高安市三八水库主坝加固设计

2022-08-12付亮

黑龙江水利科技 2022年7期

关键词：坝顶帷幕渗流

付亮

(江西省宜春市水利水电工程监理有限公司工程部，江西宜春 336000)

1 工程概况

三八水库位于高安市独城镇安塘行政村，属赣江水系肖江支流，坝址控制流域面积22.53km2，总库容1057m3，设计灌溉面积2.14万亩。是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养殖等综合利用的中型水利枢纽工程。

工程主要建筑物有：五座大坝(主坝、东一副坝、东二副坝、南副坝、西副坝)、五座坝下涵管(主坝坝下涵管、东一副坝坝下涵管、东二副坝坝下涵管、西副坝坝下左右两座涵管)、溢洪道、引流渠及相关建筑物、渠首工程、防汛公路等组成。

主坝为黏土心墙坝，坝顶高程61.30m，最大坝高16.5m，坝长308m，顶宽6.0m。上游58.90m高程以下干砌石护坡，以上草皮护坡，坡比1∶2.5-1∶3.0；下游草皮护坡，坡比1∶2.5-1∶3.0，高程51.0m以下设有贴坡反滤体，顶宽约1.5m，长260m。2002年加固坝体黏土心墙范围0+008.5-0+298.5，心墙顶高程58.90m，轴线与坝轴线重合，全长290m；坝基帷幕灌浆范围0+120-0+170，全长50m。

2 主坝复核

2.1 坝顶高程复核

坝顶高程为水库静水位与坝顶超高之和，复核计算成果见表1。

表1 坝顶高程复核计算表

从表1可以看出，主坝坝顶高程满足要求。

2.2 渗流及渗透稳定复核

2.2.1 计算断面及渗透指标的确定

1)计算断面的确定：

本次渗流计算选取具有代表性的断面进行分析，具体为：0+050.10、0+135.60、0+213.10三个断面；断面的选取可代表主坝实际渗流运行状况。

2)大坝渗透指标的确定：

坝体各分区的渗透系数取值见表2。

表2 主坝渗透系数分区指标表

2.2.2 渗流计算

2.2.2.1 计算程序说明

本次渗流理论计算分析采用水利部水利水电规划设计总院组织评审通过的北京理正软件设计研究院(WWW.Lizheng.com.cn)编制的土石坝二维渗流计算软件(5.11版)。软件编制依据为《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2020)、《渗流数值计算与程序说明》(毛昶熙等主编、河海大学出版社、1999.01)、《有限元法原理与应用》(第二版、朱伯芳编著、中国水利水电出版社、1998.10)等。软件适用于饱和土和非饱和土理论，适用于不规则边界的各向同性(或各向异性)渗流场，能有效地解决各种堤坝复杂渗流状况的渗流分析问题。

2.2.2.2 稳定渗流计算

1)荷载组合：

根据规范《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2020)规定，土坝计算应考虑水库运行中出现的不利条件，需要计算下列水位组合情况：

a)上游正常蓄水位(58.00m)与下游相应的最低水位；

b)上游设计洪水位(58.36m)与下游相应水位；

c)上游校核洪水位(58.90m)与下游相应水位；

d)上游1/3坝高水位与下游相应水位；

因大坝下游为平地，在各种计算工况时的下游水位变幅值较小，故计算时取大坝下游水位为下游地面高程。

2)计算结果：

按以上所述3种工况分别进行计算，各工况下最大水平渗透坡降值及渗流量计算值见表3。

表3 主坝渗流计算坡降及渗流量表

2.2.3 渗流安全评价

从计算结果可以看出，主坝桩号0+213.1断面坝基层水平坡降在校核工况>允许值，单宽渗漏量偏大；大坝现状的运行情况和计算的结果是相符的。

2.3 坝坡静力稳定复核

2.3.1 大坝稳定计算复核

1)计算方法：

本次鉴定采用北京理正软件设计研究院的边坡稳定分析软件。计算时，稳定渗流期下游坡采用有效应力法进行计算，计算上游坝坡稳定情况时，则采用有效应力法和总应力法两种方法进行计算，计算结果取两种方法所得结果中的小值(本次计算采用毕肖普法)。

2)计算内容：

坝坡抗滑稳定复核计算是在防洪标准复核和渗流安全评价成果的基础上进行的。具体的计算工况如下：

a)正常运用条件：

①水库水位为正常蓄水位(58.00m)的稳定渗流期的下游坝坡；

②水库水位为设计洪水位(58.36m)的稳定渗流期的下游坝坡；

③上游水位由正常蓄水位(58.00m)降至死水位(48.07m)的上游坡；

④水库水位为不利水位(1/3坝高)的稳定渗流期的上游游坝坡；

b)非常运用条件：

①水库水位为校核洪水位(58.90m)的稳定渗流期的下游坝坡；

②上游水位由校核洪水位(58.90m)降至正常蓄水位(58.00m)的上游坡；

计算时，下游坝坡采用有效应力法进行计算，水库水位降落期的上游坝坡则采用有效应力法和总应力法两种方法进行计算，计算结果取两种方法所得结果中的最小值。

3)坝坡抗滑稳定最小安全系数：

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)有关规定，采用计及条块间作用力的计算方法时，坝坡抗滑稳定的安全系数，应不小于：正常运用条件时[K]=1.30、非常运用条件时[K]=1.20。

4)计算断面及参数选定：

由于水库大坝无任何原型观测资料，根据三八水库坝体的结构布置情况，坝体稳定计算断面选择渗流计算相应的断面。

坝体填土及坝基各土层的物理力学指标见表4。

表4 主坝坝体填土及坝基材料的物理力学指标表

5)稳定计算结果：

在六种水库运行工况下，大坝各计算断面上、下游坝坡的最小安全系数详见表5。

表5 主坝各断面坝坡稳定计算结果

2.3.2 坝体稳定性评价

从结果可以看出，各种计算工况下，主坝的上、下游坝坡的抗滑稳定最小安全系数均>规范允许值，满足规范要求。

3 主坝存在的主要问题

通过对三八水库现状的现场检查及复核计算，主坝存在以下问题：

1)主坝桩号0+213.1断面坝基层水平坡降在校核工况>允许值，单宽渗漏量偏大；

主坝坝基透水层仅实施了中间段(桩号0+120-0+170)。2005年库水位达57.03m时，在桩号0+232.5，距下游坝坡脚19.2m，高程47.30m处，发现一处散浸；在桩号0+269.8高程51.55m处和桩号0+279.5高程52.74m处的下游坡与山体接触部位发现两处漏水点(未实施坝基防渗段)。

2)坝顶未设坝顶混凝土路面。

4 主坝加固设计

4.1 加固设计内容

针对主坝存在的问题，根据现场检查以及本次加固设计所进行的地质勘探、复核计算结果，主坝加固设计的内容为：坝基、坝肩帷幕灌浆，增设坝顶混凝土路面；对现有大坝上下游护坡缺损部位、坝面排水系统损毁部位等进行修复。

4.2 大坝外形轮廓尺寸的确定

1)坝顶高程的确定：

由大坝顶高程复核计算可知，设计所需坝顶高程为60.88m，现状坝顶高程为61.30m，满足设计要求。本次坝顶设计高程为61.30m(包括0.20m厚C30混凝土路面、0.15m厚5%水泥稳定基层)。

2)坝顶宽度的确定：

根据《碾压式土石坝规范》SL274-2020规定，如无特殊要求，坝顶最小宽度对中低坝可选用5-10m，现有大坝坝顶宽度为6.0m左右，满足规范要求。本次加固维持现状。

3)坝顶布置：

坝顶设置混凝土路面，长308m，路面宽4.5m，面层为0.20m厚C30混凝土，下设0.15m厚5%水泥稳定基层，为了满足路面排水要求，将路面向上游倾斜，其倾斜坡度为2%。

4)大坝护坡及排水系统：

对现有大坝上下游护坡缺损部位、坝面排水系统损毁部位等进行修复。

4.3 踏步设计

根据大坝现状情况，在大坝上、下游各增设一条踏步，踏步每步高15cm，与坝坡对应设置每步的宽度，并设置C20混凝土齿墙。踏步用C20混凝土现浇，下设15cm厚的砂卵石垫层。

4.4 主坝坝基防渗处理

根据主坝存在的问题结合其他水库坝身、坝基及重点堤防堤身、堤基防渗处理的经验，本着经济、实用、等效的原则，初步拟定坝基采用帷幕灌浆方案进行处理。

主坝现有帷幕灌浆50m长，实际施工过程中会存在现有帷幕灌浆防渗墙定位的问题及新老帷幕灌浆防渗墙的搭接问题，施工中控制不好容易造成空窗，从而留下隐患，考虑到现有帷幕灌浆的长度仅为50m，本次设计不考虑原来的帷幕灌浆处理段，全断面进行帷幕灌浆处理[1]。

帷幕灌浆范围为桩号0-001.3-0+321.9，全长323.2m，布置一排，孔距2.0m，帷幕灌浆轴线与坝轴线重合，帷幕灌浆顶高程与现有冲抓黏土防渗墙搭接1.0m，底部伸入深入相对不透水层以下5.0m。

帷幕灌浆造防渗墙设计如下：

1)帷幕灌浆布置：

帷幕灌浆孔布置单排，钻孔轴线与坝轴线重合，范围为桩号0-001.3-0+321.9,全长323.2m，布置一排，防渗墙轴线位于坝轴线处,孔距2.0m，帷幕灌浆顶高程与现有冲抓黏土防渗墙搭接1.0m，底部伸入深入相对不透水层以下5.0m。分三序孔施工。

2)帷幕灌浆防渗墙设计指标：

帷幕灌浆防渗标准为：q≤10Lu；灌浆压力应通过灌浆试验确定，初拟孔口灌浆压力为0.2Mpa-0.4 Mpa；采用"小口径、孔口封闭、自上而下分段、孔内循环法"灌注工艺，灌浆材料一般采用P.0.42.5纯水泥浆液；局部裂隙发育段、岩溶破碎带等地段可根据实际情况采用砂浆和粉煤灰砂浆；砂应为质地坚硬的天然砂或人工砂,粒径≤2.5mm,细度模数≤2.0；各类浆液掺入料的种类及其掺加量应通过室内浆材试验和现场灌浆试验确定；浆液浓度由现场确定，一般由稀到浓逐级变换;灌浆孔位与设计孔位的偏差值≤10cm,孔深应符合设计要求[2]。