浆砌石-混凝土新型组合坝结构加固技术及应用研究——以深圳市赤坳水库为例

陈 誉，阳秀春，杜佳锴，徐梦华*

(1.深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518011；2.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640)

不同于新建大坝，对于已建大坝的加固不仅要考虑除险加固后功能或应对设计标准的提高，而且要考虑已有大坝的材料和结构特性，釆用适宜的加固方案，经济合理、安全高效地实现加固目标。它需要结合已有的坝工建筑物，充分考虑现有工程的地形、地质及结构特性等边界条件，结合工程除险加固、提标改造等新的需求，开展基于现状施工条件如建筑材料、建设工期等进行的深入分析和研究。

大坝除险加固时，对已建大坝的加高加厚是最为常见的工程措施，加固大坝往往新旧坝体采用不同建筑材料，形成新的大坝类型——不同材料复合坝[1]。这种坝型由于兼具了2种或以上坝体的特点，在实现预定功能的基础上，能够较好地利用当地较为经济、可用的坝体材料，能够充分发挥经济性。组合坝的加固形式在国内外均有一定的工程实例[2-11]，国内的如位于云南省华坪县与四川省攀枝花市交界处的观音岩水电站，该电站左岸为RCC重力坝右岸为心墙堆石坝，两坝体间由“软接头”的形式连接，重力坝可用于泄洪，堆石坝可节省造价。新疆山口水电站的大坝也是采用混合坝，由心墙土石坝和RCC重力坝组合而成。国外同样也有不少复合坝[12-15]，其中美国的普布罗坝就为支墩坝-土石坝的混合坝形式；日本宫川坝也是混凝土坝-心墙土石坝组合坝。在这些组合坝中，混凝土坝既可以作为土石坝中的心墙防渗体，又能起到挡水坝的作用。

本文结合深圳赤坳水库实际情况，针对主浆砌石大坝存在的整体抗滑稳定安全裕度不足以及左坝肩存在渗漏的问题，提出“浆砌石-混凝土”组合坝的新型大坝结构加固方案，并通过计算分析其技术可靠性，为大坝加固优化设计提供一种新方案的参考。

1 大坝加固方案

深圳市赤坳水库(图1)位于深圳市坪山区坪山河上游支流金龟水上。赤坳水库始建于1978年，1983年开始蓄水运行，1985年正式竣工验收。经过30多年的运行，赤坳水库功能发生转变。赤坳水库建库时主要功能是灌溉、发电及防洪，现在水库已转为集防洪、供水、调蓄为一体的城市供水水库。

图1 加固典型横剖面(mm)

赤坳水库加固前大坝为浆砌石重力坝，大坝坝高39.1 m，坝长(含溢流坝长)195 m，坝顶高程85.1 m，坝顶宽度4.0 m，坝顶设置防浪墙，防浪墙顶高程86.1 m，主河槽段基础位于微风化花岗岩层上。根据赤坳水库安全鉴定结论，水库大坝存在以下问题：主浆砌石大坝整体抗滑稳定安全裕度不足，不能满足作为城市型水库大坝的安全设计标准，对水库下游安全和供水安全都存在一定的风险，而且大坝左坝肩存在坝肩渗漏问题。需要通过除险加固措施，提高和确保大坝结构安全。坝址区呈现对称河谷，两边山体相对浑厚陡峻，不宜完全拆除，因此根据水利行业相关规范，进行加固是有意义和必要的。

库区两岸山体雄厚，右岸坡角50～60°，左岸地形坡度较缓，坡角为25～35°，该河谷呈左缓右陡形态。坝址区岩石较为坚硬，左岸坝址区存在裂隙，但无缓倾结构面，无断层，无软弱夹层，坝址地质状况良好。赤坳水库大坝工程坝址地质条件良好，且强风化层厚度较薄，岩体均一性较好，两坝肩未发现软弱泥化夹层及对坝肩稳定严重不利的结构面组合，仍适宜维持重力坝型式。

由于赤坳水库工程区内石料场的石料不能满足已有的浆砌石大坝的加固需求，坝址区具有较为便利的商品混凝土釆购渠道，且其混凝土骨料质量较好，可满足坝体加固的需求。因此，本文突破常规釆用物理力学性能较接近的同种材料加高培厚的水库大坝加固方式，即采用当地较为经济的工程材料混凝土，未采用现状条件稀缺但与现有坝体物理力学特性接近的规整石料砌筑。提出“浆砌石-混凝土”新型组合坝结构，以实现工程的技术可行性与经济合理性的综合平衡。

1.1 加固方案一

本方案通过釆用在坝前新建防渗墙，墙体内设廊道，对坝基进行帷幕灌浆，新设排水孔等措施，减少坝体渗漏，减小坝体扬压力，增加坝体自重，增加坝体抗滑稳定。

防渗墙体釆用C30防渗混凝土，墙顶厚1.0 m，净高39.1 m，墙体上部坡度为1.00∶0.15，57.0～65.0 m高程段坡度为1.0∶0.5。防渗墙底部至57.0 m高程墙厚8.5 m，墙体内部设防渗检修廊道，廊道尺寸为2.5 m(宽)×3.0 m(高)，廊道釆用矩形结构，廊道底部高程51.0 m，廊道底距基岩面厚5 m，以保证灌浆压力要求。廊道上游壁距上游侧面距离为3.0 m(约0.08倍作用水头)，以保证渗径要求。廊道上游侧设帷幕灌浆孔2排，孔距3.0 m。下游侧设排水孔，孔距2.5 m。廊道下游侧设排水沟，通过排水管道将廊道内渗水排至坝体之外。在廊道内部新设坝基扬压力监测设施，并通过光缆与中控室连接，实现观测自动化。防渗墙底基础设在微风化花岗岩层，底高程为46.0 m。

1.2 加固方案二

本方案通过坝肩帷幕灌浆，减小坝肩渗漏。坝后坡釆用C25混凝土墙加厚，增大坝体抗滑力，提高坝体稳定性。

1.2.1右坝段加固

右坝段加固典型断面见图2。右坝段加固长度为57.0 m，加固后坝顶高程85.1 m，宽度8.0 m，下游加固后为折面型式，折坡点高程为82.24 m。加固高度为16.0～39.1 m，加固墙体釆用C25混凝土结构(表面配温度筋)。右坝肩20 m范围内采取帷幕灌浆处理，防止坝肩新填土与原有填土之间接触不密实形成绕坝渗漏。灌浆深度18.20～24.66 m，进入中风化岩层深度不小于5.0 m。帷幕灌浆采用双排孔，孔距及排距均釆用2.0 m。

图2 右坝段加固典型断面(mm)

1.2.2中间非溢流坝段加固

中间非溢流坝段位于溢流坝左右两侧，总长度为41.0 m，其中溢流坝右侧长31.0 m，溢流坝左侧长10.0 m。中间非溢流坝段加固高度为39.1 m，加固后坝顶高程85.1 m，宽度8.0 m，下游加固后为折面型式，折坡点高程为82.24 m。 中坝段在58.0 m高程处设平台，宽9.69 m。 加固墙体采用C25混凝土结构(表面配温度筋)。中间非溢流坝段共设3道变形横缝，宽20 mm， 缝间填设聚氨醋嵌缝。加固典型断面见图3。

图3 中间非溢流坝段加固典型断面(mm)

1.2.3溢流坝段加固

溢流坝段总长度为29.0 m，加固高度为39.1 m，加固后坝顶高程85.1 m，坝顶宽度6.0 m。加固后堰型为WES堰，堰顶高程82.0 m，鼻坎挑角θ为20°，鼻坎顶端高程55.5 m，反弧半径采用R=16.0 m。溢流堰段采用C30钢筋混凝土结构，两侧采用C25钢筋混凝土翼墙。

溢流坝段通过联通桥与主坝左右段连接，联通桥宽度6.0 m，联通桥总长29.0 m，共5孔，单孔净宽5.0 m，中间设隔墩，隔墩厚度1.0 m。加固典型断面见图4。

图4 溢流坝段加固典型断面(mm)

1.2.4左坝段加固

左坝段总长度为60.16 m，加固高度为6.0～39.1 m。加固后坝顶高程85.1 m，坝顶宽度8.0 m。下游加固后为折面型式，坡点高程为82.24 m。左坝段釆用C25钢筋混凝土结构。

同时利用排水管通水、分块浇筑等措施降低混凝土水化热，防止大体积混凝土结构出现温度裂缝等问题。由于坝后加固基岩较为坚硬，为减小开挖基岩对现状坝体的影响，基岩开挖采用静爆法。左坝肩40 m范围内采取帷幕灌浆处理，加固主坝左坝段与坝基，减小主坝左坝肩与基岩之间的绕坝渗漏。灌浆深度9.95～19.96 m，进入中风化岩层深度不小于5.0 m。帷幕灌浆釆用双排孔，孔距及排距均釆用2.0 m。加固典型断面见图5。

图5 左坝段加固典型断面(mm)

推荐方案二相对推荐方案一来说，在增加抗滑力、增加坝体稳定性和减少坝体渗漏的同时，有针对性地设置了坝肩防渗措施，显著地减小了坝肩的渗漏，解决了坝肩渗漏较大的问题。因此经过比选，选定方案二作为最终方案。按推荐方案二除险加固前后情况见图6、7。一般情况下，在坝肩渗漏较大的时候，坝后培厚加固法往往更为适用。此外，加固方案的优化总投资为17 404万元，优化节省的投资达到了8 500余万元，说明优化方案具有较好的经济性。

图6 除险加固前

图7 除险加固后

另外，本文中新型组合坝由于结合了2种性能差异明显的筑坝材料，因此在应力以及变形分析时要考虑不同材料接合面的处理，在这一点上，组合坝比较复杂。

2 加固方案的坝体稳定性分析以及渗流评估

2.1 坝体稳定性分析

采用4种工况对加固方案的坝体稳定性进行分析，4种工况分别为：正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位、正常蓄水位+地震。抗滑稳定计算主要核算坝体沿坝基面的滑动稳定性，按抗剪强度公式计算：

(1)

式中K——在抗剪强度计算中与抗滑稳定相关的安全系数；f——坝体材料与坝基接触面的抗剪摩擦系数；∑W——坝体上作用的所有荷载(包括扬压力)相对于滑动平面垂直的法向分量大小，kN；∑P——作用于坝体上所有荷载与滑动平面平行的切向分量大小，kN。

摩擦系数按最小值0.6，浆砌石坝体容重按最小值2.1 t/m3，计算结果见表1—4。

表1 方案一非溢流段稳定计算

表2 方案一溢流段稳定计算

表3 方案二非溢流段稳定计算

表4 方案二溢流段稳定计算

由表中可知，2种方案在各工况下，均满足抗滑稳定要求，说明加固方案改进了抗滑稳定性能。

坝体抗滑稳定计算选择典型剖面进行抗滑稳定计算，成果见表5。其中，新型组合坝体抗剪断系数fi=0.8，基岩抗剪断系数Ci=0.75 MPa，岩体容重为25.51 N/m3，渗压系数取0.3。由表中的计算结果可以看出，在抗滑稳定方法计算当中，在坝体的左右两岸，对于“正常水位+温降”和“设计洪水+温升”2种基本组合工况以及校核洪水+温升的特殊组合工况中，安全系数均远大于规范要求的3.0和2.5的允许安全系数，符合规范要求。

表5 荷载组合

2.2 渗流评估

2种加固方案最主要的作用是对坝体和坝肩的渗流问题进行了处理，因此，新型组合坝的加固方案需要对渗流进行评估。本文对2种方案的渗流结果进行了评估，评估结果见表6。

表6 加固方案的渗流评估

3 结论与展望

针对赤坳水库大坝工程特点，提出了一种“浆砌石-混凝土”的组合坝型，讨论了组合坝的地形适宜条件，以水利行业规范为标准，验算评估了坝体的稳定性与防渗能力。

组合坝是一种十分复杂的坝体，结合本工程特性开展应用与研究，本文只是一种初步的探索，后续还有待进行深入研究。例如，可进一步通过有限元计算，分析组合坝的应力、变形，以及分析大坝与蓄水之间的流固耦合、地下水渗流与坝基岩体物理力学特性的耦合以及不同地基条件的地震振动特性效应分析等。