水库大坝迎水面边坡破坏原因分析及加固措施

刘建

一、工程概述：

某水库是一座为解决黄河断流、凌汛、避沙峰期及农灌期不能引水和向城市常年连续供水的矛盾而修建的调蓄水库，库内面积14.422Km2总库容1.4568亿m3，围坝长14.227KM，最大坝高15.24m，坝顶高程17.24m。近年来，由于受超设计风速影响，风浪淘刷对部分坝段干砌石内坡破坏严重，威胁水库大坝的安全，影响了水库的正常蓄水和送水，为了保证向城市的供水量，增强城市抵御干旱灾害的能力，使城市国民经济建设快速发展，必须保证水库的安全可靠运行。因此必须对干砌石内坡的破坏部位进行加固处理。

二、大坝迎水面边坡破坏情况及原因分析：

1、大坝迎水面边坡原设计情况：

原设计大坝迎水面边坡采用干砌方块石护坡，块石厚度为30cm，砌石下设有反滤层，从坝壳起沿垂直坝坡方向由下而上依次为：中粗砂15cm；0.5～2cm碎石15cm；2～4cm碎石20cm。

2、大坝迎水面边坡破坏情况：

水库自建成蓄水以来，每遇大风，迎水面边坡都造成不同程度的破坏，特别是受春夏季东南风和秋冬季西北风影响，对大坝西北段和东南段砌石护坡的破坏就更加频繁、严重。根据破坏时呈现的形式不同，可分为三种：一是水位变化区三角石数量较多，在风浪作用下，使其产生淘刷、翘起、松动和翻转，使反滤料裸露后造成破坏；二是坝坡变形，干砌石架空，下面反滤料被淘空，并已冲刷坝壳，局部深达10cm左右，这种情况是运行和管理中不易被发现的危险；三是因反滤料未按设计要求铺设而被淘空，坝坡形成塌坑，有的部位坝壳已被淘刷10cm以上，这种破坏有时较集中，面积较大。如1995年11月17日，一场风速为25.9m/s的大风造成东南坝段塌坑面积达1557m2。

水库运行以来内坡塌坑破坏情况統计见表1：

时间（年） 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996

塌坑面积（m2） 2017 2263 13045 3304 1906 12339 2180

3、大坝内坡破坏原因分析：

原设计标准偏低。水库原设计风速为20m/s，该水库在这几年的运行中，据当地水文检测单位提供的风速值显示，最大风速可达25.9m/s，已超出原设计值的5.9m/s，且多次超过原设计风速值20m/s，持续时间较长，以原设计风速20m/s和实测最大风速25.9m/s计算波浪对坝面的冲击力，采用下式计算：

PⅠ=K1K2K3γwh

式中：PⅠ——波浪对坝坡的冲击力，t/m2

K1——系数

K1=0.85+4.8h/λ+m（0.028-1.15h/λ）

h——浪高，m；h=0.0208V5/4D1/3

V——风速，m/s；D——吹程，KM；

m——坝坡坡度系数，本坝m=2.5；

λ——波长，λ=0.304VD1/2；

K2——系数，查表2；

K3——最大相对波压力系数，查表3；

γw——水的容量，t/m3；

表2 系数K2

λ/h 10 15 20 25 35

K2 1 1.15 1.3 1.35 1.48

表3 最大相对液压系数

计算波高（m） 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 ≥4

K3 3.70 2.80 2.30 2.10 1.90 1.80 1.75 1.7

经计算，结果为：V=20m/s时，Pz=3.9t/㎡；V=25.9m/s时，Pz=4.95t/㎡。通过比较得知，最大风速值比原设计风速值形成的对坝坡浪压力每平方米增大1.05t，所以，设计风速偏低是造成内坡破坏的原因之一。

护坡施工质量差。设计要求的内坡干砌石厚度为30cm，块石两边接触面的尺寸不得小于25cm，砌筑时，错缝竖砌，紧靠密实，塞垫稳固。但由于任务重、工期紧，迎水面边坡施工在14.227㎞的围坝上全面展开护坡砌筑施工，在施工中对块石规格尺寸及砌筑质量把关不严，三角石数量较多，砌筑质量也达不到有关技术要求。有的部位反滤料混掺，未按设计要求铺设。经有关部门调研认为：水库围坝干砌石护坡砌筑质量较差，块石合格率仅为32%，砌缝合格率仅为40%左右，这是造成大坝内坡破坏的主要原因。

三、大坝内坡加固措施：

1、加固方案：

由于混凝土的强度和抗冲刷能力较强，采用现浇混凝土板进行加固。设计风速及设计混凝土板厚确定。设计风速值按多年最大风速值25.9m/s的1.2倍即31.08m/s计算，经计算混凝土板厚度t=0.15m。

混凝土原材料及配合比。水泥采用425#普通硅酸盐水泥，砂子采用经过筛选的优质天然河砂，碎石粒径1～2cm占35%，2～4cm占65%，混凝土设计标号为200号。配合比为：水泥：砂：水（重量比）=1：2.35：4.01：0.49，水灰比为0.49；混凝土抗冻标号为M150；抗渗标号为S8；外加剂掺用量为：木朽占水泥重量的0.25%，PC—2占水泥重量的0.3/万.

2、迎水面边坡加固施工方案

本水库受西北风和东南风影响强烈，造成大坝西北段和东南段内坡破坏较为严重、频繁，现只对东南和西北坝段破坏较为严重的水位变化区进行加固。在原干砌石面上用15cm厚现浇200#钢筋混凝土板进行加固，配筋为纵横向的冷拔丝，混凝土板沿坝坡方向长10.8m，中间设一道横向伸缩缝，水平方向每8m设一道纵向伸缩缝。为使混凝土与内坡干砌石牢固结合，防止混凝土板下滑，在每层板的顶部和底部各拆除一行干砌石做混凝土齿墙，与混凝土板一起浇注并用长的钢筋做锚固筋，钢筋间距2mx2m，呈梅花瓣形布设，下部插入干砌石缝中，上部浇于混凝土中，以增强混凝土板的抗滑力。

四、水库大坝加固后的使用效果：

经过对该水库大坝的加固处理，保证了水库的正常蓄水和送水，保证了该水库向城市的供水量，增强了城市抵御干旱灾害的能力，从而使城市国民经济建设快速发展。