陈延生

(海城市水利工程建设质量安全监督站，辽宁 海城 114200)

苇子沟水库大坝除险加固设计

陈延生

(海城市水利工程建设质量安全监督站，辽宁 海城 114200)

我国的水利建设处于快速发展的时期，水库的使用也越来越多。修建水库大坝成为人们现在关注的问题。水库坝体的防渗加固问题一直是水库除险加固施工中尤为重要的环节。当水库大坝的基础地质较差渗透性较强时，在水流的作用下对大坝体及基础的危害很大。文章就海城市苇子沟水库为例介绍了水库大坝除险加固设计及分析计算，为大家提供参考。

除险加固；安全评价；稳定分析；大坝

1 概 况

1.1 工程建筑物级别及防洪标准

苇子沟水库位于海城市南部距市内32 km之远的山区，英落镇苇子沟村的前沟口，该水库属于大清河支流。

工程主要功能是以灌溉为主，结合防洪、养殖、供水等综合利用的水库。根据水库洪水调节计算，正常蓄水位19.17 m，相应库容为50.22 万 m3；死水位13.8 m，相应库容为4 万 m3；设计洪水位20.42 m，相应库容为74.4 万 m3；校核洪水位20.76 m，相应库容为81.88 万 m3。确定水库工程规模为小(2)型水库。

苇子沟水库现工程规模：工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级。枢纽工程主要建筑物防洪标准见表1。

表1 主要建筑物防洪标准

1.2 工程现状及存在问题

大坝坝型为黏土心墙，坝顶高程22.45 m，坝顶宽3.5 m，上游坝坡坡比为1∶2.8，下游坝坡坡比为1∶2.7，大坝长290 m。在水库上游山上有青山怀镁矿，山坡多为杂草，少有松树，植被情况较差，水土流失较重[1]。

大坝迎水坡护坡石已有局部变形，损坏严重，背水坡碎石护破损严重，覆盖不好。排水棱体破损严重。防浪墙局部破损，防浪墙上的照明灯已全部坏损。

2 除险加固设计方案

大坝上游采用干砌石护坡，坝顶砂石路面，维修防浪墙，对下游坝坡采用碎石护坡，重修排水棱体[2]。入库公路长度1.5 km，宽4 m。

3 设计与计算分析

3.1 坝顶高程

3.1.1 大坝高程现状与水位

大坝坝顶高程现状与本次加固设计水位见表2。

表2 加固设计方案特征水位

3.1.2 坝顶高程确定

苇子沟水库为黏土心墙坝，坝长290 m，坝顶高程22.45 m。心墙顶高程21.45 m，心墙顶宽3 m。防浪墙顶高程23.45 m。

大坝坝顶高程按《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)规定等于水库静水位与坝顶超高之和，并按以下运用条件计算，取其最大值：设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高；校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高[3]。

计算公式为：

y=R+e+A

(1)

式中：y为坝顶超高，m；R为最大波浪在坝坡上的爬高，m；e为最大风壅水面高度，m；A为安全加高，m。

波浪爬高R计算：

本次坝顶超高复核风浪要素的计算采用莆田试验站公式。

1)平均波高hm计算公式为：

(2)

式中：hm为平均波高，m；g为重力加速度，g=9.81 m/s2；Hm为水域平均水深，m；D为风区长度，m；W为计算风速，m/s，设计洪水位取1.5倍的多年平均年最大风速，校核洪水位取多年平均年最大风速。

2)平均波长Lm按计算公式为：

(3)

式中：Lm为平均波长，m；Tm为平均波周期，按公式Tm=4.438hm0.5计算；H为坝迎水面前水深，m。

3)波浪爬高RP计算：

平均波浪爬高Rm采用计算公式为：

(4)

式中：Rm为坡前波浪的平均波高，m；m为单坡的坡度系数，若坡角为α，即等于cotα；m=2.5；K△为斜坡的糙率渗透性系数；护面类型为砌石护坡，K△=0.77；KW为经验系数；设计波浪爬高RP，按爬高分布进行换算，该工程为4级建筑物，确定波高累积频率P=5%。

风壅水面高度e计算公式为：

(5)

式中：e为计算点处的风壅水面高度，m；D为风区长度，m；取1 000 m；K为综合摩阻系数，取3.6×10-6；β为风向与水域中线的夹角，取β=0°；W为计算风速，m/s；Hm为水域的平均水深，m。

安全加高A：

根据《碾压式土石坝设计规范》(S274—2001)表5.3.1取用：设计水位时，A=0.5 m,校核水位时，A=0.3 m。各计算工况坝顶高程计算成果见表3。

表3 各计算工况坝顶高程计算成果表

《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)规定当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高可改为对防浪墙顶的要求。但此时在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.50 m；在非常运用下，坝顶应不低于静水位[4-5]。

加固设计继续采用防浪墙挡水，大坝现有坝顶高程22.45 m，防浪墙顶高程为23.45 m。从计算结果可以看出，坝顶高程理论计算值为21.91 m，小于现有防浪墙顶高程；校核洪水位20.76 m，低于现有坝顶高程；设计水位20.42 m，低于坝顶高程2.03 m。

3.2 防渗体尺寸确定与复核

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)对防渗体结构规定，当防渗体顶部高程设有防浪墙时，防渗体顶部高程可不受超高限制，但不得低于正常运用的静水位。苇子沟水库大坝防渗体顶高程21.45 m，大于设计洪水位20.42 m，满足本次加固设计要求[6]。

苇子沟水库地区最大冻结1.18 m。

黏土心墙顶保护层厚度1.0 m，不满足规范防冻要求，本次加固设计不对现有防渗体高程进行调整，坝顶增加20 cm厚，满足规范防冻要求，设计坝顶高程22.65 m。

3.3 坝体渗流及稳定分析

土坝整体质量良好，黏土心墙性状较好，未见大范围软塑状态黏土层，黏土的塑性状态没有突变性分层情况，不排除局部存在小规模软塑黏土夹层，但不影响心墙的防渗效果，仍具有良好的防渗性[7-8]。

黏土心墙与坝基基岩结合部位比较紧密，坝基岩性为绢云母片岩，夹有薄层石英岩，岩石片理、节理发育，强风化岩体中节理裂隙一般为张开状，节理密集带一般较发育。

水库水可能通过心墙下方基岩裂隙带向下游产生渗漏。

上游干砌石护坡与坝壳之间没有铺设过渡层，两层颗粒大小相差悬殊，孔隙率相差极大，在库水位变动及波浪作用下，极易发生接触冲刷破坏，进而造成护坡塌陷变形或产生滑塌[9]。

综合以上分析结果，苇子沟水库的渗漏主要与坝基下方基岩裂隙发育程度及连通情况有关；上游坝坡塌陷变形与护坡下部缺少反滤层及水位变动冲蚀坝壳有关系，另外可能与当时设计的坝坡坡度大小及坝壳填筑质量有关。

3.3.1 大坝填筑材料评价

苇子沟水库为典型的“三边”工程，建设时无地质勘察资料。

2011年5月海城市水务局委托辽宁省水利水电勘测设计研究院对苇子沟水库大坝的黏土心墙和坝壳砂砾料进行质量检测，大坝土料检测结果见表4。

表4 坝体土体物理力学参数建议值表

3.3.2 坝体渗流及坝坡稳定分析基本资料

挡水建筑物级别为5级，本次加固设计洪水标准为10 a一遇，校核洪水标准为20 a一遇。坝体渗流及坝坡稳定计算断面选取最大坝高作为典型计算断面[10]。

坝基岩体风化强烈，强度相对较低，节理裂隙发育，局部节理密集，顺河床可能存在节理密集带。钻孔压水试验结果表明：坝基岩体大部分透水性较弱，一般透水率<10 Lu，局部存在中等透水性条带，透水率可达30～50 Lu。

3.3.3 渗流计算

因水库没有成型的渗流观测资料，无法进行渗流观测分析，现采用理论计算的方法进行渗流分析。计算工况为正常水位19.17 m，设计洪水位20.42 m、校核洪水位20.76 m。对上述2种工况进行渗流稳定分析。

1)渗流稳定分析

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)规定，对土坝采用流体力学有限元法进行数值计算。

求解拉普拉斯方程：

(6)

式中：H为渗流平面域内水头；Kx、Ky为土体x、y向渗透系数。

计算采用理正岩土计算5.0版《渗流分析计算》进行渗流分析计算。渗流稳定计算结果见表5。

表5 渗流稳定计算结果

渗流稳定分析结论：由计算成果表5可以看出，在各种工况下坝坡均满足渗流稳定要求。

3.3.4 抗滑稳定分析

稳定计算方法根据规范(SL274—2001)规定，采用计及条块间作用力的简化毕肖普法计算坝坡抗滑稳定安全系数。

(7)

式中：c′、φ′为有效强度指标；b为条块宽度；W1为在坝坡外水位以上的条块实重；W2为在坝坡外水位以下的条块浮重；Z为坝坡外水库高出条块底面中点的距离；u为稳定渗流期或水库水位降落期坝体的孔隙水压力；γW为水的容重；β为条块的重力线与通过此条块底面中心点的半径之间的夹角。

稳定计算方法根据规范(SL274—2001)规定，采用考虑条块间作用力的简化毕肖普法计算坝坡抗滑稳定安全系数。

边坡稳定计算采用理正岩土计算5.0版《边坡稳定分析》中的简化毕肖普法，坝体边坡稳定计算成果见表6。

表6 坝体边坡稳定计算成果

3.4 大坝加固设计分析

大坝现状坝顶高程、渗流稳定、坝坡稳定及沉降均满足现行规范要求，因此，本次加固工程仅对大坝局部结构缺陷进行改造。

3.4.1 迎水面护坡改造

本次除险加固设计迎水坡干砌石护坡厚度为300 mm。本次加固增设20 cm厚粒径20.00～40.00 mm碎石垫层。

经现场调查，原上游坡面块石利用率为30%，用于排水棱体砌石维修及溢洪道下游抛石护坦。

考虑到能够充分利用废弃块石量，减少外运运距并节省投资，将其剩余的大部分干砌石石料抛在死水位以下，抛石施工应在水库放水后，进行水下勘察确定抛石位置。

根据大坝上游护坡破坏情况，本次加固设计对死水位13.8 m以上大坝迎水面护坡石进行更换。

3.4.2 坝顶改造

保持原坝顶宽度3.5 m，将原浆砌石防浪墙拆除5处共100 m长用于护坡材料运输上料口，完工后恢复。

增设坝顶砂石路面,砂石厚度0.38 m，宽3.5 m，增设路缘石，尺寸为高35 cm×宽15 cm×长100 cm。

3.4.3 下游护坡改造

由于背水坡碎石护坡破损严重，覆盖不好，根据实际情况，决定采用碎石护坡。下游清除0.1 m厚腐殖土，回填0.1 m厚碎石；下游坡脚排水棱体已年久失效，本次设计下游排水棱体外部块石拆除重建。

[1]吴晓娟.浅谈水库大坝除险加固设计[J].城市建设理论研究，2012(12)：67-69.

[2]周磊.水库大坝除险加固设计中的大坝稳定及沈流计算[J].南水北调与水利科技，2010(07)：137-138.

[3]曾旭.七里坝水库大坝除险加固设计[J].贵州水力发电，2007，21(06)：47-48.

[4]邹世平，陈小林，余晓燕.佳音塔拉水库大坝除险加固技术[J].中国西部科技，2008(29)：1-3.

[5]王聪辉.水库大坝除险加固工程设计分析[J].科技风，2014(13)：143.

[6]张大伟，李雷.水库大坝除险加固体制机制问题与对策思考[J].工程建设与管理，中国水利，2013(10)：31-36.

[7]刘保军，党进谦.册田水库大坝除险加固措施探讨[J].水利与建筑工程学报，2007,5(03)：95-97.

[8]叶成林，徐梦华.白桦林水库大坝除险加固设计[J].广东水利水电，2007(03)：28-30.

[9]杨仁强.水库大坝除险加固工程设计及施工技术要点分析[J].黑龙剑水利科技，2014,42(06)：40-42.

[10]朱祖友.水库大坝除险加固防渗设计处理分析[J].黑龙江水利科技，2013,41(10)：69-71.

1007-7596(2014)12-0160-04

2014-07-26

陈延生(1979-)，男，辽宁鞍山人，工程师，研究方向为节水灌溉、水工、移民等。

TV698.23

B