嫩北农场奋斗水库土石坝除险加固设计综述

2017-05-09李学宏

黑龙江水利科技 2017年1期

关键词：条块坝顶石坝

李学宏

(富锦市水务局，黑龙江富锦 156100)

嫩北农场奋斗水库土石坝除险加固设计综述

李学宏

(富锦市水务局，黑龙江富锦 156100)

随着水利工程的不断发展，病险水库也越来越多。病险水库的除险加固是水利工程建设的一个重点，要根据实际情况，合理利用水库的地形、地质条件，有效控制工程量，节约投资和能源，保护环境。文章以嫩北农场奋斗水库为例阐述病险水库的除险加固设计工作的重点是查清存在的问题，并针对问题制定解决方案，指明设计过程中应注意的事项。

病险水库；存在问题；除险加固；土石坝

1 工程概况

嫩北农场奋斗水库位于嫩江县城北偏东40km，嫩漠公路53km处，坝址位于该场科研站以西。奋斗水库始建于1968年，1974年大坝合拢。该库属于嫩江左岸一级支流科洛河右岸支流西沟子左支上的年调节小(I)型水库，汇流面积94.5km2。该水库设计标准为10a一遇洪水，50a一遇校核洪水。依2003年10月提出的《黑龙江省嫩北农场奋斗水库安全评价报告》按原标准复核得出的原水库工程设计规模为：校核洪水位为277.58m,校核总库容为937.74 万 m3.水库正常(兴利)水位276.20m,兴利库容为607.1 万 m3；死水位为273.00m,死库容为131.9 万 m3。

奋斗水库土坝为均质坝，现状坝顶宽度为8.0m, 坝长为650m坝顶最低高程为277.93m,最大坝高为8.5m，平均坝高为5.68m.土坝上游坡为干砌块石护坡，设计坡比为1∶3.0；下游坝无护坡，设计坡比为1∶2.5.按原设计安排，该水库保护耕地400hm2(旱田)，村屯3个，人口0.4万人，嫩-黑地方铁路3km；灌溉旱田827hm2；养鱼水面80hm2，苗圃100hm2。

2 现状奋斗水库存在的问题

根据2003年10月提出的嫩北农场奋斗水库《大坝安全鉴定报告书》的安全鉴定意见，本工程存在的主要问题是：①大坝现状防御洪水标准为20年一遇，洪水标准低。②土坝、输入洞及溢洪道工程地质条件较差。③坝体施工质量差，坝体土料含水量较高，填筑指标低、压缩系数大，不均匀沉降明显，坝坡面不平整；上游护坡块石粒径小、护砌质量差、垫层和反滤施工质量差；冰冻破坏较重；下游坝脚无排水体。下游坝坡欠填较多；下游坝坡遭人、畜蹬踏破坏较大。该坝已经经历三次垮坝，一次大面积滑坡和一次严重管涌。④坝基漏水，坝基渗流出溢坡降大于规范允许值，渗流形态不安全。⑤输水洞洞身及出口消力池挡土墙等主要结构均有局部混凝土剥离、破坏、漏筋问题，严重危及正常使用。⑥溢洪道已经经历三次大的水毁，最近的一次破坏发生在1991年，至今已有13年时间而未得修复。溢洪道陡坡段、消力池段岸墙及底板均已大部分严重破坏，完全丧失了正常运用功能。⑦输水洞钢闸门变形、锈蚀、止水失效，闸门关闭不严、长漏水；启闭机螺杆严重变形，不能正常使用。⑧无专门管理机构、人员、站舍、水文测报、检测安全设备及交通工具与通讯设施。

3 开展除险加固工程设计的必要性

由于水库修建时缺少基础资料、资金不足等原因[1]，水库主体工程土坝、溢洪道、输水洞仍存在较严重的质量问题，影响工程安全，工程不能正常运行。主要存在防洪标准低、渗漏、稳定性差等问题，只能低水位运行，不能正常运行，达不到调蓄水资源的目的，严重影响水库功能的发挥，也给水库下游城乡人民群众生命财产安全构成威胁[2]。如果水库险情得不到及时处理，后果将十分严重。

4 土石坝除险加固设计

4.1 土石坝地质工程特征

左坝肩桩号0+000-0+185坝段主要地层岩性为：坝基表层主要以黄褐色和灰黑色低液限粉土为主，下覆弱风化和微风化闪长玢岩。土质较均匀，局部含粒径10cm左右的块石，稍有光泽，韧性中等，干强度较低。低液限粉土顶板最小埋深0.15m,底板最大埋深5.96m.全风化闪长玢岩：灰褐色，局部为棕黄色，结构完全破坏成已崩解或分解成土状或砂状，其矿物已可用手捏碎。强风化闪长玢岩：灰黄色，具有分化裂隙部分岩石分解或崩解成土状、砂状。锤击声哑，易碎。镐可挖动。顶板最小埋深3.35m,底板未揭穿。

右坝肩桩号0+485-0+585坝段表层、下覆层均系物理性状、力学指标与左坝低液限粉土相近而略有差异的低液限粉土。坝中部桩号0+185-0+485坝段浅表层次为与左坝相同或相近的低液限粉土，下覆均系强风化闪长玢岩，坝中段的特殊地层岩性是在桩号0+180-0+240和0+330-0+390坝段内，在266-270m高程内均夹有一层强透水的砂砾层透镜体。据分析，这是奋斗水库大坝坝基渗漏的主要地质因素。坝基土料主要物理性质指标：湿重度18.05kN/m3,饱和重度19.26kN/m3,土料内摩擦角φ=35°，坝基土主要为砂性土，土料凝聚力C=0，黏土渗透系数k=2.5×10-7cm/s,费黏性土渗透系数k=2.7×10-7cm/s。

4.2 土石坝设计情况分析：

由于该工程是除险加固工程，土石坝设计任务为对坝体进行加高培厚和按设计断面的整形处理，新建坝体排水，改建护坡和坝顶路面[3]。因此，土石坝设计应该是在原坝体的基础上进行的，其坝址不变，坝型不变，只是在原坝体的基础上进行轮廓尺寸的重新设计。土石坝新断面应尽量采用与原坝体性质相近的土料，以确保新老结合面的稳固与防渗。

4.2.1 剖面尺寸拟定

该坝采用碾压式均质坝，根据坝型、坝高、坝的级别、坝体及坝基材料的性质荷载、施工和运用条件等因素，初步拟定该坝上游坡坡度为1:3,下游坡坡度为1:3.坝顶宽度根据构造施工运行交通和地震等方面的综合研究确定，该坝为低坝，故可拟定坝顶宽度为6m.

坝顶高程是根据正常运用非常运用的静水位加相应的超高Y予以确定：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y为坝顶超高；R为最大风浪在坝坡上的爬高，m；A为安全加高，m，根据坝的级别确定。该坝为4级建筑物，设计情况取A=0.5，校核情况取A=0.3m；E为最大风雍水面高；K为综合摩阻系数，取k=3.6×10-6；D为风区长度，m；Hm为坝前风区水域平均水深。

根据计算成果，取坝顶高程为279.0m，坝顶设置1.2m高的防浪墙，坝顶高程为277.8m。

4.2.2 细部构造设计

因为原坝体施工质量较差，坝体土料含水量较高，填筑指标低，压缩系数大等原因，坝身临水侧设置防渗心墙，防渗心墙采用黏土填筑，坡度与坝坡相同，墙顶厚度为1.5m，顶部高出设计水位0.5m。因为坝基地质条件差局部存在渗漏问题，采用垂直防渗的方法进行处理。垂直防渗采用截渗墙的形式，截渗墙布设在临水侧堤脚处与坝身防渗斜墙连成一体，以增加防渗效果。坝体下游坝脚处设置棱体排水，棱体排水能有效降低浸润线高度，排水效果好[4]。

4.2.3 抗滑稳定分析

土石坝稳定分析是确定坝的剖面和安全评价的主要依据。对均质坝和厚心墙坝来说，滑动面往往接近于圆弧[5]。该土石坝为均质土坝，采用圆弧滑动法进行坝坡稳定分析。采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法进行计算。计算公式如下：

施工期：

(1)

水位降落期：

(2)稳定渗流期：

(3)

式中：k为抗滑稳定安全系数；b为条块宽度，m，W为条块重力，kN；W1为堤坡外水位以上的条块重力，kN；W2为堤坡外水位以下的条块重力，kN；z为堤坡外水位高出条块底面中点的距离，m；u为稳定渗流期堤身或堤基中空隙压力，kPa；ui为水位降落前堤身的空隙压力，kPa；β为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，°；γw为水的重度，kN/m3；Cu，φu，C’，φ’为土的抗剪强度指标，kN/m3，°

根据计算，施工期最小安全系数为1.82，水位降落期为1.78，稳定渗流期为1.36。该坝为IV级建筑物，其容许最小抗滑稳定安全系数为：正常运用，1.15,；非常运用，1.05(《水工设计手册》(土石坝))。根据计算成果可知各种工况下坝坡均满足抗滑稳定安全要求。