小型水库除险加固工程设计分析

胡荣欣

(辽宁省水利厅，沈阳110000)

1 工程概况

某小(2)型水库以蓄水灌溉为主，兼顾防洪任务，农田灌溉供水为当前水库的主要工程任务。水库枢纽由大坝、溢洪道及放水设施三部分组成。大坝为均质土坝，现状坝顶高程606.50m，坝底高程591.075m，最大坝高15.43m，坝顶宽3m，坝长95 m;上游坝坡坡比由上至下依次为1∶1.86、1∶2.16、1∶3.2、1∶2，采用干砌石护坡，下游坝坡坡比由上至下依次为1∶1.42、1∶1.54、1∶2.8;溢洪道位于大坝右岸，正堰开敞式;放水设施采用卧管放水，由坝前以涵管至大坝中部接放水洞，放水洞为浆砌石矩形涵洞。

水库原设计标准为20 a一遇洪水设计，50 a一遇洪水校核，设计总库容23 万m3，兴利库容12 万m3，滞洪库容5 万m3，死库容6 万m3。后经大坝安全鉴定，大坝为小(2)型三类病险水库。经复核，水库为Ⅴ等工程，主要建筑物为5 级，次要建筑物5 级。工程区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.40s，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。由于水库运行一直处于病险状态，时刻威胁着下游村庄及人民群众的生命财产安全。

2 库区工程地质条件

2.1 地形地貌及地质构造

坝址所处河谷断面为“U”型。两岸山峰陡立，山峰海拔高程在500m 以上，为中低山侵蚀型河谷地貌。库区两岸，地形较陡，坡度在40°～60°之间，岩石裸露，岩性为云母石英片岩，河床覆盖层为含漂砾的砂卵石。

1)右岸坝肩的岸坡较缓，表面有坡积层，基岩较破碎，风化层厚度为5 ～20m，节理裂隙发育，无较大断裂和破碎带，裂隙与岸坡方向一致，产状为10°～15°∠30°～60°。大理岩夹层厚度20 ～50 cm，石英脉厚度20 ～30 cm。

2)左岸坝肩为陡坡，坡度为30°～50°，背坝一侧的地形坡度约为45°，片岩产状为10°∠32°，节理裂隙发育，无较大断裂和破碎带，裂隙与岸坡方向一致，裂隙产状为8°～15°∠30°～40°。

2.2 坝址处地层岩性

根据工程地质调绘、钻探和室内土工试验成果，按场地地层的成因时代及物理力学性质分层描述如下:

①素填土(Q4ml):黄褐色，成分以粉质黏土为主，土质较均，含有少量碎石，结构紧密，标准贯入锤击数平均值11.3 击，呈稍密状态，天然含水量平均值为24.92%，湿密度平均值为1.893g/cm3，干密度平均值为1.516g/cm3，液性指数平均值为0.38，可塑状态，压缩系数为0.48，属中压缩性土。渗透系数K=4.52×10－5cm/s，属于弱透水性。容许承载力［σo］=135kPa。

2.3 坝体填筑质量评价

根据水库大坝安全综合评价报告鉴定结果，大坝填筑质量为［1－3］:

1)大坝填筑土料以粉质黏土为主，填筑干密度为14.1 ～16.9 kN/m3，平均干密度为15.6 kN/m3，压实度83.4%～100%，平均压实度92.3%，坝体填筑土压实度的合格率为36.4%，坝体填筑土碾压质量达不到《碾压土石坝设计规范》(SL274—20001)要求标准，大坝填筑质量差。

2)坝体填筑土的渗透系数K=5.42×10－5cm/s，＜1×10－4cm/s 规范规定值;坝体渗流稳定满足要求，但坝基存在渗漏问题;下游坝坡安全系数均小于规范规定值，坝体稳定不满足规范要求。

3)大坝坝顶高程及宽度不满足规范要求。

4)坝体填筑土天然含水量在19.8%～27.8%，天然含水量平均值为24.92%;饱和度在72.6%～98.2%，饱和度平均值为89.39%;干容重在14.1 ～16.1 kN/m3，干容重平均值为15.16 kN/m3;渗透系数K=5.42×10－5cm/s。干容重试验结果，最大与最小干密度差值为2.0KN/m3，说明坝体碾压不均匀。

3 大坝加固措施

根据地勘报告及大坝安全鉴定结果，目前水库大坝存在的主要安全隐患有:

1)坝顶宽度不够，后坝坡较陡，无坡面排水沟，无排水棱体。

2)坝体填筑质量较差，坝基渗漏，左右坝肩渗漏。

3)大坝背水坡抗滑稳定安全系数达不到规范要求。

4)溢洪道上方为强风化山体，易发生塌方，威胁溢洪道正常运行。

5)溢洪道过洪能力不足，溢洪道泄槽段底板无衬砌;放水洞淤积、裂缝。

6)大坝安全监测项目不健全，通讯设备陈旧，无防汛预警设施，无安全监测设备，管理手段落后。

因此，针对以上安全隐患及大坝运行存在的问题，经过野外地质勘探及室内分析，以及以前类似工程经验，提出了以下大坝具体加固措施［4－5］:

1)迎水坡已成干砌石砌护基本完好，坝顶防浪墙净高1.1m，为混凝土墙，墙体完好，墙顶高程为607.60 m，满足计算坝顶高程607.33 m要求，本次设计不再进行处理。

2)坝顶加宽，背水坡培厚。将坝顶宽度由3.0m加宽至5.0m;背水坡进行培厚，由坝顶606.5 m至坝脚，二段坡比依次为1∶1.5、1∶3，其间结合已成上坝路处设一处5m 宽马道。培厚土体的干密度要求达到现状坝体土的平均值(要求培厚土干密度达到16 kN/m3)。坡面种植草皮护坡，并设置浆砌石纵、横排水沟。

3)下游坡脚增设排水棱体，棱体顶部高程为592.15m，排水棱体顶宽1m，底宽12m，上游坡比1∶1，下游坡比1∶1.5，采用干砌块石作为排水棱体材料，并在排水棱体与坝坡及基础间设置砂砾石反滤层。

4 加固后计算分析

针对现状大坝，上游坝坡维持原状，仅做护坡处理，对下游坝坡加高培厚，并在下游坝脚设导渗沟，增设排水棱体。迎水坡坡面自坡脚至正常高水位以上2.0m 采用干砌与浆砌石护坡。水库大坝加固后的正常蓄水位603.84m，设计洪水位为605.76m，校核洪水位为606.57m。加固后大坝典型横断面图如图1 所示。

4.1 设计参数选取

选取最大坝高断面为典型计算断面，针对正常蓄水位下现状大坝、加固后大坝两种工况进行坝体的稳定计算分析。采用二维有限元分析法计算［6－8］。根据地勘报告选取坝体土的物理力学性质指标值，见表1。

图1 大坝典型横断面图

表1 坝体各土层物理力学参数取值

计算工况:①现状大坝正常蓄水位下上下游坝坡稳定分析;②现状大坝正常蓄水位(遇Ⅶ度地震)下上下游坝坡稳定分析;③加固后大坝正常蓄水位下上下游坝坡稳定分析;④加固后大坝正常蓄水位(遇Ⅶ度地震)下上下游坝坡稳定分析;

4.2 现状大坝计算结果分析

图2 ～5 为现状大坝稳定计算结果，其各个工况抗滑稳定安全系数见表2 所示。

4.3 加固后大坝计算结果分析

图6 ～9 为现状大坝抗滑稳定计算结果，其各个工况抗滑稳定安全系数见图所示。

图2 正常蓄水位时上游坝坡安全系数

图3 正常蓄水位时下游坝坡安全系数

图4 遇地震时上游坝坡安全系数

图5 遇地震时下游坝坡安全系数

图6 设计正常蓄水位时上游坝坡安全系数

图7 设计正常蓄水位时下游坝坡安全系数

图8 遇地震时上游坝坡安全系数

图9 遇地震时下游坝坡安全系数

表2 各个工况抗滑稳定安全系数

由图2 ～5 及表2 表明，现状大坝抗滑稳定系数1.913、1.409 满足规范要求，但下游坝坡抗滑稳定系数1.01、0.72 不满足规范要求，因此现状大坝抗滑稳定不满足安全要求。

由图6 ～9 及表2 表明，依据碾压式土石坝设计规范要求，加固后大坝上下游坝坡稳定分析结果在各种情况下均满足边坡稳定要求。因此大坝除险加固方案科学合理，能够满足水库大坝的安全稳定运行。

4 结 论

本次除险加固工程主要对现状大坝稳定进行了复核，针对出现的安全隐患问题根据问题进行坝身加固处理，并对加固后的大坝进行多种工况计算分析，分析结果表明加固措施稳固可靠，能够保证水库大坝的安全稳定运行。另外还应完善大坝的通讯设备以及日常大坝运行的检测系统，以保证大坝的运行时刻在有效的监控之下。

［1］王黎平，陆飞宇.小型水库土石坝除险加固问题浅析［J］.长江工程职业技术学院学报，2015(2):6－8.

［2］吴红.新城水库土石坝除险加固工程设计综述［J］.黑龙江水利科技，2010，38(2):136－137.

［3］胡小龙，焦本，任翔，等.土石坝防渗加固安全形态分析［J］.水电能源科学，2010，28(9):55－56.

［4］吴剑.碾压式土石坝除险加固设计与施工［J］.黑龙江水利科技，2014(2):161－162.

［5］罗东翔，王东.土石坝除险加固方案比选研究［J］.陕西水利，2014(1):105－106.

［6］姚锋杰.基于浑水渗流理论的某心墙土石坝渗流稳定机理研究［J］.水力发电，2012，38(10):24－27.

［7］王刚.复杂水力条件下的坝坡渗流及稳定分析［J］.水电能源科学，2011，29(11):77－79.

［8］沙成刚.基于Geo－Studio 的土石坝渗流与稳定分析研究［D］:［硕士学位论文］.兰州:兰州理工大学，2014.