刘家垅水库除险加固工程设计方案对比研究

2022-11-30张扬国

陕西水利 2022年12期

张扬国

（江西省永修县水利局,江西永修 330300）

水库大坝往往建于较高的位置,一旦出现事故,则会给下游的人民带来极大的生命财产损失,因此要确保水库防洪安全[1]。目前刘家垅水库依然有不少安全隐患存在,导致其综合效益得不到全面发挥,下游人民的生命财产安全时时受到威胁,因此急需对刘家垅水库进行除险加固工作。

1 水库基本概况

刘家垅水库座落于九江市庐山区莲花镇谭畈村,距九江市区8.7 km,属长江流域八里湖水系沙河支流。该大坝所在地方的水库总库容和控制的流域面积为41×104m3和1.3 km2,这座水库属于小（二）型水库,其主要功能以灌溉为主,同时以供水和防洪作为辅助。

九江市庐山区水务局于2009 年12 月4 日对刘家龙水库大坝展开安全综合评估,通过评估并将《水库大坝安全鉴定办法》作为分类标准,根据其中的第6 条大坝安全分类标准,将该水库大坝归属于三类坝。经评估工程存在的主要问题有：大坝上下游未护坡,坝脚无反滤排水设施；溢洪道边墙及底板局部破损,出口消力池淤塞；坝下涵管出口无消能设施。

2 大坝加固设计

2.1 大坝坝体防渗方案确定

结合本工程现状以及目前应用较广泛技术较成熟的防渗漏计划,在设计过程中根据所获取的大坝坝基渗漏实际情况,着重考虑坝体结合坝基防渗的方案,从施工工艺及造价等方面进行方案的比选,采用二种防渗方案进行比较。

（1）方案一：坝体采用冲抓套井粘土心墙防渗,墙体深入坝基1.0 m

本方案采用冲抓套井回填粘土心墙对坝体进行防渗加固。在原心墙轴线上造孔至坝基以下0.5 m,回填粘土夯实,套孔施工,在整个轴线上形成连续的防渗墙。大坝冲抓心墙涵管段采用高压单管旋喷灌浆进行防渗处理。

本次设计拟对坝体进行冲抓套井粘土心墙,采用单排布置,单排钻孔,孔径1.1 m,孔距0.75 m,粘土心墙有效墙厚0.80 m,经复核,墙体厚度满足要求。当前冲抓套井回填粘土心墙因其技术方面的优势,在该领域中得到了广泛应用,日趋成熟的技术加强了防渗效果。

①防渗范围

按规范要求,防渗墙顶高程应不低于校核洪水位,校核洪水位为105.20 m,设计坝顶高程107.50 m,面层为0.15 m 厚C25 砼路面和0.10 m 碎石垫层。

②墙体材料及防渗墙厚度

粘土作为防渗墙体主要使用的材料,通常需要将其含水量控制于合理范围内才可展开夯实工作,同时粘土要求K ≤1×10-5cm/s。

采用公式T=H/J

式中：T 为设计墙厚,m；H 为板墙两侧的承受的最大水头差；J 为防渗墙的允许比降,i=6～8。

本次设计冲抓孔孔距0.75 m,孔径1.1 m,形成防渗墙有效厚度为0.80 m。根据渗流计算结果,防渗心墙最大渗透坡降Jmax=3.90＜[J]=6～8,墙厚满足设计要求。

（2）方案二：大坝采用粘土斜墙结合截水槽防渗

在该方案中,截水槽截渗的方法用于大坝坝基,八体的防渗加固工作则需要使用粘土斜墙,截水槽开挖至坝基,粘土填筑。

①防渗范围

按规范要求,防渗墙顶高程应不低于校核洪水位,校核洪水位为105.20 m,设计坝顶高程107.50 m,面层为0.15 mC25砼路面和0.10 m 碎石垫层。

②墙体材料及防渗墙厚度

粘土作为防渗墙体主要使用的材料,通常需要将其含水量控制于合理范围内才可展开夯实工作,同时粘土要求K≤1×10-5cm/s。

采用公式T=H/J,根据渗流计算结果,防渗心墙最大渗透坡降Jmax=3.5 ＜[J]=6～8,墙厚满足要求。

（3）防渗方案比选

从施工条件、防渗效果和工程造价等技术和经济性能方面,对比大坝的两种防汛方案（见表1）。

表1 大坝防渗方案比较

①粘土斜墙方案：能够有效减少建筑成本,施工方法简单,且不需要借用专业的施工力量和大型机械设备,但粘土填筑量较大,需要进行施工导流并设置围堰等。斜墙截水槽需开挖较深才到达坝基砂岩层,有可能造成开挖槽内积水难以排干,截水槽内回填粘土困难,因此不推荐此方案。

②冲抓心墙方案：受气候影响小,施工工艺较成熟,施工方法简单,工效高,投资少,回填料易就地取材。

2.2 大坝坝坡、护坡等设计

2.2.1 坝坡加固设计

根据大坝上游坝坡现状、加固措施及工程量,本次设计拟定上游坝坡粘土填筑结合下游坡的整治及土方工程量的大小、坝坡稳定等,拟定边坡坡率为1∶3.25；下游坝坡整坡,面层铺填一层20 cm 厚壤土,利于草皮铺设,下游坡贴坡排水顶高程94.0 m,坝坡坡率1∶2.5。

2.2.2 护坡设计

现状上下游均未护坡。工事的设计需要保护堤坝的上游和下游斜坡,以确保堤坝的美学和安全功能。为了保护坝体不受风雨影响,首选在上坡使用干燥的预制混凝土护坡,在下坡使用草护坡。

选择上游边坡保护。在比较干砌块护坡和预制混凝土护坡这两种方案时,首选适合大坝的上游护坡。

式中：D 为当地最大轴压作用下的块体直径,m；D50为石料的平均粒径,m；Kt为随坡度比变化的系数,根据规范取Kt=1.35,从上游坡度比1∶2.5；ρw为水的密度,ρw=1.0 t/m3；ρk为石料的密度,t/m3,ρk=2.5 t/m3；m 为坡度比,m=2.75；hp为波高5%的累积频率；t 为块状护坡材料的最大厚度,m。

它的计算方法是t=0.26 m。

根据堤坝上游坡度的计算结果,按照干砌块护坡的设计条件和技术,根据干砌块护坡厚度t=0.3 m,平均砌块粒径D=0.25 m 的条件和道碴堤的设计规范（SL 274-2001）,假定干砌块护坡下有0.10 m 厚的砂砾垫层。在干式块状路堤保护下,砂石垫层的厚度为0.10 m。

预制混凝土边坡防护（方案二）

方案二是一个规则的六边形预制混凝土护坡,混凝土强度为C15,边长为0.26 m,护坡由沙石干块层保护。根据道碴坝设计标准（SL 274-2001）,预制混凝土护坡的厚度如下所示：

式中：η为系数,安装在防波堤板上,K=1.1；b 为沿防波堤板的长度,b=4.0 m（槽距）；ρc为混凝土密度,γk=2.4 t/m3；ρw为水密度,γw=1.0 t/m3。hp为1%波高的累积频率；Lm为平均设计波长；m 为海岸线的坡度系数,m=2.75。

由规则的六边形预制混凝土构件制成的路堤保护板的厚度被计算为t=0.1 m,并在板下安装了0.10 m 厚的碎石垫层。

方案比较选择：两方案工程量及造价比较结果见表2。

表2 不同护坡方案单位面积造价比较表

从表2 中比较结果可知,干砌块石护坡造价比砼预制块护坡略低。预制混凝土护坡比干石护坡需要更大的投资,但适用于不需要长时间施工的应用,而且耐用、美观、施工迅速。因此本次刘家龙水库出现加固选用该方案。

2.2.3 坝顶结构设计

现状大坝坝顶高程107.10 m～107.53 m,坝顶宽9.7 m～10.50 m,根据特征水位加安全超高等计算成果,所需坝顶高程105.98 m。根据大坝坝顶现状高程,本次设计拟将大坝坝顶整平后设10 cm 厚碎石垫层及15 cm 厚砼路面,即坝顶高程107.50 m,坝顶设置C20 砼路面,路面宽5.0 m,路面倾向上、下游设2%的横坡。

2.2.4 坝坡排水设计

为了防止分散的暴雨流对路堤的冲刷,通常在路堤的相邻斜坡上、路堤的脚趾处、桥梁通道内和利用斜坡上部的排水系统来建造带有垂直和水平排水通道的草皮保护。水平排水管垂直于路堤的轴向运行,位于路堤的后面。水平排水沟在堤墙处的横截面为0.3 m×0.3 m,或在两岸交界处和下游坡面的横截面为0.4 m×0.4 m。垂直和水平排水管相互连接,形成一个整体。