小型砌石拱坝除险加固方案研究

2015-08-19□刘克□李颖□张礼

河南水利与南水北调 2015年15期

□刘克 □李颖 □张礼

（1 郑州市水利建筑勘测设计院；2 黄河水利职业技术学院；3 黄河勘测规划设计有限公司）

0 引言

我国兴建水库98000 多座，随各地气候、地形、地质条件不同，修建的大坝类型也不尽相同，具有区域性的特点。上世纪广大水利水电工程技术人员根据我国实际情况，深入实际进行探索和实验，在山地丘陵区普遍推广了砌石拱坝技术，尤其在交通不便，经济发展相对落后的山地丘陵地区，小型砌石拱坝以其用料省、可就地取材、砌筑工艺成熟、安全性优越等优势而得到广泛建设，对解决山区农田灌溉、人畜饮水等起到积极的作用，为当地人民脱贫致富创造了条件。

这些小型砌石拱坝的建设受其建设历史、经济条件等影响，与大、中型砌石拱坝不同，部分小型砌石拱坝砌筑质量差，或设施不尽完善，或经长年运行而缺乏系统管理维护，不同程度的出现损坏，存在安全隐患，不能正常发挥效益，需进行除险加固。在小型砌石拱坝除险加固工程设计中，应根据小型砌石拱坝自身的特点制定切实可行的加固方案。

以下以河南某地区一座小型砌石拱坝除险加固设计为例，对小型砌石拱坝除险加固工程的设计方案进行了探讨，为类似工程提供参考。

1 工程概况

某水库位于深山区，水资源紧缺，只有一处天然泉水较为可靠。一般年份各家各户均自备水窖储存吃水，遇到干旱年份水窖干涸，便肩挑驴驮到山泉取水。如遇大旱之年，山泉也几乎干涸见底，人们不得不日夜守侯在泉池周围，排队等水。1980年夏季为解决水源，当地乡党委发动群众拟建一座小水库。

该地区河道是典型的山区河道，有窄深式山谷地形条件，两岸为岩石边坡，当地石料和劳动力资源丰富，但对外交通条件差，钢筋、混凝土材料成本高，经论证后选定坝型为浆砌石拱坝，当砌筑至5.00m 高时，由于资金不足，于1981年秋停工。广大干群于1995年开工继续建设，但由于受当时财力、施工等因素限制，工程建至25.00m 高时再次停建。当时人畜吃水条件得到一定改善，但泄洪等设施不完善，且年久失修，渗漏严重，存在极大的安全隐患，原设计工程不能正常发挥效益。期间曾因原砌筑坝体顶部2m 范围内坝体质量极差，为防止发生险情，将原坝体又拆除了4.30m。

大坝坝体为定圆心等外半径、等截面单曲浆砌石拱坝，属重力式拱坝，目前最大坝高20.70m，坝顶弦长78.99m，坝顶厚9m，底厚15.80m。坝顶中心角88.2 °，坝基中心角45 °，外半径54m，坝体上游面为0.50m 厚直立浆砌料石面层，下游侧为C10 细石混凝土砌石坝体，坡面呈阶梯状。主要工程效益是防洪、农田灌溉和居民饮水。

坝址区河谷纵剖面起伏不平，比降较大。峡谷横剖面呈现“V”字形，两岸陡直，相对高差50～60m，主要出露的岩石为震旦系马鞍山组石英砂岩，震旦系底砾岩及下元古界嵩山群花峪组石英岩。坝址处河谷较窄且两岸石英砂岩强度较高，满足拱坝对地形和地质的要求；两岸地层岩性为石英砂岩，岸坡虽陡峭，但岩石坚硬，强度较高，没有缓倾角断裂构造，库岸稳定性较好。工程区地震动峰值加速度为0.10g，相当于地震基本烈度Ⅶ度。

经过多年运行，浆砌石坝体有多处孔隙、空洞，有较多渗漏通道。一到汛期，库内水位抬高，坝后能见多处射流，危及坝体安全和正常蓄水。除险加固工程内容主要包括坝体除漏工程、坝体封顶工程、大坝溢流工程等。

表1 坝体基本参数表

图1 现状坝体实测剖面图

2 除险加固设计

现状工程质量比较差，但已经受多次洪水过坝考验，结合工程现状及运行情况，认为不宜对坝体做过大改造或加高太多，除险加固设计应以消除坝体安全隐患，发挥现有效益为原则。

2.1 坝体防渗工程设计方案

砌石拱坝经长年运行，出现的问题通常是坝体渗漏。安全鉴定成果显示，本工程坝体浆砌石内部空隙很大，极不密实，很多位置砂浆未能充满石块间隙，存在较多隐患和渗漏通道，需对坝体进行防渗处理。

根据安全鉴定结果和现场查看情况，结合当地政府相关人员对水库历史运行情况的介绍，经分析，本工程坝体渗漏既不是由于坝体应力超限而产生裂缝，也不是由于水化学作用造成坝体砌筑砂浆流失。坝体渗漏原因是由于原坝体分期砌筑，且相隔时间较长，砌筑期间由于施工控制不严，C10 碎石混凝土不密实处较多，后经长期压力水流冲蚀，渗漏通道逐渐加大，从而形成大面积射流渗漏的情况。

借鉴国内坝体防渗的工程经验，常用方案主要有：①坝体化学灌浆防渗；②坝体迎水面增设钢筋混凝土面板防渗[3]；③坝体迎水面增设高频振荡钢丝网水泥砂浆面板防渗；④坝体迎水面喷射钢纤维混凝土防渗[4]。

结合本工程坝体渗漏情况及成因，以及坝体加固整体方案，对各坝体除漏方案分析如下:

方案①采用化学灌浆，浆液耐化学腐蚀，可永久防水，对细小裂缝都可防水，防水效果好；但由于本砌石拱坝坝体是大面积渗漏，渗漏点多，坝体内部可能存在较大的空洞，若采用化学灌浆，则钻孔作业工作点太多，冲洗及灌浆量大，且化学灌浆防渗处理费用较高，显然不适合本工程。

方案③由于工艺复杂，工期长，投资大也不推荐采用。

方案④节省混凝土，工期较短，但面层薄，一般10cm 左右，不适应坝体后续的补强灌浆压力，因此本次坝体防渗也不采用。

图2 放空后上游面立视图

图3 蓄水时下游渗漏面立视图

方案②属于常规拱坝防渗和除漏设计方案，建设经验成熟，且原坝基上游侧有外伸0.8m 的齿墙，具备设置防渗墙的基础条件。另外考虑防渗墙可为坝体补强灌浆提供可靠的封闭条件，因此本工程坝体防渗采用在上游迎水面增设钢筋混凝土面板防渗。

防渗面板工程设计。①防渗面板布置范围，非溢流坝段，在坝体上游坝面，自原C20 混凝土座垫起到本次设计坝顶面止；溢流坝段自原混凝土座垫到与溢流面板相接处为止，并与溢流坝面整体浇筑。②防渗面板结构设计为上窄下宽的形式，上游面钢筋混凝土防渗面板自原混凝土座垫顶高程起以1：0.01 的坡比延伸至坝顶，防渗面板底厚按最大水深27.84m 的1/35 设计，取底厚0.80m，坝顶处厚设计为0.40m。③防渗面板材料采用C20W8F100 钢筋混凝土，温度钢筋纵、横向均匀布置。防渗面板与坝体的结合通过φ25mm 锚固钢筋与坝体锚接，锚筋呈梅花状布置，纵、横向间距1.00m；防渗面板与岩体连接处，表层风化破碎体必须清理干净，要求深入新鲜基岩2.00m，以保证防渗质量。④防渗面板分竖向横缝，竖向横缝水平向间距10.00～13.45m，缝间根据水深分别设单、双层铜片止水，外层止水距内层止水0.20m。

2.2 坝体加固设计方案

本水库大坝安全鉴定报告结论提出砌石坝体砌筑质量很差，不密实，砂浆未能充满石块间隙，浆砌石坝体有多处孔隙、空洞有较多渗漏通道，工程质量不合格。

本次坝体加固工程考虑坝体若继续加高过大，大坝强度及稳定性难以保证。根据当地部门提供资料显示，大坝建设至25.00m 高后已经受7 次洪水过坝考验，鉴于此，本次设计在综合考虑水库大坝安全及当地需水量要求的情况下，坝体补强加固后，砌筑坝体至坝高29.80m 处作为坝顶。

现行规范无关于砌石坝体加固的处理方案，本工程根据坝体内空洞较多的情况，结合一些岩体加固的设计经验，决定坝体加固采用对坝体补强灌浆的设计方案。

坝体补强灌浆对两个方案进行了比选。方案一：坝顶布置补强灌浆孔，竖向灌浆。方案二：坝体上游面结合防渗面板锚固钢筋孔灌浆，水平向灌浆。

方案一：坝顶布置补强灌浆孔，竖向灌浆。沿现状坝顶面布置双排灌浆孔，孔距1.00m，排距2.00m，上游一排灌浆孔中心线距坝面1.50m。孔深至坝基混凝土垫座。采用自下而上灌浆方法。

方案二：坝体上游面结合防渗面板锚固钢筋孔灌浆，水平向灌浆。在上游坝面上按梅花状锚杆孔（100cm×100cm）布置充填补强灌浆孔，孔深为原坝体厚度的一半，用0.20～0.25MPa 的压力压入水泥浆，尽可能地充填现有的孔隙，胶结砌体内的裂隙，达到充填补强的目的。

两方案灌浆效果相当，方案一优点是施工在现状坝顶面，施工场地条件好，便于施工设备布置及灌浆施工，缺点是灌浆孔深度较方案二长，施工间隔时间控制要求高。方案二优点是可结合上游坝面防渗面板锚杆孔布控，节省锚杆打孔费用，缺点是灌浆孔数量相对较多，需架设20 余米高脚手架施工，施工难度和复杂程度相对较大，工期较长。本工程位于山沟内，相对较偏远，且现状坝体空洞较多，过多的灌浆孔对坝体扰动过大，可能反而破坏拱坝的整体性，因此选择方案一作为坝体加固方案。坝体补强加固后，砌筑坝体至坝高29.80m 处作为坝顶，完善各必要设施，不再进一步加高坝体。

2.3 泄洪及防冲设施设计方案

坝体无溢流设施，长期漫坝泄洪对坝体自身质量和坝基稳定不利，需完善大坝溢流设施，减轻泄洪对坝体和下游坝基的影响。

现状两岸山体高耸，无适宜的泄洪通道。而现状坝体由于空洞较多，不宜为修建溢洪道而继续加高坝体，因此本次设计拆除坝中间部分坝体后，在坝顶增设溢流堰以挑流方式泄洪。现状坝体下游河床为岩基，且有深约1.50m 的水塘，坝体相对较高，溢流方式采用挑射式低落差鼻坎挑流泄洪，溢流头部采用WESⅠ型堰面曲线，挑射角选用θ=15°。经计算，在堰上水头为0.10 m 和0.30m 时的小流量工况下对应挑距分别为L=16.67m 和L=19.89m，挑射水流不会直接冲刷坝体；设计洪水Q=221.60m3/s时，挑距L=27.40m，冲坑最大后坡1/4.80；校核洪水，Q=323.60 m3/s 时，挑距L=29.90m，冲坑最大后坡1/4.40，消能计算所得结果满足规范要求，但考虑到安全系数并不大，且为小型砌石拱坝，为节省工程投资，设计要求运行过程中，当冲刷坑深度发展至5m 时，进行混凝土衬砌，并向坑内抛石，防止冲刷坑向上游发展，保证大坝安全，必要时修建二道坝蓄水垫消能。