病险水库除险加固工程设计研究

刘厚云

(贵州省遵义市习水县水务局,贵州 遵义 564600)

0 引 言

随着社会经济的发展以及人口的增长,土木工程和水资源管理的需求不断递增,使水坝的建设与维护成为重要领域[1-2]。尤其在水坝的长期安全和稳定性维护方面[3-4],早期修建的水坝坝体由于安全性不足、渗水等问题,可能影响到水库的正常运行和周边地区的安全[5]。如何解决并克服这些问题,确保水坝的稳固性和安全性,是当前的主要关注点[6-8]。

本次研究的对象——习水县塘房水库,存在一些功能性问题,如坝体高度不足、渗水以及下游排水结构堵塞。其中,坝体高度不足问题刻不容缓,因为它可能对大雨后的洪水泄放带来困扰[9];渗水问题可能影响坝体的稳定性;下游排水结构堵塞问题可能影响水库的运行和下游地区的安全[10]。本次研究将对这些问题进行详细的分析和研究,并寻找合理的加固方法。

1 习水县病险水库除险加固工程设计

1.1 习水县塘房水库工程概况与水文地质条件分析

塘房水库位于习水县大坝村,是具备供水和农灌功能的小(Ⅰ)型水利枢纽工程,修建于1958年,1972年开始蓄水。经过几次修复、加固和改造,该水库尽管存在一定安全问题,但基本能够正常运行。由于下游有大量人口和土地,水库安全至关重要。2018年,习水县水利水电技术工作站委托遵义水利水电勘测设计院进行了安全评估,并于2019年完成复核报告。该报告显示,水库大坝存在坝顶灌木凹凸不平、顶高不足、抗洪能力不足、大坝与基础渗漏、隧洞围岩稳定性较差等问题。

在水库运行管理现状方面,虽有专门管理机构及人员,但存在一些管理上的问题[11-13]。如无管理房、通讯设施差、缺少工程安全监测设施等。渗漏和设施老化成为主要问题,给水库运行带来安全隐患。

塘房水库坐落于赤水河二级、临江河一级支流——两叉河上,两叉河流域面积12.5km2,塘房水库坝址以上流域面积6.36km2。该区地形以溶蚀、侵蚀构成的中山地貌为主,流域植被良好,水土流失较少。该区属亚热带季风气候,湿润温和,有明显的气候垂直变化和强对流天气。根据习水气象站统计,年降水量为667.5～1 396.7mm,汛期降雨量占全年的76.5%,枯季降水量占23.5%,平均气温13.5℃。该区主要自然灾害包括干旱、倒春寒、暴雨、冰雹、凝冻等。

在水库相关的水文条件计算方面,首先计算径流。根据习水气象站1961-2017年的降水资料进行频率计算,设计流域的多年平均降雨量为1 050mm。贵州省径流系数图表显示,该区径流系数为0.58,因此设计流域多年平均径流深为610mm。塘房水库流域多年平均径流量计算结果388×104m3。加固后的水库蓄水位正常,库容155×104m3,兴利库容149×104m3。长系列调节计算涵盖了塘房水库坝址处1961-2017年的水量平衡分析计算。考虑到生态水量、蒸发和渗漏损失,水库多年平均可供水量为231×104m3。根据水量设计,该库供水设计流量0.089m3/s、日变化系数1.3、多年平均供水量216×104m3。

该设计流域位于一般暴雨区,暴雨通常发生在5-8月份,最大日暴雨量181.2mm(发生于1968年5月21日)。该地区洪水以高峰值和集中的洪量为特点,洪水涨势凶猛且通常在一天内结束。根据测站的暴雨资料,计算出24h暴雨量为93.4、77.4和89.5mm。综合等值线图的结果,设计流域最大24h暴雨估计在80mm左右。基于习水气象站暴雨和区域暴雨分布规律,确定设计流域暴雨值为90.0mm。根据短历时暴雨强度公式,最大1h暴雨量S为41.0mm。

塘房水库附近没有历史洪水数据,但根据2019年的洪水调查,水库每年都会排洪,最高水位超过堤顶约0.5m。根据流域洪水特性和施工期的安排,提出在不同期间进行洪水计算的方案。分期设计洪水采用雨洪法计算,C1取0.34～0.50,分期设计暴雨及分期设计洪水成果见表1。

表1 气象站分期设计暴雨频率计算结果

在泥沙与淤泥方面,实测塘房水库淤积高程约1 381.65m。考虑到未来50年的运行,预计淤积高程增至1 383.12m。为了应对这种情况,放水口和死水位的高程将分别提升至1 383.00和1 384.00m,以满足运行需求。

在工程地质方面的计算,测区位于云贵高原黔北山地与四川盆地过渡地带,最高点为电厂山,高程1 661.2m;最低点为二郎河河床,高程628.0m。区内以碳酸盐岩和碎屑岩为主,碳酸盐岩区域呈现岩溶地貌,而碎屑岩地区则为构造侵蚀地形。主要河流有赤水河支流——临江河及其支流。塘房河为临江河的支流,其两岸有冲洪积地貌。水库区域内的地层情况见表2。

表2 水库区域内地层划分表

在地层方面,震旦系至二迭系均有出露,岩性主要是灰岩、白云岩等。地质情况显示,水库1998年曾因渗漏进行了帷幕灌浆处理,之后渗漏量减少。多年后,左岸再次出现渗漏,且随着库水位上升,渗漏增加。钻探和物探结果显示,原有塌陷处以及其他地方均存在渗漏现象。库区主要问题是左岸库首的渗漏,因其影响了水库的蓄水能力,需要进行防渗处理。

1.2 习水县塘房水库除险加固方案设计

针对习水县塘房水库的现状和周边水文地质情况,设计针对性的除险加固方案。该水库大坝为四级建筑物,根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001),最小安全系数取1.15。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015),该水库工程属于地震基本烈度Ⅳ等,大坝建筑物为第4级,大坝抗震设防类别没达到丁类,不需单独设计抗震加固。设计中用到的技术规范包括《防洪标准》(GB 50201-2014)、《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)、《溢洪道设计规范》(SL 253-2000)、《水工混凝土施工规范》(SL 677-2014)、《水利水电工程施工组织设计规范》(SL 303-2017)、《土坝灌浆技术规范》(SL 564-2014)。设计所需数据见表3。

表3 水库除险加固方案设计数据

续表3

在大坝方面,大坝的安全问题如下:当前高程和超高均未达到标准,防洪能力不足。坝基漏水约0.3L/s,对大坝安全构成威胁。同时,下游存在路况和鱼塘导致排水棱体排水不畅的问题,阻碍了大坝排水。针对上述问题,提出以下解决措施:上游按《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)新建防浪墙,墙顶应高出坝顶1.0～1.2m;对坝基采取防渗帷幕灌浆处理,以应对坝基透水率较大问题。针对坝体渗透系数较大问题,坝面高程1 385.00～1 398.35m段采用坝面土工膜防渗,高程1 385.00m以下坝体采用充填灌浆,基础采用帷幕防渗处理。针对上游坝坡干砌块石护坡不满足规范要求问题,拆除原有石护坡,置换成砼预制块护坡,并夯实补齐坝体土料,灌注砼为C20;在排水体下游新建排水盲沟,以解决排水不畅问题。

关于溢洪道,主要问题在于溢流堰存在渗漏和泄水建筑物无法满足规范,同时消力坎破坏严重,存在出水直冲河岸的情况。改造措施如下:对坝顶进行整治(包括增设防浪墙和整平坝顶),以满足规范;加固侧墙抗冲耐磨性能,其中提出的最佳方案为拆除已有建筑后,采用C30砼浇筑,底板厚30cm,侧墙厚20cm;对破损的消力坎进行修复;清淤溢洪道并设置灌浆孔,同时拆除溢洪道附近的居民住宅,根据水流流态调整和拓宽侧墙。

在放水建筑物方面,存在的问题包括渗漏严重,渗漏量随库水位上升而增大,对大坝安全有害;取水口高程不满足未来50年的泥沙淤积要求;虽然双向转动闸门能够正常启闭,但由于使用年限长,出现锈蚀;启闭房布局不合适,占据了大部分坝顶,导致没有防洪抢险通道。为了解决上述问题,计划进行以下改进:调整取水口高程;使用DN300PE管进行整修,加设蝶阀和闸阀室;采用C20砼封堵渗漏位置;更换双向转动闸门与进口拦污栅;对启闭房进行重建,确保坝顶留出防汛抢险通道。

上面除险加固方案中,需要详细阐述的是渗流稳定安全评价计算方法。按太沙基公式,计算渗流作用下土体发生渗透破坏的水利临界坡降,具体公式如下:

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

(1)

式中:icr为临界坡降;Gs为土粒相对密度;e为土孔隙比。

坝体的实际渗透坡降J按式(2)计算:

式中:△h为水流测点与水面的高度差,m;L为混凝土水平方向上的长度,m。

即坝体计算出的实际坡降小于临界坡降,认为坝体渗流稳定安全;反之,则认为渗流稳定具有风险。

2 习水县病险水库除险加固工程评价

按照设计的除险加固方案,对习水县塘房水库坝体进行处理加固后,针对除险加固后的水库安全性、防渗能力等进行验证。首先验证除险加固后的坝坡结构稳定性,将本次收集和计算的工程基础数据、水文地理数据,按照《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)开展工况计算,结果见表4。由表4可知,在各种水文工况中,加固除险后的瑞典圆弧法坝坡最小安全系数均明显大于上述规范设定的1.15阈值,表明大坝在各工况下的抗滑稳定性均满足要求。

表4 坝坡稳定性计算结果

在除险加固方案施工中,混凝土材料的抗压强度检测结果见图1。图1中,横轴为试块在除险加固工程中的取样位置,横轴标注的数字后缀代表该位置试块的混凝土抗压强度设计值;纵轴为对应的单轴抗压试验测出的抗压强度。由图1可知,坝体、侧墙、坝顶、放水建筑物、上游坝坡、排水盲沟的混凝土试块7与28天龄期抗压强度分别为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,均大于对应的设计值20、30、20、20、30、15MPa。

图1 除险加固方案混凝土材料抗压强度检测结果

分析有抗渗作用的水泥材料的抗渗能力,并进行抗渗试验,试验结果见图2。图2中,不同图线代表不同的水压力。由图2可知,在水压低于1.0MPa时,在侧墙和上游坝坡的试件随着时间的渗水速度始终为0L/s;当水压为1.0MPa后,两位置出现数值处于0.2～0.4L/s范围的渗水。之后随着水压增加,两位置试块渗水速度整体继续增加。由此可见,除险加固方案的材料抗渗等级达到W8级,能满足该工程的改造需求。

图2 水泥抗渗试验结果

最后验证加固后的水坝渗透坡降,计算结果见图3。图3中,横轴为混凝土水平方向上的长度也即水坝的宽度,纵轴为渗透坡降,实线、点划线分别为实际坡降和临界坡降,按式(2)、式(1)计算得到。由图3可知,随着水坝宽度的增长,计算出的临界坡降不断降低。当水坝宽度为习水县塘房水库的宽度3m时,计算出的实际坡降为0.34,远小于0.90的临界坡降。

图3 加固后的水坝渗透坡降验证

3 结 论

此次设计的除险加固方案测试结果显示,在各种水文工况中,处理后的坝坡最小安全系数均明显大于规范设定的1.15阈值。坝体、侧墙、坝顶、放水建筑物、上游坝坡、排水盲沟试块7与28天龄期抗压强度分别为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,均大于对应的设计值20、30、20、20、30、15MPa。在水压低于1.0MPa时,侧墙和上游坝坡的试件随着时间的渗水速度始终为0L/s。当水坝宽度为习水县塘房宽度3m时,计算出的实际坡降为0.34,远小于0.90的临界坡降。研究表明,根据试验数据设计的加固除险方案,能够有效增强水坝的整体稳定性、抗渗水能力和抗洪能力。