宋晓明

(辽宁省凌源市水务局，辽宁 凌源 122500)

菩萨庙水库位于大凌河上游南支的西大川河上，坝址位于四官营子镇大房申村。水库大坝采用粘土斜墙进行防渗，坝体为壤土、砂砾料混合坝，坝长369m，坝顶高程410.5m，坝顶宽5.5m，最大坝高25.546m。溢洪道位于大坝左端，为开挖山体形成的开敞式溢洪道，堰体为a型驼峰堰。输水洞位于大坝左侧，为钢筋混凝土圆形有压隧洞。洞内径1.2m，全长146m，其中主洞126m，发电支洞20m。

通过现场调查、勘探、测量得知，菩萨庙水库大坝坝体为壤土、砂砾料混合坝，坝长369m，坝顶高程410.5m，坝顶宽5.5m(含防浪墙0.5m)，最大坝高25.546m，粘土斜墙顶高程为408.052m，防浪墙为浆砌石结构，顶宽0.5m，顶高程411.627m，防浪墙经过2次加高，现有15条纵向裂缝，且无止水，不能起到防水作用。实测大坝上游坝坡(自上而下)坡比为 1∶2.5、1∶3.0、1∶2.0，实测下游坝坡(自上而下)坡比为1∶1.85、1∶1.93、1∶2.4，上游坝坡为干砌石护坡，下游坡为碎石护坡，坝脚处设置贴坡式排水体。

1 大坝渗漏原因分析

菩萨庙水库大坝已运行45年，对其进行安全评估后发现存在以下问题［1～2］:

(1)根据地质勘察，水库正常蓄水情况下，左、右坝端山体风化带存在绕渗，需采取防渗处理。

(2)大坝下游坝坡稳定系数小于允许值。上游坝坡干砌块石块径小，厚度不够，多为片石，需拆除重修。

(3)大坝没有任何观测设施，需对水库配置观测设备。

(4)粘土斜墙顶高程408.052低于设计洪水位408.407，不满足规范要求。防浪墙为浆砌石结构，并没有止水，起不到挡水作用。

由于大坝心墙高度较小且大坝建筑质量较差，此处容易形成渗流通道［3］。1970年修筑坝体心墙时没有控制土料质量，根据钻孔测量发现填土的成分为砂壤土、壤土、砂砾料，整体结构松散，易出现塌孔漏水。此外，坝体内的白蚁巢穴较多，如果蚁穴穿透心墙，将形成很多微小渗流通道［4］。

此处的地层为片麻岩，坝基处的岩石风化严重，施工时清除强风化层并不彻底，导致仍存在厚度2m左右的强风化层。根据压水试验数据，强风化层的透水率为15Lu左右，弱风化层的透水率为8Lu左右。特别是右坝肩处有明显裂隙发育，甚至出现绕坝渗漏现象，亟需加固处理。

2 大坝稳定分析

取大坝最不利断面(0+180m)进行稳定计算，容重取其平均值，渗透系数取其试验参数的大值均值，抗剪强度指标取其试验值的小值均值，稳定计算中的饱和容重根据各项试验值采用下式计算［5］:

式中:G为土粒比重;r为天然容重，kN/m3;W为天然含水量，%;Rw为水的容重，kN/m3。 稳定计算出的大坝土料性能指标见表1。

表1 菩萨庙水库大坝土料性能指标

按混合式土石坝进行稳定计算，采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法，计算坝坡抗滑稳定安全系数。根据大坝现状的实际环境条件和水位参数，计算正常运行条件下和非常工作条件下的边坡稳定系数，计算成果见表2。

表2 边坡稳定系数计算结果

由表2看出，下游坡安全系数小于允许安全系数，所以土坝下游坡是不稳定的，不满足规范要求，需进行加固处理。

3 大坝除险加固设计

3.1 大坝结构设计

坝顶高程维持原高程410.5m，防浪墙顶高程411.5m，斜墙顶高程408.6m。本次加固设计将坝顶宽度设置为5.5m(含防浪墙)，坝顶路面为7cm厚沥青路面，垫层为15cm厚水泥稳定土基础和20cm厚砂砾料，路面下游侧设15cm宽路缘石。原粘土斜墙顶高程为408.052m，设计粘土斜墙顶高程为408.6m，顶部水平宽度为4.0m，施工时要与原粘土密切衔接好。将原浆砌石防浪墙拆除，新建C25钢筋混凝土防浪墙。防浪墙后移1.5m，顶高程为411.5m，根据结构要求，防浪墙底宽取1.8m，顶宽取0.45m，高为2.9m，每20m设一道伸缩缝，防浪墙底坐落在粘土斜墙上，见图1。

图1 防浪墙结构示意图

3.2 护坡设计

上游坡坡比维持现状不变，坡比为1∶2.5、1∶3.0、1∶2.0(自上而下)，高程 391.5m 和 399.5m处设3.5m和1.5m宽戗台。上游坡高程391.5m以上部分，由于干砌块石径偏小，厚度不够，块石多为片石，因此水位波动较大，冬季产生冰冻破坏较严重。本次设计从391.5m高程以上拆除干砌石，重新铺设30cm厚干砌石，干砌石下新铺设10cm厚碎石垫层。

下游坡原坡比为 1∶1.85、1∶1.93、1∶2.4(自上而下)，坝坡稳定系数没有达到设计规范要求。需要用砂砾料将坡体补至设计坝坡，设计坡比为1∶2.25、1∶2.5、1∶2.5(自上而下)。下游坝坡采用20cm厚的手摆石护坡，利用大坝上游坡拆除下来的块石护砌下游坝坡，在高程400.0m处设2m宽戗台。

将下游坡原贴坡排水体拆除，建新排水体。根据下游坡坝脚水位:391.4m+0.6m，将校核水位定为392.0m。后坝坡设2道宽为1m的上坝踏步，6道纵向和2道横向排水沟。

3.3 土坝渗流计算

根据地质数据可知，粘土的渗透系数为1.308×10－5cm/s，壤土的渗透系数为 1.503 ×10－5cm/s，砂砾料的渗透系数为1.966×10－4cm/s。渗透流量计算公式［5～6］:

坝体单宽流量为:

坝基单宽流量为:

式中:K0为坝基渗透系数;K1为壤土渗透系数;T为坝基透水层深度;He为下游出溢点高度;H1为坝体上游的水深;H2为坝体下游的水深;Le为截水墙不透水顶板的等效长度;ΔL为浸润线;

由此计算出:正常高水位405.4m下的渗透流量为0.14m3/d;设计水位408.407m下的渗透流量为0.2m3/d;校核水位410.233m下的渗透流量为0.21m3/d;

3.4 边坡加固后稳定校核

采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法，计算加固后的坝坡抗滑稳定安全系数，计算结果见表3。

从表3可看出，设计断面边坡稳定系数在任何工况下均大于规范允许的安全系数，所以加固后的大坝边坡是稳定的。

4 结论

对菩萨庙水库大坝进行稳定计算，发现土坝下游坡是不稳定的。因此对水库大坝进行加固研究，设计了上游护坡、下游护坡。并对土坝进行渗流计算，研究了渗透系数、渗透流量。最后对大坝设计断面进行稳定性校核，研究表明:加固后的大坝边坡在任何工况下都是稳定的。

表3 边坡加固后稳定校核计算结果

［1］王长金.浅谈小(Ⅱ)型土石坝水库除险加固设计思路［J］.水利技术监督，2011(03):50-52.

［2］晏志武.水库除险加固设计前期工作应注意的问题［J］.水利规划与设计，2011(03):71-72.

［3］郭法强，田原.黄羊泉水库工程除险加固设计［J］.水利技术监督，2011(04):61-63.

［4］张丽芬，谭乃元.振冲技术在羊坪水库除险加固设计中的运用［J］.水利规划与设计，2011(04):76-78+84.

［5］杜巧丰，余学彦，陈崇潮.福溪水库主坝除险加固设计［J］.水利技术监督，2012(06):58-61.

［6］袁国培.塑性混凝土防渗墙在水库大坝除险加固中的应用［J］.水利规划与设计，2010(04):59-62.