张王水库大坝除险加固设计简述

王红霞

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

张王水库位于万荣县南张乡薛里村，距万荣县城约6.5 km。坝址位于黄河水系汾河流域的东涧沟上，控制流域面积 24.0 km2，总库容 158 万 m3，为小（一）型水库。大坝为均质土坝，最大坝高25 m，坝顶高程601.54～602.08 m，素土路面，无防浪墙。

2 存在问题

根据大坝安全鉴定结果，水库现存的主要问题有：大坝防洪标准不满足规范要求；溢洪道未完建，不能正常运行；大坝坝顶有多处陷坑等。水库一旦失事，将影响王家、李家2个村庄5 000人，266.67 hm2农田，西范四级站以及万荣—荣河公路等的生命财产安全，为此必须对其进行除险加固。

3 大坝加固设计

3.1 坝顶超高复核

张王水库为4级土石坝，在非常运用情况下，波浪爬高的计算风速采用与大坝垂直的多年平均年最大风速，即10.0 m/s，在正常运用情况下，计算风速采用与大坝垂直的多年平均年最大风速的1.5倍，即15.0 m/s。设计波浪爬高值采用累计频率为5%的爬高值；设计安全加高值取0.5 m，校核安全加高值0.3 m。

张王水库设计洪水位高于正常蓄水位，故正常运用工况采用设计洪水位作为计算静水位。工程抗震烈度Ⅶ度，则非常运用工况为校核洪水位工况和正常蓄水位遇地震工况。经计算，设计坝顶高程602.00 m，不需设防浪墙。

3.2 大坝加固设计

根据工程地质勘察报告和大坝安全鉴定结论，结合工程现状，确定大坝加固设计内容包括：坝体加固，对左坝段桩号B0＋000—B0＋030段坝顶以下10 m厚的坝体采取开挖回填碾压加固；大坝坝顶铺设砂砾石路面；大坝上游坝坡面整修，设干砌石护坡；大坝下游坝坡面整修加固，铺设草皮护坡，完善排水系统；排水棱体改造。

3.2.1 坝体加固

根据《运城市万荣县张王水库除险加固工程初步设计阶段工程地质勘察报告》，大坝坝体现已形成左坝段B0＋000—B0＋030段约30 m长的陷坑段，表现为串珠状，陷坑局部直径达1.5 m，深4.0 m左右。坝体土稍密—密实状态，属高—中等压缩性土。坝体土干密度 1.65～1.34 g/cm3，平均值 1.47 g/cm3。大坝安全鉴定综合评价坝体填筑质量较差。

设计对左坝段桩号B0＋000—B0＋030段坝顶以下10 m厚的坝体开挖后再分层回填碾压土，分层厚度不大于250 mm，压实度不低于97%。

3.2.2 坝顶结构

坝顶现状无防浪墙，路面为素土路面，凹凸不平，损坏严重。根据洪水调节计算和坝顶超高复核计算结果，结合坝顶路面改造，设计坝顶高程602.00 m，不需设防浪墙。坝顶设砂石路面，路面宽6.0 m，路面横坡2%，坡向下游侧。坝顶下游侧设30 cm×30 cm的素混凝土排水沟，并与下游坝坡横向排水沟相通。

3.2.3 大坝上游坝坡

现状大坝上游坝坡 1∶2.5，为干砌石护坡，损坏严重。设计对大坝上游坝坡面整修，整修后坝坡为1∶2.5，设干砌石护坡。

3.2.4 大坝下游坝坡

现状大坝下游坝坡为 1∶2，1∶2.5，草皮护坡损坏严重。高程593.00 m处有一马道，宽1.5 m，高程585.30 m有约30 m宽的平台，下游坝脚处设堆石排水棱体。

本次设计拟对下游坝坡面整修，根据大坝渗流稳定计算结果，将坝坡整修为 1∶2，1∶4.0，1∶3.5，在高程594.00 m 处设一条马道，宽 1.5 m，在高程 585.70 m 处为一平台，宽14.8 m。为防止雨水漫流冲刷下游坡面，设草皮护坡，厚度10 cm。在下游坝坡中部设一道横向排水沟和左右岸坡截水沟；在下游坝坡2条马道和排水棱体顶平台的内侧均设置纵向排水沟，共3道；在排水棱体下游坡脚处设1道纵向截水沟。排水沟采用素混凝土结构，壁厚300 mm，断面300 mm×300 mm。截水沟采用素混凝土结构，断面型式为梯形，底宽300 mm，深 400 mm，两边坡均为 1∶1。

考虑到大坝巡查及交通方便，设计在大坝下游坝坡的中部横向排水沟右侧设置1道宽1.0 m的浆砌石人行台阶。

3.3 排水棱体改造

大坝下游坝坡脚的堆石排水棱体损坏严重，内部砂卵石结构紧密，颗粒碎小，排水不畅。本次改造拟将其翻修，提高大坝坝体下游坡脚处的排水能力，保障大坝安全。

设计在大坝下游坡脚578.30 m高程以下设堆石排水棱体，排水棱体高 3.6～5.1 m，顶宽 1.5 m，堆石体内边坡为 1∶1.0，外边坡为 1∶1.5。排水棱体与坝体填土及坝基覆盖层间均设1.0 m厚的反滤层和0.4 m厚的过渡层，防止坝体土逸出进而发生渗透破坏。

3.4 大坝加固后的渗流及渗透稳定计算分析

根据《碾压式土石坝设计规范》，渗流计算应包括以下两种工况：上游正常蓄水位597.00 m与下游相应的最低水位575.90 m（工况一）；上游坝高1/3水位589.50 m 与下游相应的水位 575.90 m（工况二）。

渗流计算采用北京理正岩土软件中《渗流计算分析计算》相关公式，计算方法采用有限元法。计算断面选择大坝主河槽处的最大断面（桩号B0＋070）。坝体渗透系数根据地质工程试验成果确定，计算结果见表1。

表1 大坝渗流稳定计算成果表

由表1计算成果可以看出：处于正常蓄水位和坝高1/3水位时，坝体土和坝基低液限粉土的出逸渗透比降均小于允许渗透比降，表明渗流形态是安全的。

3.5 大坝加固后的坝坡稳定计算分析

根据《碾压式土石坝设计规范》，综合工程实际情况，坝坡稳定计算应包括以下三种工况：正常蓄水位（597.00 m）时的下游坝坡稳定；正常蓄水位（597.00 m）遇地震时的下游坝坡稳定；坝高1/3水位（589.50 m）时的上游坝坡稳定。

大坝坝坡稳定计算采用北京理正岩土软件中《稳定计算分析软件》，计算方法为考虑各条块侧面间作用力的简化毕肖普法。计算断面选择大坝主河槽处的最大断面（桩号B0＋070）。张王水库大坝为4级建筑物，依据《碾压式土石坝设计规范》，正常运用条件下坝坡稳定安全系数最小为1.25。坝坡稳定计算结果见表2。

表2 大坝坝坡稳定计算成果表

由表2计算结果可以看出：在各计算工况下，大坝的坝坡稳定最小安全系数均大于坝坡稳定允许最小安全系数，坝坡稳定。大坝自建成运行50多年来，坝体垂直变形与水平变形趋于稳定。因此，该计算结果分析比较合理。

4 结语

工程建成后，张王水库防洪能力将明显提高，抗洪能力可满足300年一遇校核洪水标准，保护了下游村民财产安全及西范四级站水利设施和公路等基础设施，具有显著的社会效益和防洪效益。