龍潭坑水庫砌石拱壩除險加固設計

羅兆鵬，袁 慧

（溫州市水利電力勘測設計院，浙江 溫州 325000）

摘 要：洞頭縣龍潭坑水庫為雙曲砌石拱壩, 2013年認定為三類壩，存在的主要問題為大壩拉應力超過規範標準,壩體多處出現裂縫，滲漏較大。加固設計採用在迎水面壩基以上17.50 m範圍內增設0.50 ～ 2.00 m厚混凝土防滲面板；對壩體裂縫進行灌漿，堵塞滲流通道和縫隙，加固補強壩體和提高防滲性能。除險加固後，消除了大壩多年的隱患，確保了水庫的安全運行。

關鍵詞： 砌石拱壩；加固設計；防滲面板；灌漿設計

龍潭坑水庫位於洞頭縣北嶴街道，水庫集雨面積1.00 km2，總庫容48.00萬m3，屬小（2）型水庫。大壩為砌石雙曲拱壩，由非溢流壩段和溢流壩段組成，壩頂高程76.50 m，最大壩高27.50 m，壩頂長度142.20 m，壩頂寬2.00 m，壩底寬7.00 m；溢流堰頂高程75.00 m，堰頂凈寬14.00 m。正常蓄水位75.00 m，設計（P = 0.33%）洪水位75.73 m，校核（P = 0.50%）洪水位75.90 m，最大下泄流量23.70 m3/s。水庫主要功能為供水，併兼顧防洪。

2013年水庫認定為三類壩，即病險水庫，存在的主要問題為：大壩拉應力超過規範標準,壩體多處出現裂縫，滲漏較大，無法正常運行，需要進行除險加固。除險加固的主要內容有：①在迎水面增設混凝土防滲面板，加厚壩體，改善壩體應力條件；②對壩體裂縫進行防滲處理，減少壩體滲漏。

2.1 防滲面板方案比選

根據安全認定成果，壩體最大拉應力1.85 MPa，不滿足規範要求，擬採取加厚壩體的加固方案以改善壩體應力。以規範應力控制標準進行試算[1]，分別擬定上游面壩底加厚1.50，2.00，2.50，3.00 m，頂部均加厚0.50 m，拱冠樑上游面按三次方曲線漸變，計算壩體最大拉應力。壩基加固厚度應力試算見表1。

表1 壩基加固厚度應力試算表

加固範圍壩體加固厚度/m壩體最大拉應力/MPa允許最大拉應力/MPa全壩面1.501.341.20 2.001.171.20 2.501.141.20 3.001.061.20

試算成果顯示，壩基加厚厚度在2.00 m以內時，隨著厚度的增加，最大拉應力逐漸減小；當加厚超過2.00 m時，隨著厚度的增加，最大拉應力降低變化不大。如表1所示，壩基加厚1.50 m時，最大拉應力不滿足規範要求；加厚2.50 m時，對於壩體最大拉應力的降低影響不大，且加厚方量較大，投資大。最終確定壩加厚2.00 m。

在確定上游面加厚範圍時，以規範應力控制標準進行試算，擬定了全壩面、壩基以上20.00 m範圍、10.00 m範圍加厚3個方案。面板加固範圍應力試算見表2。

表2 面板加固範圍應力試算表

壩基加固厚度/ m面板加固範圍壩體最大拉應力/MPa允許最大拉應力/MPa 2.00全壩面1.171.20壩基以上20.00 m1.181.20壩基以上10.00 m1.241.20

試算成果顯示，隨著加固高度的增加，最大拉應力逐漸減小；但當加固高度超過20.00 m時，隨著高度的增加，最大拉應力降低變化不明顯。現狀壩體拉應力主要出現在壩體上游面壩踵部位，上部應力較小，上部加厚對壩體最大拉應力的降低影響不大。如表1所示，壩基以上10.00 m範圍進行加厚時，壩體最大拉應力不滿足規範要求；全壩面加厚時，加厚的方量較大，越往高處加厚，施工難度越大，所需排架工程量也相應增加，投資越大。因此，壩基以上20.00 m範圍加厚時，可以滿足要求。在此基礎上進行試算和優化，最終選定在迎水面壩基以上17.50 m範圍內增設0.50 ～ 2.00 m厚混凝土防滲面板，壩體拱冠樑上游面曲線為y = 0.004 Z3+ 0.002 9 Z2+ 0.001 1 Z + 0.035。其中，Z為壩高（m），y為拱冠樑上游面與壩底凸點的水平距離（m）。

2.2 防滲面板設計

防滲面板採用C20W6F50鋼筋混凝土現澆。面板底部與基岩採用φ20@1.50 m錨筋連接，梅花型布置。為利於面板與原壩面結合，在澆築之前，對砌石縫已開裂但尚未脫落的砂漿予以鑿除，原壩面上的風化層及污物、淤泥和其它附著物用高壓水進行徹底清除，表面空洞的地方，用砂漿進行填充。同時採用砂漿錨桿連接，直徑φ20，間距2.50 m，梅花型布置，錨桿伸入原壩體1.00 m。錨孔採用風鑽鑽孔，略向下傾斜3° ～ 5°，便於注入砂漿。

為提高面板混凝土的抗裂性能，在混凝土表面設φ8鋼筋網，間距200 mm，方格布置，同時在混凝土中摻加適量的聚丙烯纖維，摻量為0.7 ～ 0.9 kg/m3。防滲面板每隔22.0 m設1道後澆帶，後澆帶寬1.00 m，共設4道。後澆帶與先澆混凝土止水採用遇水膨脹止水帶，後澆部分採用C25膨脹混凝土。

由於貼面混凝土受到老壩體的約束，易產生約束裂縫。設計採用了3種對策處理：①施工時防滲面板設後澆帶；②混凝土防滲面板迎水面布置φ8@200鋼筋網，鋼筋網與壩體採用錨筋相連；③混凝土中摻加聚丙烯纖維。從而有效地控制面板表面裂縫的開展，提高了混凝土的耐久性、抗滲性、抗裂性和韌性。

2.3 壩體灌漿設計

根據安全認定的結果，大壩施工質量較差，取芯不完整，吃漿不飽滿，砌縫寬，壩體內砂漿流失嚴重，並存在蜂窩現象，砌石之間存在滲漏通道。設計採用在低溫季節對壩體水平裂縫進行灌漿，堵塞滲流通道和縫隙，加固補強壩體和提高防滲性能，進一步提高壩體的承載能力和完整性。壩體灌漿共布設2排，分布於上游面和下游面。布孔採用沿縫斜孔（角度40°）交叉布置，孔深3.00 m，穿過水平縫1/3深度處，裂縫密集部位孔深5.00 m，孔距加密布置。灌漿壓力為0.3 MPa，分3序施工，採用全孔1次灌漿法，通過灌漿，解決了壩體內部由於不密實而導致的滲漏安全隱患。

2.4 裂縫和滲漏點處理方案

面板以上裂縫及壩後滲漏部位的處理則通過開槽，沿裂縫鑿成「V」形槽，寬度約15 cm，深約8 cm，清除槽內鬆動的混凝土碎屑及粉塵，騎縫鑽孔，孔距視裂縫寬度取0.50 ～ 1.00 m，預埋灌漿管往縫內灌注LW水溶性聚氨酯，槽內填充HK - 8505聚氨酯彈性密封膠。大壩加固剖面見圖1。

圖1 大壩加固剖面圖

2.5 加固後應力分析

應力計算採用拱梁分載法，運用拱壩體型優化設計程序「ADAO」進行計算[2]，加固後體型參數見表3。

根據規範並結合工程實際情況，壩體結構應力計算考慮6 種工況（見表4）， 經過加固後，6種工況下的壩體結構應力均滿足規範要求。

表3 加固後大壩體形參數表

序號高程/ m拱冠樑上游面z / m拱冠梁厚度TC/ m拱圈上游半徑Ru/ m拱圈下游半徑Rd/ m左半中心角/ °右半中心角/ ° 176.500.002.0074.3272.3253.9855.66 274.00- 0.262.4774.0571.5853.5854.52 371.50- 0.582.6071.9969.3950.9251.95 469.00- 1.093.0270.4767.4549.0150.32 566.50- 2.234.0068.1264.1247.1049.58 664.00- 3.184.6866.6661.9845.7446.53 761.50- 3.965.1864.0458.8645.2744.33 859.00- 4.535.5961.5055.9143.6842.48 956.50- 4.836.3360.2253.8941.9140.09 1054.25- 5.107.2057.7050.5037.3837.22 1149.00- 5.309.0050.6741.6736.0536.05

表4 壩體結構應力計算工況表

工況組合條件1基本組合正常蓄水位+自重+泥沙壓力+設計正常溫降2基本組合設計洪水位+自重+泥沙壓力+設計正常溫升3基本組合死水位+自重+泥沙壓力+設計正常溫降4基本組合死水位+自重+泥沙壓力+設計正常溫升5特殊組合校核洪水位+自重+泥沙壓力+設計正常溫升6特殊組合空庫（施工期）+自重+設計正常溫降

工程於2014年3月開工，2014年12月完工，2015年11月竣工驗收。經過2015年汛期考驗，工程運行正常，上游面板未發現裂縫，充分肯定了貼面混凝土面板防裂措施是有效的。高水位運行時，壩後無滲漏，原滲漏點均未出現滲漏現象，工程初期運行正常，達到了除險加固的目的，充分發揮了水庫應有的功能。工程建成後其社會效益顯著，為洞頭區人民生活用水提供了保障，對洞頭區經濟建設具有重要意義。

（1）建於20世紀六七十年代的漿砌石小型拱壩，由於施工技術薄弱，砌築質量控制不好，導致壩內不密實，存在滲漏通道，易造成壩體嚴重漏水，對大壩安全運行帶來嚴重隱患。在除險加固工程實踐中，針對這類壩型出現的問題，可採用壩體灌漿結合壩面裂縫化學灌漿處理，充填壩內孔隙，堵塞滲流通道，達到加固補強壩體，提高防滲大壩能力。

（2）對於壩體單薄，壩面不平整，存在拉應力超標的情況。可採用在壩體迎水面增設防滲面板，通過多次試算，確定增設面板的最優厚度和高度，既可解決了壩體應力超標，又節省投資；結合灌漿措施又能補強壩體，進一步提高壩體的承載能力和完整性。該方案工藝簡單，而且防滲效果可靠，耐久性長。

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（責任編輯 姚小槐）

中圖分類號：TV698.2+3

文獻標識碼：B

文章編號：1008 - 701X(2017)02 - 0057 - 04

DOI：10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.02.016

收稿日期：2016-12-25

作者簡介：羅兆鵬(1989 - )，男，助理工程師，大學本科，從事水工結構設計。