紫金县中坑水库大坝除险加固工程设计研究

张云辉

（河源市水利水电勘测设计院有限公司,广东 河源 517000）

水库是我国重要的水资源调节与利用工程,对保障人民生命财产安全和促进经济社会发展具有重要作用,但是目前有大量水利工程由于建设年代久远,出现了开裂、剥落等老化现象,导致水库大坝存在一定的安全隐患[1]。中坑水库大坝是一座重要的水利工程,其建造年代较早,随着时间的推移,大坝存在的安全隐患日益增加,如今水库已运行了60 多年,虽经过一次加固维修,但至今仍存在水库大坝坝顶泥结石路面凹凸不平、坝面缘墙部分出现开裂、坝顶宽度不符合规范要求等。水库一旦发生事故,将会对周边居民、灌溉设施以及交通道路产生威胁,甚至会造成人员伤亡、基础设施毁坏等,危害远远超过普通的堤坝溃坝事故。故水库在防洪保安方面具有十分重要的作用,水库的除险加固工程势在必行。

1 工程概况

中坑水库位于紫金县义容镇大新村境内,水系属东江一级支流义容河支流黄洞水,距离义容镇约6 km,距离紫金县城约53 km。坝址以上集雨面积0.5 km2,总库容20.4 万m3,正常库容15.77 万m3,担负着大新村450 亩农田灌溉用水的任务,捍卫下游耕地2000 亩,人口4000 人,是一座以灌溉为主,兼顾防洪的村管小（2）型水库。水库运行60 多年来,在防洪、灌溉、等方面发挥了很大的经济效益和社会效益。

主坝为均质土坝,坝顶路面现状为泥结石面宽3 m,最大坝高13.5 m,坝轴线长115 m,坝顶高程83.30 m,坝顶面部分长有较多杂草,水库物业化管理中已除草。坝顶路面基本平整,为泥结石路面,局部凹凸不平,坝面缘墙局部砂浆压顶脱落、老化；上游坝坡采用砼护坡,坡比为1∶2.5,护坡坡面完整；下游坝坡为植草护坡,坡比为1∶2.5,坡面完整,下游坝坡采用植草护坡,设有纵横向砌石排水沟,结构完好,坝趾设贴坡反滤排水,排水体外坡比为1∶2.5。

2 大坝除险加固工程设计

2.1 坝顶高程确定

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）,坝顶高程在按下式计算确定[2]：

式中：Y 为坝顶超高,m；e 为壅高,m；R 为设计波浪爬高,m；A 为安全加高,m,正常运用条件取A=0.5 m,非常运用条件取A=0.3 m。

当m=1.5~5.0 时,正向来波在单坡上的平均波浪爬高可按下式计算：

式中：Rm为平均波浪爬高；m 为单坡的坡度系数；KΔ为斜坡的糙率渗透性系数；KW为经验系数,与W/ gH 的大小有关,W 为风速,H 为坝前平均水深。

风浪壅高计算公式：

式中：K 为综合摩阻系数,K=3.6×10-6；β为风向与坝轴线法线方向的夹角,β=0°；W 为水面上10 m 处的风速,m/s；D 为吹程,m；Hm为水域的平均水深,m。

坝顶所需最小高程计算见表1。

由计算结果看出,水库坝顶所需最大高程由设计洪水位工况控制为83.24 m。经现场观测,目前中坑水库的大坝顶部高程83.30 m>82.24 m,比设计所需的坝顶高程大,因此目前坝顶高程符合设计要求。

2.2 坝顶宽度

坝顶宽度应根据构造、施工、运行和抗震等因素要求确定,可采用4 m~6 m。中坑水库大坝坝顶路面现状为泥结石面,宽度为3 m,不满足规范要求,本次除险加固后坝顶宽度的确定,结合考虑投资及现场地形拟定为4 m。

2.3 坝顶构造

本次加固工程对坝顶进行硬底化,采用砼结构型式,加固后坝面宽4 m,主坝长115 m,副坝长66.7 m,面层为砼C30厚0.2 m、底层为碎石厚0.1 m、基层为坝体填筑土,间距5 m设置沥青杉板伸缩缝止水。坝顶排水设纵、横向侧排水坡度2%,纵向将雨水沿坝轴线引入左右两岸的下游坡,沿山边墙竖向排水沟系统相连,横向将坝顶雨水顺利导入上游坝坡砼护坡面。

水库大坝坝顶路面现状为泥结石,面层为砂砾石,基层为坝体填筑土,考虑到现状坝面局部较多草根,局部坑洼积水、凹凸不平,平整度较差,且副坝坝顶道路兼作防汛道路,为了大坝防汛车辆及平时通行安全,修复加固路面结构型式,选用水泥砼路面和沥青路面进行方案比较见表2[3]。

表2 坝顶路面方案比选

由于水库地处农村,周边道路均为水泥砼道路,通过方案比选,水泥砼道路造价较低,因此本次加固坝顶道路采用水泥砼道路结构型式。坝顶路面宽4 m,主坝长115 m,副坝长66.7 m,面层为砼C30 厚0.2 m、底层为碎石厚0.1 m、基层为坝体填筑土,路面间距10 m 设置沥青杉板伸缩缝止水。

2.4 坝体渗流稳定复核计算

大坝渗流计算应考虑水库运行中出现各种不利情况,分析采用北京理正软件设计研究所《理正岩土工程计算分析软件6.0 版》的渗流分析计算软件,采用渗流问题有限元由电脑分析计算,计算断面选取大坝最大坝高断面坝中处[4]。渗流稳定计算结果见表3。

表3 渗流稳定计算成果表

据岩土工程勘察报告,坝体主要为粉质粘土,坝体渗透变形主要为流土型式。根据地质资料,计算得知大坝填土为粘性土,孔隙率n=0.35,只发生流土型破坏根据《碾压土石坝设计规范》（SL 274-2020）附录C,坝体填土的临界水力坡降参照以下公式确定：

式中：Gs为比重,γs=1.92 g/cm3；n 为孔隙率,填土n=0.35；J 为渗透坡降；KB为流土安全系数,取1.5。

计算得：J允许＝0.40 计算得以上三种情况下J正常=0.16,J设计=0.234,J校核=0.264,均小于J允许,所以,不会发生流土破坏。

根据渗流安全计算成果,加固后水库主坝和副坝计算工况下的渗流坡降小于允许最大值,故不会产生渗流破坏；根据现场察看,主坝趾反滤排水设施外观基本完好,坝坡排水设施较为完善；副坝下游坝未设置沿山排水沟,未设置排水反滤体,长期运转对副坝渗流安全有一定影响,本次除险加固,新建副坝棱体排水反滤,完善后坡排水体系,不会产生渗流破坏。

2.5 加固后大坝稳定分析

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）,坝坡的稳定分析采用圆弧滑动条分法计算。圆弧滑动条分法计算简图见图1,主要采用简化毕肖普法,其稳定安全系数按下列公式计算[5]：

式中：K 为安全系数；W 为土条重量；V 为垂直地震惯性力（向上为负,向下为正）；u 为作用于土条底面的孔隙压力；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b 为土条宽度；c'、φ为土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩；R 为圆弧半径。

图1 圆弧滑动条分法示意图

根据上述计算工况、计算方法和参数,采用理正岩土计算6.5PB2 版对各种工况进行稳定分析,计算成果见表4。

表4 大坝抗滑稳定最小安全系数计算结果

计算结果表明：在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位所产生的渗透作用下,库岸后边坡抗滑稳定性最大值都能够满足设计标准；而当大坝上部边坡处最差水位处于恒定渗透状态时,大坝上游边坡处的最大抗滑失稳安全极限值仍然符合设计的规定。

3 结语

本工程通过对水库大坝构筑物和运行等设施存在的问题针对性采取除险加固工程措施,完成水库除险加固任务,消除水库安全隐患,夯实水库安全基础,确保水库运行安全和长期发挥效益,保障群众生命财产安全。工程完建后,该方案在提高大坝安全性和稳定性的同时,也具备了实用性、经济性和可行性,能保障当地生活生产,促进当地经济社会发展,可为类似工程提供参考和借鉴。未来还应建立完善的大坝安全监测和管理机制,及时发现和解决大坝存在的安全问题,确保水利工程的安全运行。