浅析某水库大坝除险加固设计

摘要：本文以某水库为实例，主要分析了该水库大坝除险加固设计，仅供参考

关键词：坝体工程，病险隐患，除险加固，加固设计

一．工程概述

某水库现坝高25m，坝顶高程1907.4m，总库容1130万m3。水库枢纽由大坝、溢洪道、高涵、低涵组成。大坝为泥岩风化料填筑均质土坝，坝顶高程1907.4m，坝轴长290m，坝顶宽7m，设0.5m高0.5m宽浆砌石防浪墙。溢洪道位于大坝左坝肩，为开敞式溢洪道，堰顶高程1901.4m，堰净宽13.5m，全长124.67m，设3孔4.5×4m平面定轮钢闸门。低涵置于左坝肩，进口高程1884.4m，长124.5m，设1.0×1.0m平面钢闸门2道。高涵位于右坝肩，进口底板高程1893.19m，出口高程1892.218m，全长96.3m，洞断面尺寸1.2×1.9m，设0.6×0.6m平面钢闸门。

二． 水库大坝除险加固设计分析

1 坝顶高程的确定

1.1、大坝安全超高

坝顶高程的确定取以下三种运行情况的最大值：

（1）、设计洪水位+正常运行工况的坝顶超高；

（2）、校核洪水位+非常运行工况的坝顶超高。

（3）、正常蓄水位+非常运行工况的坝顶超高+地震坝顶沉陷和涌浪高度。坝顶超高按下式计算：

Y=R+e+A

式中：Y―坝顶超高，米；

R―最大波浪在坝坡上的爬高(取累积概率R1%)，米；

e―最大风壅水面高度，米；

安全超高，米。

R、e的计算按《碾压式土石坝设计规范》(SDJ218―84)附录一计算方法计算。

1.2 波浪爬高

波浪爬高的波高、波长采用莆田试验站公式计算：

由无维量纲水深无维量纲风区长度，查《碾压式土石坝设计规范》莆田试验站方法图，得，从而求得平均波高，再求得平均波长。

式中风速W正常运行工况取多年平均最大风速的1.5倍，非常运行工况取多年平均最大风速。

水库流域多年平均最大风速W=17m/s。

吹程：D=0.8km

水域的平均深度H=15.0m

波浪爬高采用莆田试验站公式(不规则波方法)计算：

式中K―斜坡的糙率渗透性系数；

Kw―经验系数；

m―斜坡的坡度系数。

计算结果：

正常运行工况：R1%=1.302

非常运行工况：R1%=0.642

1.3风壅水面高

最大风壅水面高度e=

式中：K―综合摩阻系数；

H―水域的平均水深，米；

―风向与水域中线的夹角，度；

计算结果：

正常运行工况：0.02m

非常运行工况：0.03m

四、大坝安全超高：

Ⅲ级土石坝 正常运行工况：A=0.7m

非常运行工况：A=0.4m

非常运行工况(地震)应计入1.5m涌浪高。

2大坝防渗处理设计

2.1 方案比较

坝基淤泥质粘土抗剪强度低，坝基砾石层透水性较大，坝体1900.0m以上透水性较大，后期补做的粘土斜墙未达到预期效果。坝体填筑料粒径粗，坝体有架空现象，结构松散，坝体透水性强弱不均。据钻孔资料揭露，坝下冲积层没有被切断，粘土砾石层上、下游贯通，填筑前未进行坝基清基或防渗处理，压水试验表明，坝基存在渗漏，两岸坝肩存在绕坝渗漏，坝基冲积层、基低岩层存在水平、垂直两个方向不均匀性渗漏。针对上述坝基、坝体渗漏问题，拟定三个方案进行比较。

①高压旋喷灌浆

采用三管灌浆法，单排孔布置，孔距0.8m，分两序沿坝轴线均匀布置，孔深进入风强化层0.5m，累计进尺15869m，两坝肩、坝基采用帷幕灌浆接长，防止绕坝和坝基渗漏。投资1541.6万元。

②砼防渗墙

设计砼防渗墙厚度0.8m，坝基、坝肩采用帷幕灌浆。防渗墙沿坝轴线布置，孔距0.8m，孔深进入基岩强风化层1.0m。分槽段施工。先施工单号槽段，后施工双号槽段砼防渗墙面积12630m2,投资1583.6万元。

③帷幕灌浆

帷幕灌浆沿坝轴线布置，因基底无相对隔水层，采用悬挂式。基岩和坝体单排孔布置，砾石层双排孔布置。孔距2m，排距1m。土坝灌浆3198.4m，砂砾石灌浆4932.4m，坝基灌浆3198.4m，总投资790万元。

三种防渗方案砼防渗墙防渗效果可靠，高压旋喷灌浆和砼防渗墙最大造孔深度59m，施工难度大，技术要求高，由于坝体土料粒径不均，粗颗粒含量较大，石块多，砼防渗墙难于形成较好防渗体，墙体均匀性差，施工中易掉块影响防渗效果。方案三全部采用帷幕灌浆，投资最省，但某水库坝基砾石层透水性大，基岩裂隙发育，帷幕灌浆相对可靠程度低，坝基淤泥质粘土槽孔形成困难，帷幕灌浆可灌性差，因此大坝防渗处理采用高压旋喷结合帷幕灌浆方案。

2.2大坝防渗处理设计

由于坝体1900m以上施工质量较差，致使水库后期高水位运行时外坝坡渗水，后期虽铺设粘土斜墙，但未达到预期效果，加之坝基砾石层透水性大等因素，采用高压旋喷砼防渗墙对坝体进行防渗处理。由于坝肩接触带山体透水性较强，沿老坝轴线和坝肩接触段进行悬挂式帷幕灌浆。灌浆孔单排布置，孔距2m。灌浆压力河底段0.5Mpa。灌浆时基岩浆液浓度由稀到浓逐级变换，水灰比采用6:1、4:1、2:1、1:1、0.8:0.6:1六个比级的纯水泥浆灌注，限量法灌浆，结合速率法变级，每级灌400～600L时可变级，但最优浓度可多灌2000L左右。根据规范规定，高压旋喷和帷幕灌浆施工前应进行灌浆试验，根据试验资料对设计参数进行修改。

3下游坝坡处理

由于下游坝体淤泥质粘土孔隙比大、天然含水量高及高压缩性、抗剪强度低（C=1.5，Φ=90），承载力较小，虽经压脚处理坝坡稳定安全仍小于1。针对下游坝坡抗滑稳定问题，拟定两个方案进行比较。

3.1振冲碎石桩

采用振冲碎石桩置换淤泥质粘土层。振冲应遵循《建筑地基处理技术规范》，桩身长度应穿透淤泥质粘土，桩底应深入砾石层0.5m，碎石桩体抗剪强度Φ=35°，桩体的干容重2.09/cm3。桩孔孔距排距均为1.5m，按等边三角形布置，坝基经振冲加固后，其承载力得到明显提高，另外地基土在加载过程中通过碎石桩的排水作用达到排水团结，地基强度逐渐提高。考虑到土石坝对地基变形的适性较强的特点，在筑坝过程中，应适当控制施工速度，使其适应地基强度的增长，坝体、坝基不会发生危害性的变形。

①复合地基抗剪强度指标

根据北京水科院和云南省水利水电勘测设计研究院在务坪水库大型试验提供的复合地基抗剪强度指标拟合公式。

Cf=m×cS+(1-m)×Ct

Φf=m×arctg(ΦS)+(1-m)arctg(Φt)

式中Cf、CS、Ct分别为复合地基、碎石桩、桩间土凝聚力，Φf、ΦS、Φt分别为复合地基、碎石桩、桩间土内摩擦角，m为振冲置换率。

②大坝抗滑稳定分析

经计算，当大坝处理工程措施采用方案二，振冲间距、排距均为1.5m时，正常蓄水位+7°地震下游坝坡安全系数k=1.151，满足规范要求。振冲碎石桩总进尺48966m，投资1739.4万元（含坝土回填）。

3.2 下游坝坡压脚

清除老坝体表层土，高程1895.0m设40m平台，高程1895～1887，坡比为1：5.5。新填坝体坝基采用砂井排水，在填土的作用下，淤泥质粘土排水固结，进一步提高了大坝抗震能力，砂井直径0.5m，间距3m。共需砂井1029个，投资932.2万元（含坝土回填）。

经比较后认为，方案二投资较小，方案一采用堆载排水，淤泥质粘土逐渐固结，可进一步提高大坝抗震能力，所以下游坝坡处理采用方案一。

4坝体结构设计

大坝坝顶高程1908.4m，防浪墙顶高程1909.10m，坝顶宽5m，坝轴线长300m，现状坝顶1907.4m至1904.9m坝体由于原施工质量差，虽经后期用粘土斜墙处理，但仍存在渗漏，应以挖除。挖除部份采用粘土回填，在原老坝轴线设置高压旋喷砼防渗墙。上游坝坡1894.4～1908.0m坡比为1:2.6，下游坝坡1908～1895坡比为1:2.5，在1985高处设40m平台压脚，以确保坝坡稳定。高程1895～1887坡比为1:5.5，1887m处设3m宽戗台，1887～1883坡比为1:2.5。新填坝体坝基采用砂井排水，砂井直径0.5m，间距2.5m。

三 结束语

水库除险加固工程事关防洪、供水及生态安全，水库的安危不仅涉及水库下游广大人民群众的生命安危，而且涉及供水地区广大群众饮水和经济发展的供水安全，还涉及到现代农业基础设施的巩固和提高，因此实施病险水库除险加固是必然的，也是非常紧急。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。