大田水库除险加固方案研究

袁晓玲 胡顺能 伍仪保 高菊英

（三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002）

我国是世界筑坝大国，堤坝类型多，从20世纪50年代末至70年代修建的水库约8万座.由于当时的历史原因和科技认识水平的限制，相当一部分水库大坝是边勘测、边设计、边施工的，后来加之运行管理不善，有许多水库大坝成为病险坝［1］，更为严重的是溃坝失事.据不完全统计，在已建8.5万座水库中，病险水库约占40%.大量病险水库的存在，一方面危及广大人民群众的生命财产安全；另一方面导致工程效益减退，制约着经济社会的可持续发展.因此，水库的除险加固工作非常重要.

本文结合成都市龙泉驿区大田水库大坝下游坝坡散浸的工程病害，提出了砂井排渗和砂垫层排渗的加固方案.并对两种方案进行了三维渗流对比分析，经技术经济比较选定最优加固方案.

1 工程概况

大田水库位于成都市龙泉区茶店镇大田村，所处河流为袁家沟上游，流域内海拔分布在638～524m之间.流域内农垦发达，农作物以红苕、玉米为主.流域内年最大降水量1305.5mm，最少降水量657.7 mm，降水量集中在6～9月，占全年降水量的75%.干旱年来水量185万m3，水库原主要灌溉茶店镇、山泉镇5200亩农田，以及解决茶店镇和山泉镇生活和工业用水［2］.大田水库设计洪水位594.26m，校核洪水位594.53m，正常蓄水位593.00m，死水位575.09 m，总库容159万m3，兴利库容119万m3，死库容15万m3.本工程枢纽设计为Ⅳ等四级建筑物.水库枢纽主要建筑物由拦河大坝、侧槽式溢洪道、放水设施等组成.大坝为粘土斜墙石渣坝，最大坝高35.5m，坝顶长199m，坝顶宽4.8m，坝顶高程596.10m.大坝横剖面图如图1所示.

图1 大田水库横剖面图

经过现场踏勘，大田水库目前存在的主要问题是:大坝下游574m高程坡面有散浸现象，据观测大坝下游散浸较为严重，散浸面积达776m2.本文主要研究下游坝坡坡面散浸加固的工程措施.

2 大田水库加固方案研究

通过对坝体现状渗流分析，因坝壳料渗透系数偏小，坝体在正常、设计和校核各种工况下，浸润线位置较高，造成坝内渗透水长期从后坝坡中下部逸出散浸，与现场实际情况吻合，说明原排水褥垫失效.坝脚减压挡土墙结构不利于排出坝体渗水，对下游坡稳定不利.从稳定分析成果来看，坝体下游坡在正常和非正常工作条件下的最小稳定安全系数均较规范小，说明坝体下游因浸润线位置较原设计高出许多，使坝坡稳定条件恶化.因此大田水库的主要病害原因是排水褥垫失效，造成下游坝坡浸润线抬高，大坝下游散浸较为严重，从而导致下游坝坡存在滑坡的危害.

为改善下游坝坡稳定条件，大田水库除险加固的关键是降低坝体浸润线，改善坝体渗流场分布.结合大田水库的实际情况，运用土石坝渗流控制“上堵下排”的基本原理，“堵”就是用防渗措施不让或少让渗流经过坝基；“排”就是用导渗措施把已进入坝基的渗流安全排走.大田水库先前在上游坝坡铺设防渗土工膜，但是下游散浸现象依然没有得到有效的解决，因此在设置除险加固方案首要的考虑下游排渗加固的方法.

坝身渗漏加固方法:（1）导渗沟法；（2）导渗培厚法；（3）导渗砂槽法（砂井）；（4）开挖回填高透水性材料（砂垫层）.导渗沟法适用于坝体散浸不严重，不致引起坝坡失稳时的情况；导渗培厚法适用于坝体散浸严重，渗水在排水设施以上逸出，且坝身单薄，坝坡较陡，要求在处理坝面渗水的同时增加下游坝坡的稳定性.显然导渗沟和导渗培厚法不适用于大田水库的排渗加固.因此本文主要研究砂井法和开挖回填高透水性材料加固方法.经过比较分析研究出如下两种方案的排渗加固措施:

（1）砂井

为改善下游坝坡稳定条件，降低浸润线，采用在坝体下游坡下部钻、挖砂井以降低浸润线.具体方法为:在580.00m高程及其以下沿坝横向钻挖砂井至坡脚，砂井断面为圆形，孔径为1.0m，砂井与砂井外圆相切，相邻两砂井圆心距离0.8m，根据大坝下游坡的宽度，砂井共布置12行，两行圆心距6.0m，砂井的钻挖深度从坝坡表面至坝基础，其深度在18.2～1.0m，砂井从底部高程至566.00m高程填筑透水性强的粗砂，砂井从566.00m高程以上填筑石渣.同时在浆砌条石减压墙上钻排水孔，孔径0.05m，排行距1.0m，排水孔呈梅花形布置.

（2）砂垫层方案

针对渗漏的现状，结合坝体的实际情况，本次整治设计对坝体的稳定进行了安全复核，经计算，自坝体下游575.0m高程处向下开挖1∶1.5的临时边坡至坝趾处排水拱圈顶部，然后回填高透水性的砂砾石料至原大坝轮廓，该方案能达到降低浸润线，减少坝体散浸的要求.同时结合本次设计的下游排水沟把渗水排到坝趾处并汇流入大田水库.考虑下游坡的美观，清除下游坡50cm厚的表土及杂草，回填至原轮廓并种植草皮.大坝经2006年上游坡进行的土工膜防渗处理，下游坝坡大面积散浸现象得到了有效控制，但仍然有局部的散浸现象，经现场勘察发现漏水比较严重的部位位于下游坝坡574.0m高程附近，靠近下游坡第二级马道.针对这一情况，设计上采用开挖部分坝料置换成高透水性的沙砾石料，以加强坝坡排水保障大坝的安全.具体设计方案为:沿坝坡按1∶1.5的边坡从高程575.00m至高程564.00m挖出原坝料，然后依次铺设厚为20cm的砂、30cm的碎石，沿坝坡表层铺设厚为6cm的预制砼六棱块，其余部分用石渣料填充.并在坝脚566.0m高程处设排水沟，采用M7.5浆砌砖筑成，M10砂浆勾缝，排水沟尺寸为30cm×50cm，浆砌砖厚度为20cm.

3 加固方案比较分析

为了分析比较上述两种排渗方案的优劣性，利用ANSYS软件分别建立三维渗流有限元分析模型［3－6］，计算降低浸润线的排渗效果.

3.1 现状三维渗流分析（排水褥垫失效情况）

（1）计算简图三维有限元计算模型

模型计算范围是上、下游各取两倍坝高，坝基取一倍坝高.沿Z方向（坝轴线方向）长度为66m，沿X轴方向长为338.66m，沿Y方向长度为73.9m.为了简化计算，在进行三维渗流计算中，只考虑土坝的坝体和坝基渗流，不考虑绕坝渗流，故计算模型未考虑左右两岸的山体.

（2）计算参数

计算参数列于表1.

表1 砂井方案坝体渗透系数

（3）计算成果见图2～5.

3.2 砂井方案三维渗流分析

模型计算范围同现状计算模型.

（1）计算参数.计算参数列于表2.

表2 砂井方案坝体渗透系数

（2）计算成果.计算成果如图6～9所示.

3.3 排水砂垫层方案三维渗流分析

模型计算范围同现状计算模型.

（1）计算参数见表3.

表3 砂垫层方案坝体渗透系数

（2）计算成果如图10～13所示.

3.4 加固方案三维渗流成果分析

（1）从图2～5可以看出，坝体浸润线（自由面）在下游坝坡的出逸点较高，根据ANSYS渗流迭代计算结果大约在572.7m，主要是因为坝体排水褥垫失效，坝体风化石渣坝料渗透系数较小，从而使浸润线位置较高，从渗透坡降等值线分布图来看，在心墙部位坡降较大，达到2.5，均小于土体允许的渗透坡降5，不会发生渗透破坏.

（2）从图6～9可以看出，砂井方案坝体浸润线在下游坝坡与现状相比有较大的降低，逸出点高程为571.7m.浸润线有所降低，但是下游出逸点仍然较高，还会在下游坝坡形成散浸区，这是因为尽管在下游坝坡散浸区开挖了很多条形的砂井带，并回填透水性能较好的粗砂，显然可以改善下游坝坡排渗的条件，但是由于原坝壳料为风化石渣坝料，且其渗透系数较小，使其在沿坝轴线方向的渗流积聚效应不是很好，渗流会在沿着砂井条带浸润面降低得较快，从渗流压力整体模型图可以看出，自由面得到也得到了降低.砂井方案渗透坡降在心墙部位较大，砂井部位也较大.但是均不会产生渗透破坏.

（3）从图10～13可以看出，排水砂垫层方案坝体浸润线同现状和砂井方案相比，有了显著的降低，逸出点高程为564.6m，相比现状572.7m降低了8.1m，解决了渗流在下游坝坡散浸的问题，渗流将会从坝脚浆砌条挡土墙上的梅花排水孔排出.砂垫层之所以可以显著降低浸润线，主要是因为在下游坝坡全断面都设置了透水性能较好的砂垫层，为积聚在坝内的渗水找到了很好的出口.

4 加固方案比选择优

从砂井方案和排水砂垫层的分析比较可以看出，砂垫层降低下游坝坡浸润线效果显著.从施工技术上来说，砂井需要在下游坝坡利用钻机钻孔，并在钻孔内回填粗砂，施工程序多，造价较高；而砂垫层方案只需要在下游坝坡进行开挖一部分土料置换成高透水性的材料在进行回填，但是在对下游开挖施工的时候存在一定的风险，在整治时需要将上游水位降低以保证坝体的安全.经技术经济综合比较，选用排水砂垫层方案.

［1］汝乃华，牛云光.大坝事故与安全·土石坝［M］.北京:水利水电出版社，1999.

［2］成都市水利电力设计研究院.大田水库初步设计报告及初步设计图册，2001.

［3］许玉景，孙克俐，黄福才.ANSYS软件在土坝渗流稳定计算中的应用［J］.水力发电，2003，29（4）:69－71.

［4］陈 江.基于ANSYS的渗流自由面计算方法［J］.岩土工程技术，2008，22（5）:236－240.

［5］许玉景，孙克俐，黄福才.ANSYS软件在土坝渗流稳定计算中的应用［J］.水力发电，2003，4（4）:69－71.

［6］杜二霞.均质土坝渗流有限元分析研究［D］.石家庄:河北农业大学，2004.