福溪水庫主壩除險加固設計

杜巧豐 余學彥 陳崇潮

（浙江省水利水電勘測設計院，浙江杭州 310002）

福溪水庫位于浙江省樂清市仙溪鎮上游約 5km的大荊溪支流福溪中游。福溪水庫壩址以上集水面積39.17km2，水庫總庫容為 2270萬 m3。福溪水庫是一座以防洪為主，兼有發電、灌溉等綜合利用的中型水庫。福溪水庫水庫樞紐主體工程有攔河壩（包括主壩、副壩）、溢洪道、泄洪放空洞、輸水隧洞、發電廠和升壓站等建筑物。

福溪水庫工程于1959年11月28日動工興建，1960年5月基本建成，1960年開始蓄水，其后經多次加固達到現狀規模。工程建設采用分期定向爆破方案填筑，由于粘土斜墻填筑質量較差，爆破堆石體與斜墻之間缺少反濾，在蓄水過程中斜墻數次出現滲漏漏洞通道和壩體裂縫。1961年斜墻翻修，填筑反濾層；1963年和1964年主壩翻修；1972年翻修斜墻，并進行水泥灌漿處理；1986年～1987年6月，下游坡加固，增填堆石料并進行壩面干砌塊石護坡。

2005年11月，在樂清市水利局的組織下，由南京水利科學研究院承擔安全鑒定工作，對福溪水庫進行了安全鑒定，經溫州市水利局審定，水利部大壩安全管理中心核定，確定福溪水庫大壩為三類壩，必須進行除險加固。

2007年6月開始進行大壩除險加固設計，經過多方案比較論證后，主壩采用鋼筋混凝土面板防滲方案進行壩體防滲處理，副壩采用新建混凝土重力壩進行加固處理的方案。主體工程于2009年10月15日開工，2010年12月福溪水庫除險加固工程蓄水安全鑒定完成通過了蓄水安全鑒定，同時開始蓄水運行。

1 主壩除險加固前概況

攔河壩壩型為粘土斜墻定向爆破堆石壩。壩頂長度115.00m，寬度7.00m，壩頂高程235.31m，最大壩高50.00m，壩頂設高1.00m的混凝土防浪墻，采用人工堆石、定向爆破堆石和含礫砂粉質粘土作為壩體。攔河壩上游壩坡自上而下坡度分別為1:2.1、1:2.7、1:4.0、1:1.5，在高程 227.31m、處變坡，上游壩坡無馬道和護坡。下游壩坡自上而下坡度分別為1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.5，在高程 225.31m、216.31m、201.31m處變坡，在高程225.31m、216.31m、201.31m處分別設置寬1.00m、1.20m、1.65m的馬道。

2 主壩存在的問題

福溪水庫主體工程缺乏必要的前期工作，設計嚴重滯后，屬于典型的“邊勘測、邊設計、邊施工”的“三邊”工程，工程建設采用分期定向爆破方案填筑，建設管理和質量控制都十分落后。

主壩填筑壓實度與防滲體系達不到現行規范要求，并造成壩體沉降量大和多次出現裂縫，工程質量不合格。主壩防滲體系存在缺陷，斜墻填筑質量差，滲透性偏大，過大沉降產生的橫向裂縫可能進一步削弱了斜墻的防滲功能；左、右壩肩存在繞壩滲漏接觸帶滲漏；主壩滲透穩定性不滿足要求。

壩體變形量大，最大累計沉降量達 829mm，最大沉降率為1.86%，遠超過一般經驗和規范要求，運行中曾出現嚴重裂縫尤其是出現過與壩軸線斜交裂縫，存在一定的安全隱患，而且水庫一直限制低水位運行，未經受高水位考驗；下游坡偏陡，其抗滑穩定安全系數不能滿足規范要求，主壩上游采用草皮護坡，不符合規范要求，主壩結構不安全。

監測設施落后、不完善，監測布置不合理，監測手段落后。主壩存在蟻害隱患。

福溪水庫攔河壩存在病險與安全隱患，屬“三類壩”。

3 主壩防滲加固設計

3.1 主壩防滲加固方案的選擇

考慮到興建工程時的特殊歷史情況和長期運行中所出現的問題，福溪水庫主壩目前存在諸多安全隱患問題，主壩防滲體存在質量問題，粘土斜墻以及粘土斜墻與壩基接觸段存在滲漏和滲透變形，需進行防滲加固處理。主壩防滲加固處理的目的是截斷壩體和接觸段的滲漏通道。針對工程特點和存在的問題，提出了對主壩進行除險加固處理的多個方案，通過鋼筋混凝土面板防滲加固方案和瀝青混凝土面板防滲加固方案等多方案的綜合技術、經濟比較后，選用鋼筋混凝土面板防滲加固方案。

3.2 主壩結構設計

鑒于混凝土面板對變形的敏感性較強，而原人工堆實體和爆破堆石體未經碾壓，彈性模量較小，受力后變形較大，而面板堆石壩主堆石區為壩體的主要支承體，面板受水壓作用后，大部分的力通過主堆石區傳遞至壩基，因此為減少變形，對部分人工堆實體和爆破堆石體予以挖除，重新填筑主堆石區。

首先挖除高程230.31m以上壩體結構、原上游壩面的粘土斜墻、原反濾層和原部分人工堆石、部分爆破堆石，開挖后上游壩坡為 1:1.3，開挖后河床段上游壩腳距離壩軸線（原壩頂中心）距離為55.00m。壩面防滲采用新建鋼筋混凝土面板防滲。在開挖面上游側分區填筑，分層碾壓，自上游至下游依次分為3個主要填筑區：墊層區（2A區，水平寬度2.00m）、過渡區（3A區，水平寬度5.50m）、主堆石區（3B區）。另在面板周邊縫附近設置特殊墊層區（2B區）。下游壩坡設坡面處理區。

拆除原壩頂防浪墻，重建壩頂結構。壩頂高程235.31m，防浪墻頂高程236.51m，河床段清基后，壩基趾板底高程185.31m，相應最大壩高50.00m。壩頂寬度根據運行、壩頂設施布置、施工要求、交通要求以及壩體應力應變計算成果分析論證確定為 9.00m，壩頂長度為 126.80m。壩頂上游側在高程 234.71m以上新建 “L”型C20W6F50鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻墻頂高程 236.51m，高出壩頂1.20m，墻高1.80m，頂部厚度為0.30m。壩頂設厚12cm#60瀝青混凝土路面，路面下分別設厚度為18cm的C10素混凝土墊層、厚度為20cm的碎石墊層，墊層下部為新填筑過渡層區、主堆石區。壩頂下游側在高程235.28m以上設C20F50鋼筋混凝土路肩，頂高程235.81m，高出壩頂0.50m，高1.10m，頂部厚度為 0.35m，底部厚度為 1.00m；路肩內設電纜溝，電纜溝內鋪設埋設電纜管。另外在壩頂下游側設置路燈，路燈間距 12.0m。壩頂下游路肩下游面位于壩軸線上游1.20m。

由于下游壩坡抗滑穩定不滿足規范要求，因此對原下游壩坡進行處理：放緩壩坡。對高程216.31m以上的壩坡進行削坡處理，削坡后坡度1:1.5，在高程216.31m、225.31m處各設置一寬為2.00m的馬道，坡面設干砌塊石護坡（3D區），厚40cm。高程216.31m以下壩坡保持原狀不變：坡度為 1:1.5，在高程201.31m為處設置一寬為2.00m的馬道。為排除壩坡雨水，在下游壩坡與地面交接處外側設M7.5漿砌塊石排水溝，斷面為梯形，排水溝底寬35cm，深50cm。

壩體上游為大壩防滲體系，主要由鋼筋混凝土防滲面板、上游混凝土防浪墻、混凝土趾板、混凝土岸墻、灌漿帷幕及分縫間的止水等組成。面板采用C25W10F100鋼筋混凝土，面板厚35cm，與上游混凝土防浪墻相接，底部座落于混凝土趾板上。面板采用滑模施工，面板垂直縫在接近周邊縫 1m處轉彎，使其與周邊縫呈垂直正交，以避免面板在周邊縫處出現尖角。周邊縫和面板垂直縫均設二道止水，底部為止水銅片，頂部為 SR塑性嵌縫填料止水。上游混凝土防浪墻坐落在高程234.71m的壩體上，與防滲面板相接，接縫設置底部止水銅片和頂部 SR填料二道止水，墻頂高程 236.51m，墻高1.80m，為了適應壩體沉陷和溫度變化，伸縮縫與面板垂直對齊，在迎水面設 SR填料止水一道。趾板位于面板周邊與基礎交界處，為面板連接體，同時兼作基礎帷幕灌漿和固結灌漿的蓋板。

主壩防滲加固方案的標準斷面圖如圖1。

圖1 主壩標準斷面圖 (單位：高程、樁號以m計，余均以cm計)

3.3 主壩基礎處理

趾板范圍內所有地質鉆孔必須進行封孔，孔口高程低于正常蓄水位的鉆孔須全孔封堵，孔口高程高于正常蓄水位的鉆孔，封口高程為 233.51m。為減少地基沉陷和壩基滲漏，趾板基礎要求置于弱風化基巖上。對趾板基礎進行固結和帷幕灌漿，固結灌漿孔為兩排，排距 3.0m、孔距 3.0m，建基面以下孔深 5.0m；防滲帷幕孔一排，帷幕孔距 2m，孔深要求深入相對不透水層（透水率≤3Lu）以下5.0m，左岸帷幕延伸到正常蓄水位與相對隔水層線相交處，右岸帷幕延伸到與副壩左岸防滲帷幕相連接。為防止趾板在基礎灌漿時被抬動，趾板基礎設有錨筋，錨筋間距為 1.50m×1.50m，伸入基巖內2m。通過趾板的斷層需按其破碎帶寬度的1.5倍深挖，回填C15混凝土處理并向下游延伸5m。

3.4 主壩下游壩坡設計

3.4.1 安全鑒定壩坡穩定分析情況

安全鑒定時下游壩坡穩定分析選擇主壩最大壩高斷面進行分析，分析方法采用簡化畢肖普法進行分析計算，滑裂面為圓弧，材料抗剪強度采用有效應力抗剪強度指標和總應力抗剪強度指標，根據計算得出下游壩坡抗滑穩定最小安全系數為1.16，不滿足規范要求。

3.4.2 下游壩坡坡度的確定

3.4.2.1 下游壩坡穩定計算方法

根據《碾壓土石壩設計規范》（SL274-2001）第 8.3.4條的規定：“面板堆石壩的粗粒料（堆石體）應采用非線性抗剪強度指標進行穩定計算”。對于粗粒料，內摩擦角隨法向應力增加而減少，呈現明顯的非線性現象，即抗剪強度是小主應力的函數，在靠近壩坡面的小應力部位抗剪強度或內摩擦角較高，在靠近壩底的高應力部位抗剪強度或內摩擦角較低，但由于目前采用非線性計算的工程還比較少，經驗還不多，規范沒有規定采用非線性抗剪強度指標的穩定安全系數標準。

根據《混凝土面板堆石壩設計規范》（SL228-98）第 5.3.1條的規定：“混凝土面板堆石壩壩坡參照已建工程選用，一般可不進行穩定分析，當存在下列情況之一時，須進行相應的穩定分析：①壩基有軟弱夾層或壩基砂礫石層中存在細砂層、粉砂層或粘性土夾層；②壩址位于地震設計烈度 8、9度的壩；③施工期堆石壩體過水或堆石壩體用墊層擋水度汛、且擋水水深較高時；④壩體用軟巖堆石料填筑；⑤地形條件不利”?？紤]到本工程趾板基礎考慮座落于基巖上，其余壩基表層土均予以挖除，爆破堆石和人工堆石均未進行碾壓，故對下游壩坡進行壩坡抗滑穩定分析。

下游壩坡抗滑穩定計算采用簡化畢肖普法，滑裂面采用折線，選取大壩最大斷面進行計算。

簡化畢肖普法按下式計算：

式中：

K───抗滑穩定安全系數；

W───土條的重量，(kN)；

u───作用于土條底面的孔隙壓力，(kN)；

α───條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，(°)；

b───土條寬度，(m)；

c'───土條底面的有效應力抗剪強度指標的凝聚力，(kN/m2)；

'

?───土條底面的有效應力抗剪強度指標的的內摩擦角，(°)。

3.4.2.2 下游壩坡抗滑穩定計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）規定，本工程攔河壩下游壩坡穩定計算時選取以下二種設計條件、四種工況進行計算。

a）正常運用條件：

工況一：正常蓄水位背水坡穩定計算。

工況二：設計洪水位背水坡穩定計算。

b）非常運用條件：

工況三：校核洪水位背水坡穩定計算。

工況四：完建期背水坡穩定計算。

3.4.2.3 下游壩坡抗滑穩定計算參數

各材料的物理和力學參數詳見表1。

表1 壩體材料參數

3.4.2.4 下游壩坡保持不變的可能性

下游壩坡保持不變下游壩坡計算結果見表2。

表2 下游壩坡保持不變抗滑穩定安全系數計算成果

由計算結果可知，在下游壩坡保持不變時工況一、工況二條件下下游抗滑穩定安全系數均不滿足規范要求，因此下游壩坡保持不變是不可能的，須對下游壩坡進行放緩處理。

3.4.2.5 下游壩坡坡度的確定

常規混凝土面板堆石壩壩體堆石料經過碾壓后壩坡一般采用1:1.3或1.4，本工程壩體堆石料為爆破堆石和人工堆石均未進行碾壓，壩坡須適當放緩，參照已建類似工程經驗并結合布置要求，將下游壩坡放緩至 1:1.5，即對原下游一、二級馬道以上壩坡進行放緩壩坡處理：壩坡與原二級馬道以下壩坡一樣，均放緩至 1:1.5（以下游二級馬道下游邊為基準，在高程 216.31m、225.31m處各設一級寬 2.00m的馬道）。即以下游二級馬道下游邊為基準，在高程216.31m、225.31m處各設一級寬2.00m的馬道，一、二級壩坡均放緩至1:1.5，高程216.31m以下壩坡保持不變。

對下游壩坡放緩后的抗滑穩定進行計算，確定其合理性。

下游壩坡放緩后下游壩坡計算結果見表3。

表3 下游壩坡放緩后抗滑穩定安全系數計算成果

根據計算成果表明，下游壩坡放緩后下游壩坡抗滑穩定性均滿足規范要求，且在正常運用條件工況二（設計洪水位時）略大于規范要求，僅僅大了0.005，因此表明下游壩坡放緩至1:1.5是合理的，也是經濟的，不可能再加陡。

4 結 語

福溪水庫攔河壩經除險加固后，于2010年12月蓄水至今已有1年多時間了，運行情況良好，由此看來鋼筋混凝土面板防滲加固方案是本工程比較合適的防滲加固方案，此方案具有防滲可靠、耐久性及安全度較高、可靠性較強、防滲處理徹底等優點，能從根本上對工程原有的病害進行徹底治理。