东江源水库大坝除险加固设计

李亚文，常万军，吴允政，都兴洋

（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

东江源水库大坝位于湘江支流祁水上游，湖南省祁阳县潘市镇曾家岐村境内，距县城35km。东江源水库工程是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养殖等综合利用的水利工程，主要有大坝、溢洪道、输水涵洞等建筑物组成。正常蓄水位118.9m，校核洪水位121.04m，总库容174.98×104m3。

大坝为粘土心墙坝，坝顶高程124.60m，最大坝高32.00m，坝顶轴线长125.00m，坝顶宽3.6m。

2 大坝存在的问题

东江源水库大坝于1963年3月动工修建，1965年9月竣工。由当地村民土法填筑，当时只注重工程进度，填筑土质没有按照设计要求，填筑质量差，夯实不实。根据地质勘探成果，大坝坝体稳定渗流及非稳定渗流最大渗透坡降值，均大于规范容许渗透坡降值，且心墙下游侧无反滤层保护。现大坝坝顶沉陷异常、裂缝显著。

《东江源水库大坝安全评价报告》所述东江源水库大坝存在的主要问题：坝体、坝基渗漏严重，坝体内部存在发生渗透破环的可能性；坝坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求。

3 大坝加固设计

3.1 加固设计方案

3.1.1 方案拟定

根据大坝存在的问题及安全鉴定专家意见，针对大坝坝基渗漏、坝身渗漏问题，拟定了三个加固处理方案：

方案一：基础帷幕灌浆、坝体冲抓套井回填粘土和上游坝坡面铺设复合土工膜防渗层结合方案。在上游110.40m高程马道上，采用冲抓套井回填法构筑粘土垂直防渗墙，墙底缘抵坝基岩面，下接帷幕灌浆，帷幕灌浆底缘深入基岩相对不透水层中3~5m；另外从110.40m马道冲抓回填防渗墙两端起，分别沿左右坝坡与山坡相交处设置混凝土截水槽，再沿该截水槽布置帷幕灌浆孔直至坝顶，并按大坝渗透剖面图将帷幕灌浆线往坝顶左右端延伸至水库正常蓄水位与相对不透水层在两岸的相交处。上游坝坡从110.40m至坝顶高程铺设复合土工膜防渗层，从死水位93.00m至103.00高程用抛石培厚，从103.00m至坝顶高程124.60m进行混凝土预制六角板护坡；下游用草皮护坡，新修排水沟、上坝人行阶梯，修复堆石棱体塌陷部位，并整平坡面。

方案二：基础帷幕灌浆、坝体高压摆喷灌浆和上游坝坡面铺设复合土工膜防渗层结合方案。大坝防渗体系由上游110.40m高程马道形成的高压摆喷灌浆防渗墙、基础帷幕灌浆以及坝坡面铺设的复合土工膜组成。上、下游坝坡的加固方式同方案一。

方案三：基础帷幕灌浆和坝体高压摆喷灌浆结合方案。大坝防渗体系由坝顶形成的高压摆喷灌浆防渗墙、基础帷幕灌浆组成。上、下游坝坡的加固方式同方案一。

3.1.2 方案选定

对以上三种方案从投资、防渗效果、以往的施工经验等方面进行综合比较，方案一投资最少，防渗效果较好，施工难度不大，可以利用当地材料。因此推荐方案一作为大坝除险加固设计方案，即基础帷幕灌浆、坝体冲抓套井回填粘土和上游坝坡面铺设复合土工膜防渗层结合方案。

3.2 冲抓套井回填设计

3.2.1 回填土料的要求

回填土料采用粘土，要求粘粒平均含量不小于50%，渗透系数K≤1×10-6cm/s，含水量控制在塑限附近，干容重γd≥15.5kN/m3，干容重和含水量均要通过现场试验，控制在设计要求范围以内。

3.2.2 钻孔平面布置

冲抓回填套井钻孔布置在大坝上游高程110.40cm马道上，钻孔轴线距马道内侧1m，套井防渗墙在平面上按主、套井相间布置，一主一套相接连成井墙，套井为整圆，主井被套井切割，呈对称蚀圆。

3.2.3 孔距和有效厚度确定

孔距的确定，要求用最小的工程量得到最大的防渗厚度，大坝防渗墙由单排井孔构成，井孔直径110cm。孔距计算如下：

孔距（主井与套井中心距）L=2Rcosα，其中α为主、套井最优切割角度，α=450；R为井孔半径，即R=0.55m，则计算得L=0.78cm。

防渗墙的有效厚度计算公式为T=2Rsinα，则得T=0.78m。

3.2.4 孔深确定

冲抓套井回填顶部高程为109.40m，109.40m以上采用1m混凝土回填。钻孔深度应深入坝基岩面，两岸嵌入岸坡弱风化基岩。

3.3 帷幕灌浆设计

大坝坝基及坝肩存在较严重的渗漏，设计采用帷幕灌浆作为坝基防渗加固处理措施。坝基灌浆孔顺冲抓套井回填孔轴线布置，左右两侧沿截水槽布置帷幕灌浆孔直至坝顶，并按大坝渗透剖面图将帷幕灌浆线往坝顶左右端延伸至水库正常蓄水位与相对不透水层在两岸的相交处。帷幕灌浆孔采用单排孔，孔距2m，帷幕底缘深入基岩相对不透水层中3~5m，防渗控制标准为不大于0.1 L/(min.m.m)。在坝身处钻孔时必须下套管，采用循环式自上而下分段灌浆。

灌浆材料必须是新鲜的普通硅酸盐水泥，强度等级不低于32.5MPa，对水泥的供给采用边用边进的原则，以保障水泥不过长时间在工地积放。灌浆应遵循分序加密的原则，帷幕孔分两序进行，单数孔号为一序，双孔号为二序，同序孔距4m，最终孔距2m。当岩段小于6m时，采用全孔一次灌浆法，大于6m或在漏水严重地段应采取自上而下的方法灌浆，以提高灌浆质量。

3.4 上游坝坡加固设计

上游坝坡考虑稳定要求，在93.00~103.00m高程间采用抛石培厚，103.00~110.40m高程间采用坝壳土培厚，在坝壳土及抛石间用砂砾石和碎石层进行过渡，砂砾石、碎石层厚度均为15cm。

3.4.1 大坝上游坝面复合土工膜防渗设计

该工程选用复合土工膜，型式为两层无纺土工织物夹一层聚乙烯膜，土工膜厚度为0.6mm。从坝体上游一级马道（高程110.40m）到坝顶（高程124.60m）为复合土工膜铺设范围，与山体连接处压入混凝土截水槽中，使之与冲抓套井回填粘土防渗墙和帷幕灌浆组成坝体封闭、连续的防渗体系。

复合土工膜下设砂砾石支持层，厚15cm，土工膜上为正六边形C15混凝土预制块护坡，厚0.12m，边长0.3m。为防止土工膜滑动，在垂直坝坡方向设置一定数量的防滑槽，防滑槽深度20 cm，底部宽度20cm，边坡均为1∶0.5，防滑槽内先铺细砂再铺设土工膜，上部压C15混凝土，土工膜周边处理也要求坚固牢靠，内坡与坝端山体接触处开挖沟槽，形成防滑槽，土工膜向两边山体延伸2.0m，末端用现浇C15混凝土固定，混凝土现浇带高65cm，宽20cm。

3.4.2 上游混凝土护坡厚度计算

这次设计对上游坝坡进行混凝土块护坡，现浇混凝土与预制混凝土护坡相比较，现浇混凝土护坡单价高，不易施工、易开裂，所以本次设计采用预制混凝土块护坡。

混凝土块采用正六边形，边长为0.3m。根据规范，计算混凝土块护坡厚度公式：

式中：η——系数，对预制装配式护面板取1.1；ρc——预制混凝土板的密度，取2.4t/m3；hp——累积频率为1%的波高0.738m；Lm——平均波长，按莆田公式计算为9.3m；b——沿坝坡方向混凝土块边长，为0.52m。

经过计算得大坝得护坡厚度t＝0.12m，根据计算结果，大坝护坡厚度取为12cm。

上游坝坡预制混凝土块护坡范围为高程103.00～124.60m。

3.5 下游坝坡加固设计

下游坝坡取消118.00m、108.00m、104.50m高程马道，回填坝壳料将113.00m马道至坝顶高程124.60m坝坡调整为1∶2.0，用草皮护坡，将99.00m马道至113.00m高程马道坝坡调整为1∶2.3；在马道上设置40cm×40cm矩形排水沟，以完善坝面排水系统；修复堆石棱体塌陷部位，并整平坡面。

3.6 坝顶混凝土路面硬化

东江源水库坝顶沉陷、裂缝，这次设计对其进行混凝土硬化，坝顶土层普遍清除30cm厚，整平坝顶，使其表面密实平整，设一层15cm厚的碎石垫层，再在细碎石垫层上现浇一层厚度为20cm的C20混凝土。

4 结 语

东江源水库大坝位于湖南省祁阳县潘市镇曾家岐村境内，没有公路通坝址，交通很不方便，采用基础帷幕灌浆、坝体冲抓套井回填粘土和上游坝坡面铺设复合土工膜防渗层结合方案，可充分利用当地材料，减少工程投资，满足大坝渗透稳定、边坡稳定要求。