赵 静，郑培溪

(1.新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司云南分院，云南 昆明 650217；2.云南鲁布革顾问有限公司，云南 昆明 650051)

1 概述

我国西南地区中小型病险水库大多为土石坝，这些水库多数建设于二十世纪五六十年代，未进行地质勘探，采取边设计、边施工，导致水库建成初期即存在不少问题[1]，后期因缺乏有效管理和年久失修，以致病险较为严重。

1998年以来，国家和地方水利部门多次规划的病险水库除险加固项目逾万座，取得了较好的社会效益和经济效益。但部分水库在除险加固设计前地质勘探不到位、现场调查不仔细，未查清病险，尤其是坝基地质和渗漏情况，以致防渗设计方案不科学、不合理，没有针对性，处理后渗漏量未减少或者减少不明显，部分工程渗漏量反而增加，未达到防渗处理目的，后期不得不再次处理，造成了不必要的资金浪费。因此，采用科学手段查明病险，针对性的除险加固设计，是确保水库加固处理取得预期效果的关键环节。

大石洞水库位于云南省楚雄州，为均质土坝，最大坝高19.4 m，总库容12.9万m3，是一座以灌溉供水为主，兼顾防洪的小(2)型水库，始建于1958年。工程区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期0.45 s，相应地震基本烈度为7度。由于工程施工质量和运行管理等原因，坝体、坝基、右坝肩渗漏严重，输、泄水建筑物结构损坏严重，已带病运行逾60 a，经本次加固处理后运行正常。本文拟对其工程病险勘察及加固处理方案进行分析与探讨，以期为类似工程设计提供有益的启示。

2 现场勘察工作简述

大石洞水库由于历史的原因，前期勘察设计、施工和运行管理等资料缺失。本次为查清水库大坝存在的病险，主要采用以下方式：

1)现场查看、量测。地质勘察和水工技术人员实地查看水库和坝址岸坡、坝顶、坝坡、溢洪道、输水涵洞等，并用皮尺量测溢洪道、输水底涵等关键水工建筑物尺寸。同时，安排身形偏瘦人员从输水底涵出口进入查看洞身及涵洞进口现状，但因输水底涵洞身尺寸仅0.55 m×0.75 m，长约78 m，为安全计，技术人员未到达进口闸门处。

2)询问调查。勘察设计人员向当地村民和村委会水库管理人员了解水库建成时间、历史运行情况、历次除险加固处理情况、目前存在的病险、库区有无泉水补给、对本次加固处理的要求、建议或意见等。大坝左坝肩存在已被封堵的二涵及具体位置等重要信息即为当地村民告知。

3)工程测绘、地质钻探及试验。根据现场调查掌握情况，经地质和水工等有关负责人研究，在大坝左坝肩、河床中部和右坝肩沿轴线布置3个钻孔，间距20 m～30 m，并进行平、剖面地质测绘，钻孔原位标贯、压(注)水测试，岩土、库水和钻孔水取样及试验等工作。同时，进行区域地质复核，实测库区及水下1∶1 000地形图、枢纽区1∶500地形图。

3 工程主要病险分析

根据现场检查、工程测绘、水文复核计算，以及地质钻孔勘察资料等，基本查明了工程存在的主要病险：

1)大坝坝顶为土质路面，高低不平、宽窄不一，高程2 110.0 m～2 112.0 m，宽度3.6 m～5.8 m，坝轴线长约93.0 m。上、下游坝坡凹凸不平，平均坡比分别为1∶2.5，1∶1.7，上游坝坡无护坡，下游坝坡无排水棱体和排水沟。

2)坝土为含砾粉质黏土，为人工夯压，碾压质量较差，密实度具明显的差异性，坝土平均天然干密度1.49 g/cm3，室内标准击实试验最大干密度1.70 g/cm3，压实度87.13%，不满足规范[2]大于95%的规定。其中含12%～20%的强风化砂岩角砾，粒径一般为0.3 cm～2.0 cm，局部可见水蚀裂缝。坝土钻孔注水试验渗透系数介于8.8×10-4cm/s～8.6×10-3cm/s，平均3.4×10-3cm/s，不满足规范小于1.0×10-4cm/s的要求。坝体中下部可见明显渗漏。

下伏基岩为白垩系上统马头山组(K2m)砂岩夹泥岩。左岸岩层产状110°∠18°，右岸岩层产状307°∠29°，整座水库大体处于一个缓倾角向斜内，岩层走向与沟谷近于平行。库区和坝址区未见断层、软弱破碎带，层间挤压错动较少，但节理裂隙发育，上部全～强风化基岩透水率q介于8 Lu～31 Lu之间，属中等～弱透水。

由此可见，坝基上部覆盖层未完全清除，也未采取防渗处理措施。这也是坝基及右坝肩渗漏严重的主要原因。

4)水文复核和调洪演算结果表明，在设计洪水(20 a一遇)时，复核坝顶高程(2 113.45 m)比现状坝顶高程(2 111.00 m)高2.45 m；在校核洪水(200 a一遇)时，复核坝顶高程(2 114.10 m)比现状坝顶高程(2 111.00 m)高3.10 m。即大坝高程不够，不能满足防洪要求。

5)溢洪道位于左坝肩，为运行期间开挖的临时土渠，全长41 m，局部已坍塌，出口被冲毁，且无消力池。控制段为底宽0.6 m、顶宽1.2 m、平均深1.1 m的梯形断面。最大泄流量2.48 m3/s，远小于设计、校核水位时的泄流量12.6 m3/s，16.7 m3/s，已基本不具备泄洪能力。

6)输水底涵位于大坝中间，为浆砌石无压涵洞，洞身尺寸0.55 m×0.75 m，全长78 m，进口安装φ300 mm转盖闸，转盖闸锈蚀厚度3 mm～4 mm，关闭不严，存在漏水现象，采用钢绳及简易启闭绞架启闭，无启闭机房。洞身渗漏严重，部分浆砌石砂浆开裂。另外，左坝肩还有一条已被封堵的二涵，由于年代久远加上封堵不严，出口可见漏水。

7)大坝未设安全监测设施，无库水位、坝体变形、渗流等监测资料。

8)防汛抢险道路长5 km，为不规则泥路，凹凸不平，工程抢险车辆难以通行，且无水库管理房，不利于水库运行管理和防汛抢险。

4 除险加固工程设计

4.1 大坝

4.1.1 渗透稳定分析

采用“理正渗流有限元计算软件”，按有限透水地基上的均质土坝分区计算坝体坝基渗流量和浸润线，并选用地质及水文成果作为基础数据。计算时假定：1)计算剖面为具代表性的最大坝高剖面[3]，并适当简化；2)计算深度同防渗处理深度；3)校核水位和正常水位时，下游无水。计算结果见表1。

表1 坝体渗流计算结果

计算成果表明：加固后，各种计算工况下大坝的渗透坡降均小于允许渗透坡降0.63，大坝局部渗流稳定，不会发生渗透破坏；渗流量与加固前相比有较大减少。

4.1.2 大坝防渗处理设计

坝土平均渗透系数3.4×10-3cm/s，坝基砂砾石黏土、坝肩含碎屑粉质黏土及强风化砂岩夹泥岩透水率介于17.61 Lu～77.91 Lu，均为中等透水，坝体、坝基及右坝肩渗漏严重。结合工程实际、建筑材料与施工条件等，选定“坝体充填灌浆+坝基、右坝肩帷幕灌浆”作为防渗处理方案，同孔充填、帷幕灌浆。

钻孔孔口高程为现坝顶及坝肩山体表面，灌浆上限为正常水位及输水涵洞开挖线高程。

灌浆轴线为坝轴线，在坝顶布置一排灌浆孔，孔距2.0 m。采用单排孔直线布置，同次序等孔距形式，同次序孔中间等距插孔作为下一次序孔，终孔孔距2 m。其中，新建输水涵洞段加强坝体夯实，不做灌浆处理。

灌浆前进行生产性灌浆试验，以验证设计灌浆压力、水灰比、材料耗量及施工工艺，同时，在钻孔过程中应记录分析掉钻、涌砂等异常情况[4]，相应调整有关灌浆参数、完善施工工艺。

4.1.3 坝坡稳定复核

1)计算剖面、参数选取及坝体分区。选定最大坝高剖面进行稳定分析，与渗流分析剖面一致。选用(岩)土体物理力学参数地质建议值作为计算参数，并根据筑坝土料的物理力学指标分区，对坝坡边界条件适当简化。典型分区见图1。

2)计算方法和程序。根据规范，按有效应力法计算；地震作用力按GB 51247—2018水工建筑物抗震设计标准中的规定处理。滑弧土体的地震荷载按拟静力法考虑，在土条上直接作用地震惯性力，且只考虑顺河流方向的地震作用。计算采用理正软件、计及条间作用力的简化毕肖普法，有关计算公式如下:

3)成果分析。由表2可知，加固前、后大坝坝坡最小抗滑稳定安全系数均满足规范要求，但加固前下游坝坡抗滑稳定安全系数在“正常水位和正常水位+7度地震”工况下，富裕度较小，加固后，各工况下坝坡抗滑稳定安全系数均相应提高。

表2 加固前、后大坝坝坡抗滑稳定安全系数

4.1.4 坝坡加固设计

1)上游坝坡。保留原马道，马道以上坡比1∶2.4，以下坡比1∶2.3。清除表层土后，铺设10 cm厚的碎石砂垫层，再铺设10 cm厚的C20矩形预制混凝土块和现浇混凝土护坡，在死水位附近设置蹬脚，新设下库梯步。

2)下游坝坡。清除表层土，按坡比1∶1.8进行风化土料培厚，框格梁草皮护坡。理论和实践已表明，排水体与反滤层结合布置，可有效控制渗流，并防止防渗体渗透破坏[5]。据此，新建排水棱体，顶宽1.0 m，底部设2层反滤料，分别为20 cm厚、0.1 mm～20 mm级配良好粗砂垫层和20 cm厚、1 mm～60 mm级配良好砂砾垫层。同时，在岸坡和新建排水棱体顶部分别设30 cm×30 cm，60 cm×60 cm的M7.5浆砌块石排水沟。

3)坝顶。坝顶兼具乡村道路的功能。加固方案为：清除表层土，整平至平均坝顶高程2 111.0 m，铺设20 cm厚泥结石路面。上游侧设0.8 m高防浪墙、采用“L”形结构，下游侧设20 cm×40 cm的路缘石，且坝顶设2%横坡、倾向下游。加固后坝顶宽3.0 m，高程2 111.2 m，防浪墙顶高程2 112.0 m。

4.2 溢洪道

根据云水资财[2011]188号文，原则上不允许改变坝顶高程来满足防洪要求，且溢洪道应以原位改造、修复为主。但根据现场地形、地质情况，已不具备相应条件。因此，综合比选后，采用回填原土渠溢洪道，在左岸新建溢洪道的方案。新建溢洪道全长64.18 m，为满足防洪要求且减小宽度，控制段采用流量系数较高的驼峰堰，底宽5.0 m，高2.82 m，出口流入山崖，由进口段、控制段、泄槽段组成。布置如下：

进口段长10.0 m，底宽8.0 m～5.0 m，为喇叭口形状。底板、边墙为0.3 m厚C25钢筋混凝土，边墙设φ50 mm排水孔，间距3.0 m。

控制段长3.2 m，底宽5.0 m，底板高程2 109.18 m，堰顶高程2 109.60 m。底板为驼峰堰型C25钢筋混凝土；边墙为0.4 m厚C25钢筋混凝土，与防浪墙顶等高。

泄槽段包括渐变段、直线段和扩散段，全长50.98 m。三段底宽分别为5.0 m～3.5 m，3.5 m，3.5 m～5.9 m，底坡分别为0.10，0.22～0.08，0.08。底板、边墙均为0.3 m厚C25钢筋混凝土，左边墙(靠山侧)设φ50 mm排水孔，间距3.0 m。

因泄槽扩散段后为天然基岩陡坡，抗冲刷能力强，消能效果好，因此，不设消力池。

边墙稳定复核结果表明，进口段、控制段、泄槽段边墙抗滑稳定系数介于1.49～1.73，抗倾稳定系数介于1.87～2.21。满足规范要求。

4.3 输水涵洞

原输水底涵为浆砌石无压涵洞，仅0.55 m×0.75 m，洞身渗漏严重，部分浆砌石砂浆开裂，地基为全～强风化砂岩夹泥岩，属中等～弱透水，存在接触冲刷渗透变形破坏的隐患，已不具备原位加固的条件。经技术经济比选，在左岸或右岸山体新建输水隧洞，造价均较高，因此选用如下处理方案：拆除原输水底涵，在原址明挖新建输水涵洞及启闭塔架。开挖时按1∶1坡比挖至高程2 102.70 m，设临时1 m马道平台，后按1∶0.75坡比开挖至涵洞顶部起拱部位，最后垂直开挖至底板处；出水明渠段接至原灌溉渠道。另外，挖除漏水的二涵并回填。整个新建输水涵洞由拦沙井、闸室段、洞身段及出口明渠组成。根据灌溉等要求，输水涵洞设计最大过流量为6.50 m3/s。

拦沙井为3.5 m×2.2 m矩形断面，C25钢筋混凝土结构。

拦沙井后接塔架式闸室，闸室顺流向长4.0 m，内设0.8 m×0.8 m平板铸铁闸门。塔架启闭层顶与防浪墙顶等高，并设走廊及工作桥。

洞身段为1.2 m×1.8 m城门洞型，长74.5 m，底坡为0.03，采用30 cm厚C25钢筋混凝土衬砌。在涵洞顶部1 m以内人工回填夯实，以上机械碾压回填。在进口及出口15 m范围内布置钢支撑。

出口明渠段为1.20 m×1.45 m的矩形断面，长4.0 m，采用0.3 m厚 C25钢筋混凝土衬砌，接入原灌溉渠道。

4.4 安全监测设计

土石坝应设置必要的监测设施及项目。安全监测数据对于及时掌握和评判大坝运行性态，不可或缺。对于小型土石坝而言，一般主要设置坝面水平位移和垂直位移、渗流量以及水位观测项目。

据此，设计在坝顶和下游坝坡平行坝轴线方向布设两条测线，共5个观测墩(坝顶3个、下游坝坡2个)，进行坝面水平和垂直位移观测，工作、校核基点分别布置在左、右岸坝肩坚实基础上。同时，在排水棱体下游排水沟出口设1座三角形量水堰，观测坝体坝基渗流量，在上游坝坡、河床最大坝高剖面布置1组水位尺观测库水位。

4.5 其他

改造、扩宽防汛抢险道路，确保抢险车辆能正常通行；在大坝右岸新建管理房。

5 结语

对于小型病险水库除险加固工程而言，虽然投资少、技术难度相对简单，但前期勘测工作仍尤为关键，认真进行现场调查和测量，并适当布设少量地质钻孔，尽可能全面客观的查清病险，有利于除险加固工程设计和保证处理效果，必须引起重视。

大石洞水库枢纽建筑物病险较多，且个别病险具有一定复杂性，除险加固设计方案充分考虑了地质、地形条件和政策规定，并结合工程投资控制确定。同时，溢洪道采用驼峰堰，输水涵洞在坝体上开挖深度约16 m，对施工质量要求较高，实施过程中选择了有相应能力和经验的施工单位，并加强过程管控。

水库除险加固处理后，已安全运行2 a多，经受了汛期考验，运行状况良好，达到了预期效果。相应除险加固设计方案可供类似工程借鉴参考。