粘土斜墙在松树病险水库主坝加固中的应用

刘 丽，付 欣，唐振华

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 工程概况

松树水库位于辽宁省瓦房店市松树镇境内的复州河上游段，库址以上河道长45 km，水库控制流域面积302.4 km2。库址距下游松树镇2 km，交通极为便利。

工程始建于1970年6月，当时的主要任务是以防洪、灌溉为主，兼顾发电，枢纽主要建筑物由主坝、副坝、溢洪道、引水系统及发电厂房组成。始建时水库总库容9864×104m3，为Ⅲ等工程，主体建筑物按3级设计，设计洪水为100年一遇（P=1%），校核洪水为500年一遇（P=0.2%）。主坝基本坝型为粘土心墙砂壳坝，坝顶长280 m，最大坝高25.10 m；副坝坝体结构型式同主坝，坝顶长550 m，最大坝高11 m。溢洪道位于副坝左岸岸坡上。引水系统位于主坝左岸，分主洞和发电支洞，主洞总长238.68 m，直径2.0 m，支洞长 43.5 m，直径1.8 m，塔式进水口底板高程92.0 m。厂房为地面式，装机容量2×320 kW。

在1982—1987年间松树水库曾进行了一次安全加固，加固后主坝为粘土心墙混合坝，长303 m，坝顶高程117.71 m，最大坝高34.87 m，防渗型式在112.84 m以下为粘土心墙，以上为聚乙烯塑料薄膜防渗，薄膜下部与粘土心墙中心连接，上部与加固后的防浪墙迎水面连接，形成的坡比为1∶2.42，坝壳由粗沙（上游）、中砂及石渣（下游）组成，主坝坝顶宽5 m，浆砌石防浪墙高1.2 m，上游坡比为 1∶2.75～1∶3，下游坡比为 1.6～2.0。

2003年松树水库被核定为三类病险水库。除险加固后松树水库总库容为1.671×108m3，为以城市供水为主、兼顾防洪的大（2）型Ⅱ等工程，除险加固后枢纽主要建筑物由挡水主、副坝、泄水建筑物和输水建筑物组成，主要建筑物级别为2级，设计洪水标准为500年一遇，校核洪水标准为5000年一遇，水库正常蓄水位111.30 m。主坝布置在复州河主河道上，基本坝型为底部粘土心墙和顶部粘土斜墙砂壳坝，坝顶长304 m，最大坝高34.87 m；副坝布置在水库西北侧，基本坝型为混合坝，由板槽式混凝土心墙石渣坝及浆砌石坝组成，坝轴线为折线型，坝顶总长716.04 m，最大坝高16.58 m；泄水建筑物为岸坡式溢洪道，布置在副坝左岸岸坡上，三孔泄流，溢流前缘总长为29 m，挑流消能；引水系统位于主坝左岸，在原闸门井后7.6 m远新建一竖井式闸门井，原进水口107.50 m高程以下结构不变，107.50 m高程以上拆除重建。对原输水洞进行加固补强处理后，继续利用。

2005年加固工程开工建设，2008年12月通过竣工验收，投入正常运行。工程总投资为6584.73万元。

2 主坝防渗体破坏现状及质量检测

1）顶部聚乙烯塑料薄膜防渗体破坏现状

此次除险加固前主坝基本坝型为底部粘土心墙和顶部聚乙烯塑料薄膜防渗砂壳坝，坝顶长303 m，最大坝高34.87 m。经过20多年的运行，质量检测发现顶部聚乙烯塑料薄膜粘结处的510胶已全部老化，粘接强度大大降低，与垫层接触处有刺破现象，与防浪墙粘接处也出现开裂，顶部聚乙烯塑料薄膜防渗体已出现隐患，达不到预期的防渗效果。

2）底部粘土心墙防渗体质量检测

采用现场钻孔取样的方式，检测评价底部粘土心墙质量。在主坝平行坝轴线方向选取4个典型断面（0+95，0+145，0+195，0+245 m），每个断面沿坝轴线方向，沿不同高程取样，共取样59个。

现场试验检测结果：1）总体施工质量较好，但个别处不均一：0+145 m断面，高程89.170～88.070 m处为软土层，含水较多；局部心墙料内有大量硅质砾石、腐殖土。2）以0+145 m断面土样常规项目试验结果为代表，粘土心墙的渗透系数k=2.11×10-8cm/s；最小抗剪强度c=0.50 kPa，对应φ＝30.25°；干密度为16.3 kN/m3；不均匀系数Cu=3.07；压缩系数0.70；心墙粘土的界限粒径为0.017 mm，其相应的细粒含量53.2%，而临界含量41.1%，可判断为流土型渗流变形。

根据现场取样及试验检测结果可以看出，底部粘土心墙质量及渗透系数均满足要求。

3 主坝上部粘土斜墙加固设计

3.1 顶部斜墙防渗加固方案的拟定及论证

底部粘土心墙经现场检测满足坝体防渗要求，只需对1982—1987年加高采用的聚乙烯塑料薄膜防渗体进行加固处理。据此，拟定了两个方案进行比较。

1）方案一：粘土斜墙。

拆除1982—1987年加高形成的浆砌石防浪墙、聚乙烯塑料薄膜及其砂垫层，将原初期坝的粘土心墙顶部削成平面，凿毛后重新铺设水平宽度为3 m的粘土斜墙，重新修筑坝顶浆砌石防浪墙及止水，保证防浪墙间及防浪墙与心墙的可靠连接。上游从高程117.71 m至高程103 m（原上游马道高程）的坝体边坡由1∶2.75用碾压级配石渣回填到1∶2.886；下游103.74 m马道以下边坡由1∶2.0用碾压级配石渣回填到1∶2.5。

2）方案二：钢筋混凝土斜墙。

拆除部分同方案一，将方案一粘土斜墙置换为0.5 m厚的钢筋混凝土斜墙防渗体，重筑防浪墙及止水；上、下游坝坡放缓、加高培厚同方案一。

经比较，方案一以其投资少（比方案二少139.08万元）、粘土防渗体适应坝体及自身不均匀沉陷能力强、新老防渗体同为粘土连接方便、安全可靠等特点优于方案二；且施工区在正常蓄水位以上，旱地施工，工程量不大，故加固方案选择粘土斜墙方案。

3.2 粘土料场选择及斜墙坝料设计

初步设计阶段选定半拉山粘土料场作为粘土斜墙料场，施工阶段征地时发现为国家基本农田，无法征用。因此在坝址区域又选了胡屯和液化洼两个料场，两个粘土料场技术指标见表1。两个料场的技术指标均满足设计要求，结合坝址区实际情况，选用运距较小的胡屯土料场。

表1 胡屯和液化哇粘土料场技术指标比较表

粘土设计指标：渗透系数k≤1×10-5cm/s，水溶盐含量（按质量计）不大于3%，有机质含量（按质量计）不大于2%，有较好的塑性及渗透稳定性，浸水及失水时体积变化小。塑性指数不大于20，液限小于40%。

3.3 粘土斜墙细部结构设计

加固后，主坝基本坝型为底部粘土心墙和顶部粘土斜墙砂壳坝，坝顶长304.00 m，最大坝高为34.87 m，坝顶高程为117.71 m。

拆除高程112.84 m以上原工程塑料防渗体，重新铺筑粘土斜墙防渗。新建粘土斜墙防渗体水平厚度均为3 m，斜墙上下游坡度均为1∶2.42。粘土斜墙下游侧与坝体中砂料接触部位设置一层反滤层，与坝体石渣料接触部位设置两层反滤层，下游侧每层反滤层厚度为0.5 m；粘土斜墙上游侧设两层反滤层，总厚度为0.5 m。

粘土斜墙防渗体的设计压实度应大于等于最大干密度的98%。粘土斜墙的设计干容重γd≥16.0 kN/m3。粘土料填筑最优含水率为17.5%～18.0%。

上游坝坡为二级坡 1∶2.92～1∶3.0，变坡点在103.00 m 高程处；下游坝坡为二级坡 1∶2.5～1∶2.0，需将高程103.74 m处马道以下边坡由1∶2.0放缓至1∶2.5，培厚部位坝体采用石渣填筑。在主坝左坝头修建回车场。

3.4 粘土斜墙与原防渗体系的连接

新建粘土斜墙底部座在底部粘土心墙顶端部。底部粘土心墙顶高程为112.84 m，开挖过程中发现心墙顶部埋设有82年加高时设置的土工膜及其锚固墩，清除修整粘土心墙顶部成平面，凿毛后重新铺设水平宽度为3 m的粘土斜墙。粘土斜墙底高程为109.80 m。斜墙顶部与坝顶防浪墙混凝土底座相接，形成封闭防渗系统。

3.5 主坝坝坡稳定计算

使用水科院编制的《土石坝边坡稳定分析程序》（STAB1），采用计及条块间作用力的简化毕肖普法对坝坡抗滑稳定进行计算。计算结果见表2，满足规范要求。

主坝边坡稳定计算工况：正常运用条件，即设计洪水位情况；非常运用条件Ⅰ，校核洪水位情况；非常运用条件Ⅱ，地震情况。

4 结语

1）2003年初步设计阶段选用的半拉山粘土料场，质量优良、储量丰富，在2005年工程开工办理征地时，发现其属于国家划定的基本农田区，一票否决，不能开采。施工过程中在工程区选取胡屯粘土料场，粘土储量和质量均满足要求，防渗土料料源问题顺利解决。因此工程设计方案的成立与否，料场的规划、勘察及功能明确非常重要，须引起高度重视。

表2 主坝边坡抗滑稳定计算成果表

2）对于病险水库大坝防渗体加固加高设计方案中，防渗体材料的选择最好与原坝体防渗体材料一致，这样防渗体之间的连接处理简单，防渗效果好，以及新老防渗体适应坝体变形条件一致，对大坝安全运行有利。

3）主坝加固所需坝体填筑料为有级配要求的砂砾料，主要用于坝坡放缓、培厚，用量不大，不足1万m3，综合进行了料场开采规划及坝料外购的技术经济比较，最终选用了坝料外购。对于用量较少的坝体材料，能结合工程实际条件，因地制宜选用灵活的坝料外购形式也不失为一种合理的选择。