水口共安裝事故平面閘門和工作平面閘門各一扇，閘門尺寸為1.2m×1.2m，卷揚式啟閉機啟閉。現狀閘門變形漏水嚴重，啟閉困難。原因主要是門葉結構變形，門體和附件銹蝕嚴重，啟閉機老化等。

3.除險加固設計方案

3.1壩頂防浪墻設計

根據大壩安全超高復核成果，大壩需增設20cm以上的防浪墻方可滿足水庫運行和防洪的要求。結合壩頂安全防護的需要，設計在壩頂上游側設置防浪墻，下游側設置防護欄桿，以滿足大壩安全超高要求。設計防浪墻總長170.0m，高1.2m，采用C20鋼筋砼澆筑，厚度30cm，每隔1.5m設立柱，立柱間設矩形花紋裝飾。下游欄桿采用C20鋼筋砼預制組裝。

3.2庫首左岸帷幕灌漿設計

庫首左岸有一低丫口，根據勘探鉆孔資料，巖體透水率q≤5Lu弱透水層頂板高程825.0m-829.0m，往左岸山頂方向，地下水位以26%的比降抬升。結合左岸地形地質條件，設計采取帷幕灌漿的方案處理左岸的滲漏問題。設計帷幕線沿左岸山脊上游側布置，以盡量減少無效進尺，右端接左壩肩帷幕，左端接地下水位。帷幕形式為封閉式，考慮到左岸放水隧洞兩側巖體因開挖擾動破碎，在放水隧洞部位設雙排孔，其余地段設單排孔，排距1.5m，基本孔距3.0m，帷幕線長137m。帷幕深度原則上深入q≤5Lu弱透水層5m或深入地下水位以下10m，帷幕下限高程820.0m-838.0m。采用自下而上分段循環式灌漿工法，合格標準為巖體透水率q≤5Lu。設計主帷幕鉆孔47個，副帷幕鉆孔9個。

3.3壩體補強灌漿設計

針對壩體的滲漏特點，設計采用帷幕補強灌漿的方案對壩體滲漏進行處理。主要是通過補強灌漿充填壩體內部空隙，提高壩體的整體強度和防滲性能，達到防滲截漏的目的。結合壩基防滲處理的需要，補強灌漿鉆孔沿壩頂軸線偏上游側布置，與壩基帷幕鉆孔共用，其中，利用壩身段進行補強灌漿。單排孔，基本孔距2.0m，帷幕線長168m。采用自下而上分段循環式灌漿工法，合格標準為壩體透水率q≤3Lu。設計補強灌漿鉆孔85個。

3.4壩基固結灌漿和帷幕灌漿設計

（1）固結灌漿設計根據壩基巖性特點，為控制壩基巖體遇水軟化而降低其力學指標，確保大壩安全，設計對壩基全面進行固結灌漿處理。設計固結灌漿鉆孔為4排，自上游往下游編號為A、B、C、D排。其中，A排由壩基帷幕孔兼，B排沿壩頂軸線偏下游側布置，距離A排1.0m，為傾向下游斜孔（傾角87°）；C、D排從下游面灌漿平臺施工，C排為傾向上游斜孔（傾角79°），D排為鉛直孔。采用巖芯鉆機鉆孔，孔位交錯布置，基本孔距3.0m，孔深深入基巖8.0-18.0m。采用自下而上分段循環式灌漿工法，合格標準為巖體透水率q≤5Lu。設計固結灌漿鉆孔198個。（2）帷幕灌漿設計為了有效控制因壩基滲漏而降低結構面的抗剪強度，確保大壩的安全穩定，設計采用帷幕灌漿的方案對壩基進行處理。結合壩體補強灌漿的布置，利用補強灌漿鉆孔基巖段進行帷幕灌漿。帷幕左端接左岸帷幕，右端向右岸坡延長接右岸地下水位。根據鉆探成果，左壩肩巖體透水率q≤3Lu弱透水層頂板高程820.0m，河床段壩基巖體透水率q≤3Lu弱透水層頂板高程815.0m，右壩肩巖體透水率q≤3Lu弱透水層頂板高程829.0m。因此，結合工程規模和壩基地質條件，設計帷幕下限為：左壩肩820.0m高程；河床段800.0m高程；右壩肩824.0-837.0m高程。帷幕形式為封閉式，單排孔，基本孔距河床段為2.0m、右岸坡為3.0m，帷幕線長232m。采用自下而上分段循環式灌漿工法，合格標準為巖體透水率q≤3Lu。設計帷幕灌漿鉆孔105個。

3.5下游護坦設計

針對下游沖刷區存在的問題，考慮到壩基鈣質頁巖易風化、遇水易軟化的特點，同時為防止小流量的沖刷破壞，使沖坑后坡至壩趾基巖逐漸淘空而影響壩基安全穩定，設計對壩趾后作護坦保護處理。參照消能防沖設計規范，護坦設計洪水標準為30年一遇（P=3.3%）。設計護坦延伸長度9.0m，坡比1∶3，采用C25鋼筋砼澆筑，厚度1.0m，并在末端設置齒墻，齒墻底部高程按30年一遇沖坑深度控制。護坦基礎采用Ф25錨桿錨固，間距1.5m×1.5m，并設Ф40mm排水孔，間距3m×3m。設計護坦面積585m2。

3.6放水隧洞加固設計

3.6.1加固方案

針對放水隧洞地質條件復雜、漏水問題嚴重的現狀，首先提出對隧洞加固處理的原則是：①滿足隧洞穩定要求；②滿足滲流穩定要求；③滿足水力計算要求；④投資省。經綜合比較，設計采取洞內和洞外防滲加固并舉的方案處理放水隧洞漏水問題。其中，洞內措施是先在取水塔后、左岸帷幕線交點上、頂板掉塊嚴重部位設置砼截流環防滲，再對隧洞進行充填灌漿和固結灌漿；洞外措施是在地表利用鉆孔灌漿對隧洞進行防滲加固。

3.6.2洞內防滲加固設計

（1）截流環為配合隧洞充填灌漿和與左岸帷幕搭接，并對洞頂嚴重掉塊部位進行有效處理，設計分別在樁號16.5m、52.5m、94m、118m設置4道截流環，并在樁號52.5m截流環上設置2環風鉆鉆孔帷幕灌漿與左岸帷幕搭接，截流環同時作為充填灌漿分區的端部。設計截流環結構為：寬度2.0m，深入完整基巖1.0-2.0m，采用C20砼澆筑。環內斷面與隧洞斷面一致。（2）充填灌漿經對隧洞進行穩定復核計算，隧洞漿砌石砌體能滿足穩定要求，但不能滿足運行穩定要求。針對隧洞頂板存在空洞、底板為石渣回填的現狀，設計首先對隧洞空洞部位采用C20泵送砼回填、對隧洞底板采用C20鋼筋砼加固后，再全斷面對隧洞進行充填灌漿處理。設計充填灌漿采用風鉆鉆孔，灌注純水泥漿或水泥砂漿。鉆孔布置在底板、左右邊墻、頂拱共4排，孔距3.0m，孔深深入基巖10cm，孔位交錯布置，利用截流環作為分區端部分成4個灌區施工。設計鉆孔180個，灌漿面積830m2。（3）固結灌漿因受開挖擾動的影響，隧洞圍巖較破碎，除進行充填灌漿外，設計采取風鉆鉆孔固結灌漿的方案加固隧洞圍巖。設計鉆孔按左邊墻1排、右邊墻1排、頂拱2排布置，孔距3.0m，孔位交錯布置，孔深深入基巖2.0m，采用全孔一次灌漿工法。設計鉆孔180個。3.6.3洞外防滲加固設計根據隧洞存在不滿足抗外水壓力要求的情況，在洞內加固措施的基礎上，為了有效防止外水壓力對隧洞的破壞，設計采取地表鉆孔防滲灌漿的方案進行處理。設計對隧洞進口第一道截流環至左岸帷幕線之間進行地表鉆孔防滲灌漿，長度36m。鉆孔沿隧洞中心和兩側布置，共3排孔，排距2.65m，基本孔距3.0m，孔位交錯布置。灌漿頂界為洞頂以上10m，中間排下限深入隧洞頂部，左右排深入隧洞底板以下10m。鉆孔為鉛直孔，采用自下而上分段循環灌漿工法，合格標準為巖體透水率q≤5Lu。設計鉆孔36個。

3.7近壩庫岸護坡設計

根據庫岸地形特點和失穩模式，設計按削坡減載、分片分級開挖、護坡結構形式輕型多樣的原則，針對不同部位采取不同的護坡結構形式，同時設置排水措施。對上游庫岸，采用砼格柵+錨桿的護坡方案；對左右壩肩采用漿砌石護坡方案。經穩定復核，護坡設計滿足穩定要求。設計格柵采用C20鋼筋砼澆筑，網格尺寸1.5m×1.5m，格柵梁斷面為30cm×30cm，在網格節點布置Ф25錨桿，長度5.0m。網格下鋪土工布作反濾，正常水位高程848.1m以下格柵內用C20砼護坡，厚20cm，高程848.1m以上格柵內用干砌塊石護坡，厚30cm。左右壩肩采用M7.5漿砌塊石護坡，厚30-50cm。護坡總面積4200m2。

3.8更換閘門及啟閉機

針對閘門及啟閉機存在的問題，設計采用更換閘門和啟閉機的方案處理。設計事故門、工作門尺寸均為1.2m×1.2m，按動水啟閉條件設計，結合原有埋件的布置和利用，選用平面定輪式閘門。工作閘門需經常開啟調節流量，選用手電兩用的螺桿式啟閉機（QL-120KN）。事故閘門要能在動水迅速關閉，利用水柱閉門，選用卷揚式啟閉機（QPQ-160KN）。

4.結語

除險加固工作完成后檢查，當水庫運行到正常水位時，隧洞內未發現滲水現象，所有原壩體、壩基及左岸鄰谷漏水點消失。通過實施除險加固，使大壩外型得到了改觀，壩體、壩基及左岸滲漏得到了處理，泄洪沖刷得到了控制，近壩庫岸得到了加固，放水設施得到了完善，大壩安全穩定得到了保障，水庫已能正常蓄水運行，除險加固效果顯著，說明設計方案合理。

參考文獻：

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作者:陸龍池 冉習 單位:貴州省黔南州大中型灌區管理局 貴州省黔南州水利水電勘測設計研究院