【摘 要】结合某病险水库工程的缺陷和隐患,分析了小型水库土石坝除险加固的原则,加固设计的原理及方法,并提出了适宜该工程的除险加固设计方案。实践证明,该工程加固效果较好,有效发挥了其防洪、灌溉等综合效益。
【关键词】水库大坝;除险;加固
Reinforcement and avoiding danger for small reservoirs dam
【Abstract】Combination dangerous defects and hidden reservoir, small reservoir dam analysis reinforce the principles of design principles and methods of reinforcement, and put forward appropriate reinforcement of the project design. Proved that the reinforcement is better to effectively play its flood control, irrigation and other comprehensive benefits.
【Key words】Dam; Danger; Reinforcement
1. 工程概况
依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)及《防洪标准》(GB50201-94)规定,某工程设计洪水标准为30年一遇,校核洪水标准500年一遇。该工程于1975年10月兴建,1976年3月建成,总库容275万m3,校核洪水位234.15m;兴利库容185万m3,兴利水位231.0m;死库容15万m3,死水位215.5m。水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道、放水洞三部分组成。大坝为粘土心墙砂壳坝,坝长300m,坝顶宽2.5m~4.0m,最大坝高24.0m,坝顶高程235.15m,粘土心墙顶高程233.5m。溢洪道采用坝肩式,位于大坝右端,进口为开敞式宽顶堰,堰顶高程231.0m,堰宽51m,最大泄量450m3/s。放水洞位于大坝0+108桩号处,为矩形断面的无压浆砌块石涵洞,尺寸为1.0m×0.7m,洞身长90m,进口底高程215.5m,采用钢丝绳斜拉式闸门,启闭机房位于坝肩迎水侧,最大引水流量1.9m3/s。
2. 工程存在的问题
该工程由于建造时间早,在建期间受资金及条件的限制,采用人工筑土建成,大坝填筑质量差,碾压质量达不到规范要求。坝体土料为夹杂砾石和较大砂砾的壤土,加之冬季施工,造成坝体压土密实度低。粘土心墙清基不彻底,导致坝脚有渗水现象。大坝的迎水坡坡比为1:1.86~1:1.92,缺土严重。砌石护坡质量差,大部分已破坏,坝壳裸露,桩号0+210处塌陷,水位变动区坝坡掏刷严重。背水坡坡比较陡,仅有1:1.5~1:1.82,缺土严重,且多处出现由于冲刷形成的局部塌陷和凹坑,坡面杂草丛生,无排水设施。大坝坝顶宽2.5m~4.0m,且不平整;防浪墙老化失修,砂浆剥落,损坏严重,基础未与心墙衔接;溢洪道进口处与大坝岸无护砌裹头,泄洪时严重危及坝体安全。
3. 除险加固方法的选用原则
土石坝虽然坝型常见,但由于其工程情形复杂,机具、材料等条件多变,并且各项具体的除险加固方法很多都有其特定的适用范围和局限性,因此,对每一具体工程病害都应进行仔细分析。应从工程病害情况、除险加固要求(包括加固后工程应达到的各项指标、加固范围、加固进度等)、工程费用以及材料、机具来源等各方面进行综合考虑。确定土石坝加固方法时,应根据工程病害的具体情况对几种加固方法进行技术、经济、施工比较,选择技术上可靠,经济上合理,且能满足施工要求的除险加固方法。
4. 工程的除险加固设计
4.1 坝体尺寸设计。工程的坝顶宽度当前为2.5m~4.0m,根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-96)(以下简称《导则》)有关规定,考虑工程构造、防汛抢险、交通、新农村建设等需要,本次加固坝顶宽度按4m设计。依据《导则》规定,坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和,根据该水库不同运行工况下静水位的坝顶超高核算坝顶高程。本次加固坝顶高程确定为235.24m,在现有基础上加高坝顶0.94m,并在上游坝肩修建0.8m高防浪墙,则防浪墙顶高程为235.24m。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)要求,粘土心墙土坝心墙防渗体在正常蓄水位或设计水位以上超高0.6m,心墙防渗体顶部不应低于非常运用条件静水位。本次加固后粘土心墙顶高程仅低于坝顶0.5m。根据工程现状并考虑坝型、坝高、坝基材料等因素,参照已建类似土坝工程做法,确定大坝迎水坡在高程231.0m处设1.5m宽戗台,戗台以下、以上坡比均为1:2.5;背水坡在高程225.0m处设1.5m宽戗台,戗台以上坡比为1:2.0,以下坡比设计为1:2.5。在大坝与溢洪道相接处增设浆砌石裹头防护,上游端与迎水坡护坡石衔接,护至坝顶,并采用浆砌料石封顶。
4.2 迎水坡工程。迎水坡进行补土以达到设计坡比,并进行翻压。采用干砌块石护,护坡石下设反滤层。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),选用块石宽×厚为0.30m×0.20m,块石长度不小于50cm;每隔20m设浆砌石隔梁,断面尺寸为0.7m×0.7m,沿坝脚设浆砌石齿墙。原有反滤体由于多年运行,部分坍塌,反滤体外部淤积粘土,排水效果差,现排水体顶部高程不满足规范要求,故本次加固对其拆除重建。反滤体形式按实际现状选用贴坡排水体,护坡反滤层自上而下第一层为2cm~4cm石子,厚15cm,第二层为200g/m2的反滤土。顶部高程按照规范要求,贴坡排水体顶部高程应高于坝浸润线出逸点不小于1.5m,根据渗流计算成果确定反滤贴坡排水体的顶部高程为91.5m,底部设两级反滤层。
4.3 背水坡工程。
4.3.1 坝坡补土。背水坡局部缺土,坡比不满足规范要求。且坡面凹凸不平,无排水设施,冲刷较严重。按设计坡比补土筑坡并翻压。施工中,清除原有坡面杂草及腐质土,自下而上,水平上升,分层铺土,层土层压,提高密实度,增强坝坡抗滑稳定能力。为保证新、老土砾料的有机结合,在新土铺筑过程中,新土要与原坝坡土粒料进行搭接,搭接宽度不少于0.5m。
4.3.2 坝坡防护排水。大坝原有坡面无排水设施,根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)规定,沿坝轴线每隔30m设置竖向排水沟一道,计11道,戗台及坡脚各设横向排水沟一道。排水沟按10年一遇洪水标准设计,竖向排水沟断面宽×高为0.40m×0.25m,横向排水沟断面宽、高分别为0.40m×0.25m和0.5m×0.4m。排水沟底部采用C15细石混凝土现场浇筑,厚度15cm,两侧墙采用10cm厚C20混凝土预制板镶砌,1∶3.0水泥砂浆勾缝。背水坡全部植草皮防护,以防止雨水漫流造成坡面冲刷。
4.3.3 排水体。坡脚在桩号0+060~0+150处设堆石棱体排水,顶宽1.5m,边坡1:1.5,高度3m;其他坝段采用贴坡式排水体,边坡1:2.5。排水体采用块石干砌,内侧设反滤层,反滤层自内而外依次铺设粗砂、透水土工布、碎石。
4.4 坝顶工程。坝顶防浪墙设在上游坝肩处,基础与粘土心墙衔接,坝顶以上高度0.8m,M7.5块石浆砌,M10浆砌料石镶面,用20cm厚的料石封顶。坝顶设混凝土路面,考虑到交通要求,硬化路面净宽4.5m,底部设15cm厚的水泥砂砾稳定层,面层为30cm厚的混凝土,路面横坡倾向下游,坡比为2%。新建防浪墙与心墙之间的防渗体,采用土工膜连接,防渗土工膜上下铺砂质粘土厚15cm保护。
4.5 渗漏处理工程。根据安全排查可知,该工程建坝时坝基清基不彻底,坝脚多处渗水,通过对坝基进行帷幕灌浆,彻底根治了坝基渗漏问题。具体渗漏处理的要求为:保证坝体和坝基的渗流稳定,其抗渗比降和渗透流速满足稳定要求;控制渗流量,尽量减少渗漏损失;控制下游剩余水头,防止渗透变形破坏,保证下游边坡稳定,减少下游沉降。渗漏处理的总原则是“上截下排”,“上截”即在坝轴线以上部分堵截渗流途径,防止和减少渗漏水量渗入坝体和坝基;“下排”就是在下游做好反滤导渗排水设施,使渗入坝体、坝基的渗水在不带走土颗粒的前提下安全通畅地排向下游。
4.5.1 灌浆方法。采用充填式灌浆,按照分序和“少灌多复”(即一次灌浆量要少,重复灌浆的次数要多)的灌浆方法。通过套管“自下而上,分段灌注”,在灌浆中先对第一序孔轮灌,待第一序孔终灌后再进行第二序孔,第二序孔结束后再进行第三序孔。每孔灌浆次数为5~10次,两次灌浆间隔时间不应少于5天。钻孔过程中,出现漏浆现象时,可采用先灌浆后钻进的办法处理,并严格控制灌浆量及灌浆压力。
4.5.2 钻孔布置。充填灌浆孔一般应布置在隐患处或其附近,根据隐患的性质或范围决定布孔。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),本工程坝高在20m以上,宜采用双排布孔,孔距为2.0m~2.5m,排距为0.5m~1.0m。在岸坡段、弯曲坝段布孔,应适当缩小孔距。底部要求嵌入不透水层2m~3m。
4.5.3 灌浆材料与灌浆压力灌浆压力:根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),帷幕灌浆压力按下式计算。
P=P0+mD+kyh
式中,P——灌浆压力(KPa);
P0——岩基表层的允许压力(KPa);
m——灌浆段上岩层每增加1m所增加的压力(KPa);
D——灌浆段上岩层的厚度(m);
k——一般取为1.5;
y——压重的重度(KN/m3);
h——灌浆段以上压重的厚度(m)。
经计算,本工程的设计灌浆压力为0.05MPa~0.25MPa。
5. 结论
通过分析该工程的隐患所在,依据规范对大坝坝坡稳定、渗透稳定行了坝体尺寸的重新设计,并采用碾压试验等方法确定各项施工填筑参数,在迎水坡工程、背水坡工程、坝顶工程施工中严格按施工填筑参数控制压实质量、铺筑厚度、材质级配等各项指标。工程加固后至今运行良好,故实践证明其所采取的除险加固措施取得了较好效果,值得推广。