论水库大坝除险加固设计

2014-09-04潘世勇

黑龙江水利科技 2014年1期

关键词：坝顶除险防渗墙

潘世勇

(贵州省毕节市勘测设计研究院，贵州毕节 551700)

论水库大坝除险加固设计

潘世勇

(贵州省毕节市勘测设计研究院，贵州毕节 551700)

红阳水库位于织金县后寨乡小桥村境内，地处三岔河流域大坝河上游一条小支流喇叭河上，属长江流域乌江水系。水库所在流域属北亚热带，冬春半干燥夏季湿润型，冬长而暖，夏短而凉。文章作者主要是根据自身多年工作经验对水库大坝的情况进行了分析。通过对红阳水库大坝加固前的安全复核相关计算，以及对大坝进行的除险加固设计的复核相关计算，分析比较了加固设计前后的水库大坝的稳定性。对水库的修建过程进行了一系列的详细的规划和设计，仅供同行参考。

水库；大坝；除险；加固；复核

1 工程概况

红阳水库位于织金县后寨乡小桥村境内，地处三岔河流域大坝河上游一条小支流喇叭河上，属长江流域乌江水系。

水库所在流域属北亚热带，冬春半干燥夏季湿润型，冬长而暖，夏短而凉。年平均气温14.1℃，最冷月1月平均气温4.0℃，最热月7月平均气温22.5℃，极端最高气温33.5℃，极端最低气温-12.1℃。平均无霜期为281.1d。年平均降雨量1392.7mm，集中于下半年。年平均日照数1172.2h。

工程枢纽主要由大坝、溢洪道等组成。大坝为表面土斜墙砌石坝，经安全复核，坝顶高程为1685.48m，最大坝高38.98m，最大坝宽为178.68m。坝顶为小型车辆通村交通路，路面为泥结石铺垫。大坝上游为黏土填筑，马道(1663.50m高程)以上坡比为1∶2.6，为前期灌浆平台，宽2.3m坝面采用塑料薄膜进行防渗，C15混凝土预制块加以保护；1659.25～1663.50m高程坡比为1∶3.2，1659.25设有一马道，宽度为4.15m，坝面采用干砌块石进行护坡。大坝下游采用干砌块石砌筑，在1662.00m高程设有一马道，宽2.2m，马道以上坝坡坡比为1∶1，以下坝坡坡比为1∶1.1，坡度较陡。

2 大坝稳定安全复核

2.1 渗流计算

2.1.1 计算公式

渗透逸出水力坡降J=△h/b；土体破坏时临界水力坡降[Jcr]=(Gs-1)(1-n)；土体允许水力坡降J=Jcr/K[1-2]。安全系数K取1.5～2.0，本工程取1.5，则坝体填筑黏土允许渗透比降J=Jcr/K=(2.7-1)(1-0.41)/1.5=0.67。红阳水库大坝为斜墙砌石坝，上游坝段采用均质黏土填筑，下游坝段采用干砌块石砌筑，大坝块石部分渗透比降很小，故只判别坝体填筑黏土的渗透稳定。

2.1.2 计算结果

除险加固后渗流计算结果如下：

1)正常蓄水位(1683.30m)+下游无水的情况下所形成的稳定渗流浸润线见图1。

坝体单宽渗流量为3.25×10-4m/s，坝体渗流宽度按105m计算，坝体总渗流量为0.034m3/s，即约34L/s。

坝体填筑黏土渗流逸出水力坡降为J=△h/b=0.71>[J1]=0.67，坝体渗流性态不安全。

2)校核洪水位(1685.40m)+下游无水的情况下所形成的稳定渗流浸润线见图2。

坝体单宽渗流量为3.43×10-4m3/s，坝体渗流宽度按105m计算，坝体总渗流量为0.036m3/s，即约36L/s。

坝体填筑黏土渗流逸出水力坡降为J=△h/b=0.72>[J1]=0.67，坝体渗流性态不安全。

3)水库水位由正常蓄水位(1683.30m)骤降至死水位(1658.00m)时的不稳定渗流浸润线见图3。

图1正常蓄水位时坝体稳定渗流浸润线图

图2 校核洪水位时坝体稳定渗流浸润线图

图3 水位降落期坝体浸润线图

水位降落期库水位由正常蓄水位骤降死水位时坝体填筑黏土渗透逸出水力坡降为J=△h/b=0.512<[J1]=0.67，坝体渗流性态安全。

经以上计算，大坝渗流性态不安全。

2.2 稳定计算

主要包括2个方面的内容：

2.2.1 计算方法

计算采用瑞典圆弧法和简化Bishop法，运用河海大学工程力学研究所编写的AUTOBANK软件进行运算[3]。计算时考虑大坝坝顶荷载对坝坡稳定的影响，荷载大小为20kN/m。

计算公式为：

v=kJ(达西定律)

(1)

(2)

(3)

式中：k为渗流系数，cm/s；J为渗流坡降；W为土条重量；Q、V分别为水平和垂直的地震惯性力，(向上为负，向下为正)；u为作用与图条底面的孔隙压力；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b为土条宽度；c′φ、′为有效应力抗剪强度指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩；R—圆弧半径。

2.2.2 计算结果

大坝稳定计算结果见表1。

表1 大坝稳定计算结果表

通过对红阳水库大坝进行渗流及坝坡稳定复核计算，结果表明，稳定渗流期大坝渗流形态不安全，非稳定渗流期大坝渗流形态安全。正常运用条件下大坝上游坝坡满足稳定要求，下游坝坡不满足稳定要求；非常规运用条件下上游坝坡满足稳定要求，下游坝坡不满足稳定要求。大坝结构存在安全隐患。

3 大坝除险加固设计

针对大坝现状存在的安全隐患，本次除险加固考虑以下处理措施：大坝坝顶宽5.7m，坝顶凹凸不平，本次除险加固对坝顶进行整平，并满足交通要求，先铺设10cm厚碎石垫层并夯实，然后浇筑厚20cm C15混凝土，并每8m设置一道伸缩缝，坝顶向下游侧按3%坡降放坡，外侧修建一条30cm×30cm排水沟。拆除坝顶上游侧钢筋混凝土栏杆，新建防浪墙，宽20cm，采用C15混凝土结构，呈“L”型，墙顶高程为1686.48m。

经过比选与综合分析得出，从大坝上游坝坡马道以上至坝顶采用0.5mm厚PE复合土工膜防渗。先拆除原混凝土预制块及干砌石护坡、原防渗塑料薄膜，清除坝面杂物，并对坝面基础进行夯实。采用10cm细砂垫层找平压实，铺设0.5mm厚的PE复合土工膜，再采用10cm厚的细砂作PE复合土工膜保护层，保护层的铺盖速度应与铺设土工膜速度相配合，最后用8cm厚的C15混凝土预制块对上游坝面进行护坡，预制块边长为20cm的正六边形，中间留2cm圆孔进行排气。上游面每隔20m设置一道防滑槽，防滑槽共2道，槽内采用黏土回填。黏土回填必须过筛，其粒径≤6mm，下落高度≤30cm，回填30cm松土层后方可用轻碾压实，其压实度应满足设计要求。土工膜周边设置防渗墙，防渗墙接合1988年施工的帷幕灌浆线布置，每隔10m设一道沉降缝，缝宽2cm，并用遇水膨胀定型橡胶止水，缝口用沥青沙浆填缝。上游马道处防渗墙宽2.3m，深0.6m，周边防渗墙宽1.2m，深度≥1.5m。土工膜应嵌固于防渗墙和坝顶C15混凝土嵌固墙中或防浪墙中，嵌固墙及防浪墙中每隔10m设一道沉降缝，缝宽2cm，并用沥青沙浆止水。马道以下的上游坝面不作整治。

为防止防渗墙接触带渗漏，同时接合1988年施工的帷幕灌浆形成防渗帷幕，库区左右岸的帷幕线布置抵岸坡，左岸沿伸至坝顶，右岸沿伸至1988年施工的帷幕线上，并作相应补强，同时对接触带进行防渗灌浆处理，灌浆采用单排孔布置，分三个次序孔施工，孔距3m，灌浆底界进入基岩或土体3m，帷幕线总长243m，造孔82个，工程造孔总进尺1653m，帷幕灌浆进尺1475m，防渗墙兼作土工膜的嵌固墙和灌浆平台之用。