峰山应急水源土坝的加固设计

幸江云

（赣州市水利电力勘测设计研究院，江西 赣州 341000）

为了保障江西省赣州市中心城区在供水水源出现突发性污染事故情况下的城市饮用水水质安全，保障城市短期基本生活供水需求，确保社会的稳定，赣州市政府根据城区供水工程现状与规划考虑，提出了建设实施城市应急水源体系。赣州市城市应急水源体系的近期任务：利用峰山省级森林公园内现有的石崆子水库建立赣州市中心城区应急水源工程。

1 工程概况

1.1 工程现状及任务要求

石崆子水库座落在章江一级支流双桥河，坝址以上控制集水面积16.0 km2。现状的枢纽建筑物包括大坝（均质土坝）、溢洪道和坝下涵管等。大坝现状为均质土坝，坝体土质较好，为含砂低液限（粉）粘土和粉土质砂，但不均匀，碾压质量和压实较差。坝顶高程为176.00 m左右，坝顶长约52 m左右，坝顶宽3 m左右，最大坝高23.5 m。

石崆子水库现状正常蓄水位为172.25 m，兴利库容为39.6万m3。通过对赣州市中心城区近期50万人口应急供水需求的分析，应急供水保证库容为59万m3，需增加水库兴利库容约20万m3。因此，正常蓄水位需由现状的172.25 m提高至175.25 m，现状大坝须进行加固扩建。

加固后水库总库容89万m3，是一座以城市应急供水为主，兼有城市日常供水等综合效益水利枢纽工程。

1.2 大坝工程质量与地质条件评价

1.2.1 坝基地质条件评价

坝基岩石岩性有中粗粒黑云母花岗岩、变质砂岩和混合岩，属中硬岩类。大坝左岸坝体填筑在强风化花岗岩岩体上，右岸坝体填筑在强风化变质砂岩上，河床段坝体填筑在强～弱风化花岗岩与变质砂岩上。坝基岩体节理裂隙发育，强弱风化岩基均可满足大坝承载要求，坝基稳定。

1.2.2 原坝体填筑质量分析

大坝填筑土料来源于坝区附近山坡上的坡残积土，土质以棕黄、棕红色为主，夹灰、浅黄、灰黄色，土质为含砂低液限（粉）粘土和粉土质砂，干燥～湿，大部分呈可塑状或呈稍密状，土芯以柱状为主，局部土质结构松散或呈软塑状。坝体土的物理力学指标见表1。

表1 坝体土物理力学指标

2 大坝加固设计

2.1 加固方案确定

根据安全超高计算，坝顶高程为179.00 m，因此，须对大坝进行加高培厚处理。经方案比选，本工程加固方案为在大坝上游新加坝体，将大坝加高加厚，上游坝坡坡比 1∶3；下游上部坝坡削坡成 1∶2.5，下部增加压坡和排水棱体。

2.2 新加坝体材料和坝体防渗设计

作为应急供水的水源工程，本工程大坝的运行方式和一般的土坝有所不同。一般的土坝对水库水位的降落速度有严格的控制，主要是为了防止因水库水位骤降引起大坝坝坡的失稳。本工程水库按照每天10万m3的供水量，水位从正常蓄水位175.25 m降落到死水位 163.50 m，降落的最快速度为每天3.47 m，见表 2。

表2 水库水位降落速度表

为了保证水库水位骤降时的坝坡稳定，设计着重从控制上游新加坝体的渗透系数和加强防渗以降低现有坝体的浸润线两方面来考虑。

2.2.1 控制新加坝体的渗透系数

坝体浸润线下降的速度，一般决定于库水位下降的速度V、土坝坝体的渗透系数k以及土体的给水度u等因素，与坝体的结构形式特别是坝体及地基上游面的排水条件也有很大关系。其中土体的给水度u表示单位体积土体在饱和含水情况下水位下降后排出的水量，又称土体的排水孔隙率。其值大小取决于土的性质、密实程度以及排水的时间等因素，可由实验或根据经验确定，经验公式：u＝0.117×k1/7。

根据对上游坝坡排水条件不好的均质土坝和心墙砂壳坝的分析计算结果，可以确定：

1） k/（uV）＜0.1 时为骤降，此时坝体内渗流自由面在库水位降落后仍保持有总水头的90%左右，故可以近似认为坝体浸润线基本保持不变，这种情况对上游坝坡的稳定最为不利，为偏于安全可以按照库水位开始降落前稳定渗流的浸润线位置进行坝坡稳定分析。

2）k/（uV）＞60 时为缓慢下降，此时坝体自由面保持有总水头的10%以下，已不致影响坝坡，因此一般不需要进行不稳定的计算。

3）0.1＜k/（uV）＜60 时，浸润线的下降介于上述两种情况之间，为进行坝坡稳定分析，应按照缓降过程计算浸润线下降的位置。

本工程库水位下降的最快速度 V为3.47 m/d，k/（uV）＝0.1 时相应的 k＝8.93×10－6cm/s，k/（uV）＝60 时相应的 k＝1.56×10－2cm/s。 因此，新加坝体的渗透系数应大于 1.56×10－2cm/s，根据附近料场的情况，本阶段设计采用透水性强的石渣作为新加坝体的填筑材料，渗透系数大于 1.56×10－2cm/s。

2.2.2 防渗设计

防渗方案选择采用PE复合土工膜防渗。复合土工膜是一种新颖的工程材料，它是由土工织物、土工膜、土工织物三层组成，积聚了土工织物和土工膜的优点，具有质轻、防渗性能好，有较好的延展性、适应变形、施工简单和造价低等特点，是一种理想的防渗材料。

土工膜厚度根据承受水压力、垫层土料粒径和土工膜物理力学指标确定，采用《土坝安全与加固》（牛运光编著）中的公式4－9计算：

式中：δ─土工膜厚度，mm；

γ─水的容重，kN/m3；

H─铺设薄膜范围内的最大水头，m，H＝26 m；

d─垫层土壤最大粒径，mm，d＝50 mm；

[σ]─膜的允许拉应力，kPa，[σ]＝12×103kPa；

E─薄膜的弹性模量，kPa，E＝70×103kPa。

经计算，δ＝0.0019 mm。 参考厂家资料，选用两布一膜的PE复合土工膜（300 g/m2/PE0.5/250 g/m2），其物理力学指标为：抗拉强度19 kN/m，延伸率53.6%，CBR顶破强度 3.41 kN，垂直渗透系数 4.76×10－13cm/s，幅宽 4.0 m。由于本工程为城市供水的水源水库，PE土工膜应符合《食品包装用聚乙烯成型品卫生标准》（GB9687－88），所用原材料应符合《食品包装用聚乙烯树脂卫生标准》（GB9691－88），其他辅助材料应符合相应的国家现行有关标准的规定。

新加坝体沿土工膜抗滑稳定分析，防渗体滑动指土工膜与保护层及膜与下垫层之间的滑动，土工膜沿垫层滑动可通过在坝坡面设防滑锯齿槽来解决。上游新加坝体沿土工膜滑动需进行抗滑稳定计算。当上游新加坝体透水性良好，库水位降落，浸润面与库水位同步下降时，可用《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T225－98）附录A公式计算材料间的平面滑动稳定安全系数：

式中：Fs─抗滑稳定安全系数；

W1、W2—主动楔ABCD和被动楔CDE的单宽重量，kN/m；

C1—沿BC面防护层（上垫层）土料与土工膜之间的粘着力，kN/m2；

φ1、φ2—内摩擦角；

C2—防护层土料的粘聚力，kN/m2；

α、β—坡角；

L1、L2—BC 和CE 的长度，m。

由于上游新加坝体和防护层为透水材料，故本次计算取 C1＝C2＝0；经计算，Fs＝2.39，满足要求。 新加坝体沿土工膜抗滑稳定计算简图见图1。

图1 新加坝体沿土工膜抗滑稳定计算简图

2.3 加固设计（图2）

加高后大坝坝顶高程为179.00 m，坝顶宽度为5 m，最大坝高 26.50 m。

上游新加坝体填筑前，先清除现有的块石护坡及垫层。上游新加坝体采用透水性较好的风化料和石渣填筑，底部最大宽度约32 m，顶部宽度3 m，填筑后上游坡坡比 1∶3。

坝顶加高部分采用粘土填筑，粘土坝体底宽3 m，上游坡比 1∶1，下游坝坡坡比 1∶2.1。

下游坝体169.00 m高程以上进行削坡，削坡后下游坝坡坡比 1∶2.1。 169.00 m 高程设 2 m 宽的马道，马道以下用风化料进行压坡，压坡后下游坝坡坡比为1∶3。下游坝脚加设排水棱体，棱体顶高程160.00 m，宽3 m，棱体下游坡比 1∶1.5。

在上游新加坝体与老坝体及粘土坝体之间设复合土工膜防渗。复合土工膜放在整平的老坝体及粘土坝体上，复合土工膜与岸坡及坝脚采用砼齿槽相接。复合土工膜上设0.3 m后的粗砂保护层。为增加复合土工膜与坝体的抗滑性能，在原坝体上游坡面设四道抗滑齿槽，齿槽间距10 m。

图2 大坝加固横剖面图

大坝上游采用砼预制块护坡，护坡厚度0.12 m，护坡下设0.15 m厚的砾石垫层和0.15 m厚的砂垫层。下游坝坡采用草皮护坡。

3 结语

峰山应急水源工程的土坝加固设计着重从控制上游新加坝体的渗透系数和加强防渗以降低现有坝体的浸润线两方面来考虑，即上游新加坝体采用透水性强的石渣为新加坝体的填筑材料（渗透系数大于 1.56×10－2），水位骤降时可以快速降低上游新加坝体的浸润线，减小坝体的空隙压力；在新加坝体与老坝体之间设复合土工膜防渗，降低老坝体的浸润线。通过措施有效的解决了水库水位骤降时的土坝上游坝坡稳定问题。

［1］毛昶熙.渗流计算分析与控制 ［M］.北京：中国水利水电出版社，2003.9.

［2］SL274－2001，碾压式土石坝设计规范［S］.

［3］SL/T225－98，水利水电工程土工合成材料应用技术规范［S］.

［4］牛运光.土坝安全与加固［M］.北京：中国水利水电出版社，1998.11.