宁夏南部山区病险水库除险加固技术浅析

来源:用户上传      作者:王妮娜

　　【摘 要】本文主要介绍宁夏南部山区病险水库除险加固中常用的几种技术措施方法，通过对不同病险水库成因分析，运用比较成熟先进的设计、施工技术，分别提出切实可行的技术方案，实践中已成功实施，为类似工程提供借鉴和参考。
　　【关键词】水库;除险加固;技术;宁夏
　　Analysis on the reinforcement technology of dangerous reservoirs in the mountainous area of southern Ningxia
　　Wang Ni-na
　　（Ningxia Guyuan Water Conservancy Survey and Design Institute Guyuan Ningxia 756000）
　　【Abstract】This paper mainly introduces several technical measures commonly used in the reinforcement of dangerous reservoirs in the mountainous areas of southern Ningxia. Through the analysis of the causes of different dangerous reservoirs， using more mature and advanced design and construction techniques， respectively， put forward practical technical solutions. Has been successfully implemented to provide reference and reference for similar projects.
　　【Key words】Reservoir;Reinforcement;Technology;Ningxia
　　固原市位于宁夏回族自治区南部，全市辖四县一区，共62个乡镇、3个街道办事处、30个居委会、870个村委会，土地面积10583Km2，约占宁夏总面积的15.93%。全市现有水库187座，总库容8.78亿m3，其中大（二）型1座、中型21座、小（一）型91座、小（二）型水库74座。
　　1. 坝坡脚堆石压重法
　　1.1 工程概况。
　　清凉水库位于渭河一级支流——渝河流域上游六盘山边缘，为黄土丘陵半湿润区。水库1971年年建成运行，总库容224万m3。
　　1.2 工程设计。
　　1.2.1 软基加坝设计理念。
　　清凉水库现泥面高程为2542.40 m，淤泥面厚度14.70m，设计在泥面上直接加坝。为加快淤泥坝基固结，在新加坝基范围内设纵横排水沟，形成格网状排水带，为预防加坝出现和滑坡现象，在新坝坡脚前缘设置一道堆石体，即堆石压重区。
　　1.2.2 软基排水沟及坡脚块石压重区布置。
　　水库设计加坝高度为2.8m，即在坝体淤泥面水平铺设宽度为14.8m。软基排水沟布置为纵向和横向，纵向排水沟平行于坝轴线布设，共三道，平均间距7.4m ，第三道为堆石压重区。一、二道排水沟断面尺寸：宽度1.5m，深度1.5m，由砂、卵砾石和块石组成，并且满足反滤要求：砂层平均厚度0.3m，粒径1～5mm，卵砾石平均厚度0.5m， 粒径5～20mm;块石层平均厚度0.7m，粒径大于300mm;第三道排水沟即坡脚堆石压重区，断面尺寸：平均宽度2.0m，高度2.0m，砂层平均厚度0.3m，粒径1～5mm，卵砾石平均厚度0.5m， 粒径5～20mm;块石层平均厚度1.2m，粒径大于300mm;横向排水沟垂直于坝轴线，共设八道，平均间距50米，其坡度不宜超过1%，排水沟断面尺寸：宽度1.0m，深度1.0m，砂层平均厚度0.3m，粒径1～5mm，卵砾石平均厚度0.3m， 粒径5～20mm;块石层平均厚度0.4m，粒径大于300mm。格网带形成后，内填0.3m厚的碎石。
　　1.2.3 加坝速率控制。
　　考虑由于施工速度过快，在淤泥质土中产生了过大的孔隙压力，导致下垫砂层排水来不畅、固结慢，易出现裂缝和滑坡现象，设计要求控制加坝速率，加高填筑共分为六期施工，每期填筑高度大约为总高差的1/6即3.0m为宜。第一期第一层填筑土料含水量控制在10%左右，铺土厚度40～50cm，以便吸濕淤泥面水分，并避免重型机械碾压;每期填筑完成后，埋设固定沉降观测桩，每天观测1次，10～15天后，当每天沉降量小于1cm时，可以进行下一期的坝体填筑。
　　1.2.4 施工中注意的问题。
　　（1）严格控制坝体填筑土料的含水量、渗透系数、压实度和加坝速率，保证加坝质量;排水沟填料经加工、分筛、检验合格后，分别堆放在干净的场地上，并采取适当措施，防止泥水或土块等杂物混入;堆料不宜过高，以免颗粒分离;转运时，注意砂石料、卵砾石料分开运输;铺筑时，填料应自底向上铺筑;块石压重区使用的石料必须质的坚硬，要求分层进行，靠近反滤层处用较小石料，外坡表面用较大石料，堆放应稳定密实。
　　（2）该工程已通过有关部门验收，目前运行正常。
　　2. 堆载预压法
　　2.1 工程概况。
　　雅石沟水库位于泾河一级支流安家川河上游雅石沟上，流域面积44.0 Km2，最大坝高43.1m，总库容832.6万m3，淤积深度38.5m，属小（一）型水库。
　　2.2 加固原理。
　　堆载预压法是先在拟建基础上施加或分级施加与其相当的荷载，对地基土进行预压处理，使土体中孔隙水排出，孔隙体积变小，地基土压密，以增长土体的抗剪强度，提高地基承载力和稳定性，在使用期间不致产生有害的沉降和沉降差，使淤泥地基最终达到设计承载力要求。 　　2.3 加载设计。
　　2.3.1 荷载计算：预压荷载根据设计要求确定，采用等载预压，即预压荷载采用基底压力，压实度按0.96～0.98控制，则碾压后的湿密度为2.01g/cm3， 该水库淤泥面以上加坝高度为12.1m，经计算建基面的基底压力243.2KPa。
　　2.3.2 加载速率控制：qi=Δpi/ΔTi
　　式中：qi——第i级荷载加载速率，初步设计时可取4～8 KPa/d;
　　Δpi——第i级荷载加载增量（KPa）;
　　ΔTi——第i级荷载历时（d）。
　　2.3.3 加载分级：估计容许施加的荷载pi，一般可按斯开普敦极限承载力半经验公式确定，对饱和软黏土可近似按下式计算：
　　pi≈5.52τfi/K
　　式中：τfi——为天然地基抗剪强度（KPa）;
　　K——为安全系数，建议取K =1.3-1.5，这里取K =1.3。
　　如果第一级荷载p1尚未达到预压荷载，可重复计算第二、三……，只有当天然地基土的强度满足预压荷载下地基的稳定性要求时，可一次性加载。
　　2.4 堆载预压法效果分析。
　　设计加载速率按10KPa/d进行控制，加载历时10d，荷载增量按100KPa控制，加坝速率为0.49m/d，10天的加坝高度为4.9m;30天后开始第二级加载，加载速率按10KPa/d控制，加载历时8d，加荷荷载为180KPa，8天的加坝高度为3.92m;60天后开始第三级加载，加荷荷载为220KPa，加载历时4d，4天的加坝高度为1.96m。90天后开始第四级加载，加荷荷载为243.2KPa， 3天的加坝高度为1.32m。总加坝高度为12.1m，历时93d。
　　由于采用此法处理软基在雅石沟水库除险加固取得了较好的效果，该工程已竣工验收并投入使用，坝体未出现裂缝。
　　3. 砂井排水法
　　3.1 工程概况。
　　石峡口水库地处清水河一级支流-西河流域出口处，流域面积为1910Km2，最大坝高75.9m，总库容2.49亿m3，为中型水库。坝体在淤泥面加高6.0m。
　　3.2 主要技术措施。
　　（1）经过分析计算，在加坝淤泥面上布设孔径为0.3m、孔距5.0m砂井，内填粒径为3～5cm碎石，孔底距离原坝坡0.5m，不穿透原坝坡，孔深布置在2～12m之间。在沙井顶部铺筑0.5m厚碎石垫层，使砂井與碎石垫层连同，在碎石垫层上进行加坝，覆重后，砂井可起到加速淤泥固结排水的作用，水通过砂井及砂井顶部的碎石垫层排向库内。
　　（2）坝体设计控制指标：由于加坝后土坝为高坝，压实度控制在98%以上，土壤含水率控制在最优含水率13.8%的～2%～+3%之间。
　　3.3 砂井排水法效果分析。
　　土坝加高完成后，经过一年的试运行，坝体没有出现裂缝和滑坡迹象，通过了宁夏自治区水利厅竣工验收， 目前运行良好。
　　4. 宽级配砾石土料在水库除险加固中的应用
　　4.1 工程概况。
　　贺家湾水库作为宁夏中南部城乡引水工程的调蓄水库，承担着固原市区、固-西引水、原州区东部引水等数十万人口的供水任务。工程建于2000年，设计最大坝高31.25m，总库容320万m3，属小（一）型水库。
　　4.2 宽级配砾石土料设计理念。
　　（1）贺家湾水库除险加固工程2015年3月开工建设，由于水库地处土层较薄的土石山区及土料含水率较高的阴湿地区，加之筑坝期间阴天多雨，土料含达到30%以上，工程无法施工，工期延后，效益不能正常发挥。经多次分析论证，提出了采用宽级配砾石土（人工掺合砾石土）筑坝的方法。
　　（2）宽级配砾石土由粗料（大于5mm，小于100mm，）和细料（小于5mm，小于0.074mm含量大于15%）组成，筑坝干密度、渗透系数与砾石土的组成级配、力学指标、含水率有密切的关系。当砾石土中粗料（大于5mm）含量小于40%时，砾石土以细料（小于5mm）为主，砾石充填其中，机械碾压后砾石土具有良好的抗剪性、不透水性和较小的压缩性，满足筑坝各项技术指标要求;当砾石土中粗料（大于5mm）含量大于50%时，砾石起骨架作用，细粒充填其中，筑坝干密度、渗透系数明显增大。
　　4.3 砾石土填筑。
　　4.3.1 土料的质量是控制坝体填筑质量的第一关，根据实际测量成果，考虑到砾石土分类的不均匀、土质变化大的情况下，要求施工单位现场进行土料制备掺合，经验收合格后，进行碾压取样检测。
　　4.3.2 为了给坝体填筑工作提供科学、合理、经济的碾压参数，土料上坝前严格进行砾石土现场碾压试验，其目的是检测砾石土碾压后是否能够满足设计要求的各项参数指标，以便选定合适的压实机具、压实方法、压实遍数、铺土厚度、砾石含量、含水率的最佳范围参数，提出质量控制技术指标和检测方法。试验确定的主要技术参数如下：
　　（1）砾石土料最优含水率控制在13.5%左右，上下-2%-+2%之间浮动。
　　（2）砾石土料铺土厚度控制在30cm左右。
　　（3）碾压机具：20t压路机平压8遍，错距按25cm控制。
　　（4）18t振动羊角碾振动2遍，并起到层面刨毛作用。
　　（5）振动羊角碾开启一档，速度约2.0Km/h。
　　4.4 质量控制方法。
　　当砾石土料中粗料含量小于40%时，取其细料（小于5mm）进行击实试验，确定细料的最大干密度和最优含水率，用下列公式计算相应于粗料含量的最大干密度和最优含水率，乘以压实度，得到控制填筑干密度。
　　5. 结语
　　固原市贺家湾水库程于2015年3月开工建设，2016年8月坝体填筑完成竣工，10月底并通过验收。目前工程运行良好，水库蓄水正常。
　　参考文献
　　[1] 白永年、吴士宁. 土石坝加固[M].北京：水利水电出版社.1991年.
　　[2] 张启岳.土石坝加固技术[M].北京：中国水利水电出版社.1999年.
　　[3] 《碾压式土石坝设计规范》. 中国水利水电出版社.2001年.
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