白石里水库大坝除险加固工程设计研究

2021-07-15荀俊，王强

黑龙江水利科技 2021年6期

荀俊，王强

(常州市城市防洪工程管理处，江苏常州 213000)

0 引言

早期修建的水库大坝在使用过程中通常出现渗漏等不良现象，对坝体功能的发挥产生不利影响[1-2]。同时也对下游城镇的安全产生威胁。针对这一类型病险水库采取除险加固工程治理是十分必要的。结合白石里水库，对水库除险加固工程设计进行分析。

白石里水库工程等别为IV等，主要建筑物级别为4级。水库汛限水位与正常蓄水位均为57.00m(56黄海高程，下同)，相应库容74万m3；按30a一遇洪水设计，设计洪水位59.13m，相应库容93.7万m3；按500a一遇洪水校核，校核洪水位60.15m，死水位47.00m。白石里水库地理位置重要，关系着下游5800人口、453.33hm2耕地以及扬溧高速的防洪安全。

1 大坝除险加固工程设计

1.1 大坝存在的主要问题

①上游坝坡部分浆砌石护坡损毁较严重。②下游坝坡局部因草皮缺失，遭雨水冲刷较严重。③桩号0+071-0+185、0+420-0+425段下游马道以上坝坡散浸，出逸高程57.15m，与当日库水位57.20m接近；桩号0+109-0+171段下游坝坡出逸高程55.49m，高出该坝段贴坡排水体顶高程49.50m较多；此外，桩号0+194-0+196、0+402-0+407段下游坡有散浸现象。④右坝肩与山体结合部位下游坝脚处渗漏严重，渗漏水流声清晰且渗漏量较大，渗水区域为桩号0+440-0+465段高程46.40-50.60m。坝脚干砌石导渗沟内局部有泥沙等细颗粒析出。⑤溢洪道交通桥下游侧护栏局部损坏。⑥缺少必要的大坝渗流监测设施。⑦2016年5月17日，除险加固补充地质勘察阶段，库水位56.3m时，坝后坡有散浸现象，高程约57.0m的平台普遍湿润；右坝肩及大坝0+180附近，渗漏尤为严重，见水流汩汩流出。⑧下游坡面排水沟和坡脚导渗沟部分破损。⑨输水涵启闭机房及水库管理房年久失修。⑩8t手动式螺杆启闭机操作不便。注水试验结果表明，坝体素填土渗透系数0.552-1.52×10-2cm/s，不满足《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)和《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL189-2013)规定的“均质坝渗透系数≤1.0×10-4cm/s”要求。

1.2 坝坡加固

1.2.1 现状坝体护坡

根据现场踏勘，白石里水库上游坝坡在平台(高程约57.2m)以下采用浆砌石护坡，桩号0+000-0+350段、平台以上采用100mm厚的混凝土板护坡，但0+000-0+100、0+350-0+450段未设护坡，本次除险加固增设护坡。

1.2.2 坝体护坡加固设计

考虑大坝上游护坡的一致性，在大坝桩号0+000-0+100、0+350-0+450段、高程57.20-62.30m处增设100mm厚现浇C25混凝土护坡，下设100mm厚碎石反滤垫层。高程57.20处设C25混凝土齿墙一道，断面尺寸0.3m×0.6m(宽×高)。下游坝坡全坝段增设草皮护坡，共计17289m2。

1.3 溢洪洞除险加固

1.3.1 溢洪道现状

现状溢洪道位于水库大坝的东北角、桩号0+007处，堰顶高程57.00m，共3孔，净宽3×2.0m，梁格式混凝土平板闸门，高2.5m，配8t手摇启闭机3台。溢洪道陡坡段长15m，宽7.2-4.0m，后接消力池长5m，宽4m。8t手动式螺杆启闭机，手动操作不便，混凝土闸门存在碳化问题。

1.3.2 改造加固设计

拆除原溢洪道控制闸，在原进口段新建控制闸，并原溢洪道控制段连接。控制闸采用C25钢筋混凝土结构，闸室顺水流方向长4m，闸孔净宽3×2m，闸墩厚0.8m。闸门底高程57.00m，顶高程62.00m。闸墩顶部设启闭机台，顶高程65.50m。配套采用3扇PGZ2.0×2.5型铸铁闸门及3台QLB-80-SD型手电两用式螺杆启闭机。为方便管理，新建启闭机房，建筑面积33.6m2。

1.4 防渗加固方案

根据工程经验，高压旋喷桩防渗墙方案，该法具有防渗效果好、安全可靠、造价适中、施工技术成熟等优点，作为白石里水库大坝防渗加固方案。

1.4.1 防渗范围

根据《安全评价报告》及现场考察，白石里水库大坝除0+200-0+400段坝后坡未见渗流散浸外，其余坝段均见渗流散浸，尤以桩号0+071-0+185、0+420-0+425和右坝肩+440-0+465段最为严重，渗漏水流声清晰且渗漏量较大。尽管2007年水库除险加固时，对大坝北侧0+000-0+200段进行劈裂灌浆处理，但该段仍存在渗漏现象，表明劈裂灌浆的防渗效果不明显。本次除险加固拟对该段实施防渗加固处理。因此，本次除险加固工程拟对白石里水库大坝全坝段实施防渗加固处理，范围为桩号0+015-0+480。

1.4.2 防渗墙高程

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)，防渗体顶部应不低于非常运用条件的静水位。水库校核洪水位60.15m，防渗墙顶部高程应高于校核水位，设计取61.0m。根据地勘，坝基为②层粉质黏土，微透水性，层厚0.9-4.7m；以下为③层重粉质壤土夹卵砾石，弱-中等透水性，层厚1.9-7.5m。防渗墙底部若进入③层，则需穿过②层，不仅工程量大，且墙底位于弱-中等透水性，不利于形成完整防渗体系。因此，本次设计防渗墙底部以进入②层粉质黏土，该层为微透水性，与防渗墙形成完整防渗体系。设计要求防渗墙底进入②层粉质黏土层≥2m，墙底高程44.40-47.50m，最大深度16.6m，防渗墙面积7392m2，平均桩长16.2m。

1.4.3 技术参数

选用桩径1.0m，桩中心距为0.8m，桩间搭接宽度0.2m，理论成墙厚度0.6m，满足防渗墙厚度要求。共布置高压旋喷桩582根，总桩长9428.4m。高压旋喷桩防渗墙采用三管法施工。防渗墙主要物理力学性能指标：R28=4-10MPa，抗折强度≥0.6MPa，允许渗透比降[J]≥50，最小墙厚≥0.6m，渗透系数k≤5×10-6cm/s。

1.4.4 施工参数

防渗墙施工前，降低库水位至死水位。防渗墙分2序施工，即先进行1序孔施工，后施工2序孔。见图1。主要施工技术参数为①水：压力为35-38MPa，流量为70-80L/min；②压缩气：压力为0.6-0.8MPa，流量为0.8-1.2m3/min；③浆液：P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为1∶1.5，灌浆压力为0.5MPa，流量为80L/min，进浆密度1.5-1.7g/cm3，回浆密度≥1.2g/cm3；④提升速度：8-10cm/min；⑤旋转速度：6-8r/min；⑥喷射孔与高压注浆泵的距离≤50m，钻孔位置的允许偏差≤5cm，偏斜率≤0.5%。

图1 防渗墙搭接方式

2 加固效果分析

2.1 渗流稳定性计算

2.1.1 计算断面

白石里水库加固后的渗流和稳定计算选取大坝桩号0+170断面作为计算典型断面。该断面为最大坝高断面，现状渗漏严重，能代表白石里水库大坝渗流、稳定状况。计算断面及简化分区同见图2。

图2 计算断面

2.1.2 计算工况及参数

白石里水库渗流计算主要考虑正常、设计洪水位形成稳定渗流及校核洪水位可能形成稳定渗流三种工况。相应计算水位组合见表1。

表1 计算工况水位组合

渗流计算参数依据《工程地质报告》选取，其中坝体素填土为现场注水试验结果，计算中不考虑土层的各向异性。渗流计算采用的各土层渗透系数取值见表2。

2.1.3 计算成果分析

白石里水库大坝渗流计算采用有限元法，计算结果见表3及图3。渗流计算结果表明，白石里水库大坝采取高压旋喷桩防渗墙加固后，防渗墙消杀约75%水头，防渗墙内最大渗透比降16.73，低于设计要求的允许比降50。坝坡最大出逸比降在校核洪水位下0.158，低于①-2层素填土渗透允许比降值0.49，渗流稳定满足要求；坝后坡出逸点高程在校核洪蓄水位下为46.80m，坝后坡增设贴坡排水，贴坡排水顶高程49.50m，符合规范要求。水库正常蓄水位下单宽渗漏量为0.41m3/m/d，以大坝长度450m计，大坝年渗漏量约6.7万m3，占水库兴利库容的9%，水库加固后渗漏损失很小。

表3 渗流计算结果

2.2 抗滑稳定性计算

2.2.1 计算工况及参数

白石里水库大坝抗滑稳定计算包括以下工况：

1)上游坡：

工况1：低水位工况，库水位为1/3坝高水位52.0m；

工况2：水位骤降工况，库水位由正常蓄水位57.0m非常骤降至死水位47.0m；

工况3：地震工况，库水位为正常蓄水位57.0m遇设防Ⅶ度地震；

2)下游坡：

工况4：正常运用工况，库水位为正常蓄水位57.0m下形成稳定渗流；

工况5：设计水位工况，库水位为设计洪水位59.13m下形成稳定渗流；

工况6：校核洪水位工况，库水位为校核洪水位60.15m下可能形成稳定渗流。

工况7：地震工况，库水位为正常蓄水位57.0m遇设防Ⅶ度地震。

计算参数见表4。

表4 抗滑稳定性计算参数

2.2.2 计算成果

稳定渗流期采用有效应力法，水位骤降采用总应力法。高压旋喷桩防渗墙的实施对坝体稳定是有利的，稳定计算中偏安全计不考虑其作用。坝坡稳定计算成果见表5及图3。白石里水库大坝工程等级为Ⅳ等4级，坝坡允许抗滑稳定安全系数根据SL275-2001规定，在正常运用条件下应≥1.25，非常运用条件Ⅰ下≥1.15，非常运用条件Ⅱ下≥1.10。由稳定计算结果可知，白石里水库除险加固后，上下游坝坡在各运用条件下的抗滑稳定安全系数均高于规范值，坝体稳定满足规范要求。