那吉佛仔迳水库除险加固设计分析

范启俭

(江门市科禹水利规划设计咨询有限公司， 广东 江门 529000)

1 工程概况

佛仔迳水库位于恩平市西南部那吉镇那西村委会，距那吉镇约6.9 km，距恩平中心城区约22 km。水库坝址以上集雨面积4.63 km2，安全鉴定最大库容464万m3，灌溉面积333.33 hm2，保护人口6026人，坝后电站为一级电站，位于主坝左岸背水坡脚，设计年发电量22 kW时，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电、养殖等综合利用的小(1)型水库。属于Ⅳ等工程，主要建筑物级别为4级，次要建筑物、临时建筑物级别为5级。设计洪水标准为30 a一遇，校核洪水标准为500 a一遇。经调洪演算，正常蓄水位196.00 m，相应库容368万m3；设计洪水位196.42 m(p=3.33%)，相应库容392万m3；校核洪水位197.62 m(p=0.2%)，相应库容为464万m3，死水位176.70 m，相应库容为3万m3。枢纽工程主要建筑物由主坝、副坝、输水涵管、溢洪道、坝后电站所组成。由于佛仔迳水库是兴建于1972年，于1976年竣工投入使用，当年工程设计、施工受各种条件限制，设计标准低，施工技术力量薄弱，配套设施不完善，经过多年的运行，水库主要建筑物均存在不同程度的隐患，影响水库安全。2020年对佛仔迳水库进行了安全评价，根据综合评价结果，水库被评为三类坝，存在诸多安全隐患，建议对水库进行除险加固。

2 水库当前存在的问题

2.1 大 坝

当前，佛仔迳水库大坝存在的主要问题是：主坝坝体填筑土水库主坝坝体渗透系数平均为1.13×10-3cm/s，渗透性能属中等透水性，坝体存在轻微渗漏问题；主坝排水棱体顶部渠道底板存在裂缝，坡脚有清水流出，存在诸多安全隐患[1]。

2.2 溢洪道

溢洪道控制段启闭架排架旋转楼梯混凝土出现剥蚀、露筋、开裂等现象，存在严重安全隐患，溢洪道启闭机主要靠人力操作，根据现场调查启闭机启闭困难，闸门止水局部老化，闭门后出现轻微漏水等现象，存在严重的安全隐患。

2.3 输水涵管

输水涵管启闭架卷筒局部发现裂纹，启闭用钢丝绳出现局部锈蚀、压扁、断丝等现象，启闭用钢筋出现锈蚀，转动门盖锈蚀、漏水。启闭室破损，墙体出现裂缝等问题，对水库的防洪、灌溉及发电产生极大的影响。

3 水库除险加固设计分析

3.1 大坝加固措施

3.1.1 坝体灌浆方案选择

针对主坝当前存在的问题，本次主要对主坝采用灌浆防渗处理。主坝坝体灌浆在主坝两侧坝肩采用充填灌浆，坝中采用劈裂灌浆，两侧坝肩坝基采用帷幕灌浆与全坝段高喷灌浆两个加固方案中进行对比，具体如下：

方案一：两侧坝肩充填灌浆。充填灌浆布置为双排，终孔孔距为2.0 m。两侧坝肩进行帷幕灌浆，布置成两排，与充填灌浆钻孔一致，利用充填灌浆钻孔，帷幕灌浆深度至坝基线以下5.0 m。 河床段劈裂灌浆沿原坝轴线1排，终孔孔距5.0 m，劈裂灌浆孔深要求进入砂质黏土层底部。

方案二：高喷灌浆。在距离坝轴线上游端1.5 m处新建一排高压喷射灌浆防渗墙，在高压旋喷桩之间采用高压摆喷桩加密，灌浆深均要求进入强风化二长花岗岩线以下1.0 m。

两种灌浆方案技术都比较成熟，均可以达到设计要求，且都有大量工程实例，防渗效果也都比较理想。但是本工程坝体填土含砂量低，高喷灌浆成桩效果不好，相比较高喷灌浆造价相比较高。

土坝坝体劈裂式灌浆是运用坝体应力分布规律，用一定的灌浆压力，将坝体沿坝轴线方向劈裂，同时灌注合适的泥浆，形成铅直连续的防渗泥墙，从而堵塞漏洞、裂缝或切断软弱层，提高坝体的防渗能力，并通过浆、坝互压和湿陷，使坝体内部应力重分布，提高坝体变形稳定性。灌浆后坝体密实度得到提高，渗透系数降低，背水坡湿润渗水现象消失，坝体渗流量减少。

经过综合比较，选择方案一河床段劈裂灌浆、两侧坝肩充填灌浆+坝基帷幕灌浆方案。

3.1.2 大坝灌浆布置

(1)坝体充填灌浆布置。 充填灌浆范围右坝肩桩号0+000～0+021、左坝肩桩号0+121～0+136。充填灌浆为双排，上游排布置在距离坝轴线上游侧3.0 m处，下游排布置在距离坝轴线上游侧0.5 m处。充填灌浆终孔孔距为2.0 m。两侧坝肩共布置钻孔38个，其中右坝肩布置钻孔22个，左坝肩布置钻孔16个。充填灌浆长度399.98 m。

(2)坝基帷幕灌浆布置。 两侧坝肩充填灌浆坝段坝基也进行帷幕灌浆，布置成两排，与充填灌浆钻孔一致，重合部分共用钻孔。充填灌浆深度至坝基线，帷幕灌浆深度至坝基线以下5.0 m。充填灌浆与帷幕灌浆搭接长度为2.0 m，先进行帷幕灌浆，再进行充填灌浆。帷幕灌浆共计钻孔长669.14 m，灌浆长266.00 m。

(3)坝体劈裂灌浆布置。 河床段劈裂灌浆沿原坝轴线上游侧1.5 m处布置1排，桩号0+011～0+131，终孔孔距5.0 m，共布25个孔。劈裂灌浆孔深要求进入砂质黏土层底部。劈裂灌浆共计钻孔长度426.76 m，灌浆长度426.76 m。劈裂灌浆与两侧充填灌浆有部分重合，重合段桩号先进行充填灌浆后进行劈裂灌浆。

灌浆施工对路面造成损坏，因此灌浆完成后对坝顶轴线上游侧3.25 m宽坝顶路面拆除重建，采用C30混凝土厚0.25 m，重建路面桩号范围0+000～0+135。

(4)重建排水棱体顶部灌溉渠道。 主坝排水棱体顶部现状灌溉渠道渗漏，拆除重建，总长49.4 m。重建采用C25钢筋混凝土U形结构，过水断面尺寸为1.0 m×1.2 m(宽×深)，底板、侧墙厚度均为0.3 m。渠道每10 m设置一道分缝，采用紫铜片止水。

3.1.3 大坝渗流计算

根据大坝加固后的实际情况，本次选择主坝最大坝高断面进行渗流分析，具体见图1所示。

图1 加固后主坝渗流计算土质分层图示

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2020)建议，渗透系数k值采用地质报告建议值，给水度u由程序根据渗透系数k和孔隙率n计算确定，具体计算参数详见表1。

表1 渗透系数的选取

根据规范SL 274—2020，渗流按以下工况进行计算：

(1)上游正常蓄水位196.00 m，相应下游无水。

(2)上游设计洪水位196.42 m，相应下游无水。

(3)上游校核洪水位197.62 m，相应下游无水。

(4)库水位从校核洪水位197.62 m按正常泄洪降至溢洪道堰顶高程192.00 m非稳定渗流浸润线，相应下游无水。

当校核洪水位降落到溢洪道堰顶高程时，水位降落曲线采用500 a一遇调洪过程线。校核洪水位为197.62 m，相应库容为464万m3；堰顶高程192.00 m，相应库容为193万m3，库容差271万m3。根据水库运行控制和调洪演算，校核洪水位降至堰顶高程时的降落时间约为5 h。

本次渗流分析采用南京水准科技有限公司研发的“AutoBANK7.7”软件，计算方法采用有限元法。加固后大坝各工况计算结果见表2。

表2 主坝加固后渗流计算成果

根据渗流计算结果得知，大坝经过加固后，其渗流量比加固之前大幅度降低，各工况出逸点高程均位于坝体反滤排水体内，加固后的大坝渗流量能满足设计规范要求[2]。

3.1.4 大坝稳定计算

在主坝坝体坝基进行填充灌浆后，还需复核加固后的坝坡稳定性。一般计算断面会选择大坝最大坝高断面进行分析。

根据规范SL 274—2020，坝体抗滑稳定复核采用简化毕肖普法。稳定系数计算如公式(1)：

(1)

式中：W为土条重量，kN；V为垂直地震惯性力(向上为负，向下为正),kN；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角,(°)；u为作用于土条底面的孔隙压力,kN/m；b为土条宽度，m；φ′为有效抗剪强度指标，土条底面的内摩擦角，(°)；c′为有效抗剪强度指标，土条底面的凝聚力，kPa；R为圆弧半径,m；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m。

大坝坝坡稳定分析计算主要复核以下工况：

(1)正常运用条件：1/3坝高水位(相应下游无水)稳定渗流的上游坡。

(2)正常运用条件：上游正常蓄水位196.00 m(相应下游无水)稳定渗流下的上下游坝坡。

(3)正常运用条件：上游设计洪水位196.42 m(相应下游无水)稳定渗流下的上下游坝坡。

(4)非常运用条件Ⅰ：上游校核洪水位197.62 m(相应下游无水)稳定渗流下的上下游坝坡。

(5)非常运用条件Ⅰ：库水位从校核洪水位197.62 m按正常泄洪降至堰顶高程192.00 m的坝体非稳定渗流的上游坡。

坝坡稳定计算采用南京水准科技有限公司研发的“AutoBANK7.7”软件，用简化毕肖普法计算稳定渗流期以及非稳定渗流期坝坡最小抗滑稳定安全系数。成果见表3。

表3 坝坡稳定安全系数成果

根据坝坡稳定计算结果看出，加固后大坝在各种工况下，大坝坝坡抗滑稳定安全系数均满足现行设计规范的要求。

3.2 溢洪道加固设计

针对溢洪道所存在的安全隐患，本次加固设计计划拆除原启闭架，重建启闭室并将闸门更换为平板钢闸门，拆除重建检修平台。

将中墩交通桥上游侧拆除至现状溢洪道底板高程192.00 m，两侧边墩交通桥上游侧拆除至197.65 m高程，拆除长度均为4.30 m。然后植入锚筋，浇筑C30混凝土至200.65 m高程。

设置两层检修平台，底层桥面高程198.15 m，顶层与路面齐平，桥面高程为200.65 m。

现状闸墩及底板新开凿闸门槽，埋设预闸门埋件后回填C30混凝土。更换平板钢闸门2扇，尺寸均为3.0 m×4.3 m(长×高)。

重建上部启闭室，启闭室地面高程为206.95 m，启闭室内设置启闭机，一门一机，采用2台QPQ1×12 t固定式卷扬机。

为避免开挖影响现状路面，在两侧边墩后采用拉森Ⅳ型钢板桩防护，钢板桩总长6.0 m，入土深度4.0 m，支护深度2.0 m。左右两侧钢板桩支护长度均为8.4 m[3]。

3.3 输水涵管加固设计

针对输水涵管启闭机存在的问题，本次加固设计主要进行下列内容：

(1)更换涵管启闭机，重建涵管启闭房。

(2)重建涵管启闭房，面积2.5 m×2.5 m，启闭房内设5 T手动卷扬机两台。

(3)沿输水涵管中心线两侧在坝体各布置一排充填灌浆，距离涵管2.0 m，终孔孔距为2 m，梅花型布置，共布置有30个孔，以进入砂质黏土2 m 控制。涵管两侧充填灌浆共计钻孔567.38 m，灌浆长567.38 m。

4 结 论

本次除险加固工程是结合佛仔迳水库实际情况进行设计，主要对主坝坝体、坝基进行灌浆防渗处理，排水棱体顶部灌溉渠道底板拆除重建；拆除开裂、锈蚀的启闭架，重建启闭室与检修平台；更换启闭机，重建涵管启闭房等。水库除险加固工程实施完成后，水库一直存在的安全问题得到解决，不仅提升了水库的防洪、灌溉、发电能力，同时还保障灌区人们的生活用水与安全，且取得了良好的社会经济效益。