山塘除险加固初步设计研究

摘要：我国一些山塘大都建设年代久远，原本设计标准就不高，建设质量也较差，致使当前山塘有相当一部分存在漏水问题，因此必须对山塘进行除险加固，本文以某山塘为例，介绍了其除险加固的初步设计。

关键词：山塘；除险加固；设计

中图分类号：S611文献标识码： A

一、工程概况

某坝底山塘位于水库上游，坝址以上流域面积为0.62k,总容积9.3万m3，灌溉面积120余亩，受益范围为径里2个自然村，人口约350人，山塘功能以防洪、灌溉为主。该山塘工程等级为Ⅵ等，工程规模为山（1）型，主要水工建筑物级别为6级，其洪水标准按山区、丘陵区标准。故坝底山塘设计洪水标准取20年一遇，校准洪水标准取200年一遇。

二、工程现状问题及除险加固任务

（一）工程现状

坝底山塘于1972年动工兴建，最终于1979年竣工投入运行，至今已运行30多年，期间未进行过任何除险加固。

1、大坝

大坝为均质土坝，坝顶高程为12.8～13.5m，山塘挡水坝长为95m,最大坝高为16.0m。大坝迎水面存在风浪侵蚀，无护砌，坡度为1:1.5～1:1.8，坝坡局部沉陷。背水坡原坡度为1:2.2，设有两级马道，第一级马道以上未铺设护坡材料，以下用草皮护坡，坝脚未设排水棱体，坝体渗漏严重。由于管理存在缺限，到处杂草丛生。

2、溢洪道

溢洪道位于大坝左岸，由山坡开挖而成，为开敞式正槽溢洪道，原溢洪道进口宽3.0m左右，堰顶高程11.90m。全程均为山体开挖形成，除靠近大坝坝体有一部分块石挡墙外，其余底板及导墙无任何衬砌。

3、放水涵管

山塘放水设施位于大坝右侧，为坝底涵管，用启闭机控制放水，无启闭机房。坝底涵管为篾笼素砼圆涵，内径0.23m，长52m。

（二）除险加固任务

本次山塘整治的主要任务是针对大坝目前存在的问题，通过一系列的工程措施，消除山塘安全隐患，进一步发挥山塘的效益，保障下游人民群众生命财产安全，促进社会经济持续发展。

1、大坝加固处理

针对大坝现有存在的问题，对坝坡进行护坡处理，对坝体渗漏问题进行处理。

2、溢洪道加固任务

溢洪道为岩石开挖而成，无任何护坡处理，不能满足泄洪要求,本次对溢洪道进行拓宽处理。

3、放水设施处理

启闭设施简陋,无水箱,进口设施需进行处理,处理办法:拆除现有进水道，新建水箱及涵管。新安装启闭设施。

（三）做好设计前期勘察工作

本次工程地质勘察工作，完成坝址区工程地质平面测绘0.011Km2，工程地质剖面测绘约435m，对天然建筑材料进行了调查，在大坝坝体上开挖了探坑2个，坝基开挖了探坑2个，总开挖深度约5.2m，在野外通过用手搓土条法对土体进行初步定名。

山塘工程的勘察要点除了按规范规定的任务进行勘察外，还应该重点注意以下五个方面的勘察。

1、增加坝体和坝基中渗透处的钻孔数量，并为坝体坝基渗流的计算提供数据。

2、增加对主要建筑物输水洞和溢洪道处坝体横断面的勘察，并为输水洞和溢洪道设计提供数据。

3、增加对库区山体中可能出现崩塌或滑坡处的勘察并为崩塌或滑坡设计提供数据。

4、增加土坝两侧坝头和山体连接处的钻孔数，防止坝头渗漏并为设计提供准确数据。

5、明确土坝坝体纵横向裂缝产生的原因，并分析是否需要进行处理，提出处理意见。

三、大坝加固设计

（一）坝顶高程复核

溢洪道下泄设计、校核流量时，山塘水位:

P=5% Q=6.7m3/s Hp=5%=12.82m

P=0.5% Q=10.83m3/s Hp=0.5%=13.24m

计算设计条件下的大坝安全超高

坝顶超高：

Y=R +A

Y-坝顶超高，m，

R波浪沿着坝坡的最大爬高，m，

A安全加高,正常运用条件取A =0.5m,非常运用条件取A=0.3m，

R=0.06656×1/m×K×V5/4×L1/3

m-土坝迎水坝坡坡率,m=2

K-迎水坝坡糙率,按规范查 (不透水)为0.8

V-风速(m/s)查表的v=10.8～13.8

L-水面扩展长度,在图上量得L=0.115km

坝顶高程复核：

正常运用条件(设计洪水)

R设=0.06656×1/2×0.8×10.85/4×0.115/3=0.25

H设=12.82+0.25+0.5=13.57m

非正常运用条件(校核洪水)

R校=0.06656×1/2×0.8×13.85/4×0.1151/3=0.34

H校=13.24+0.34+0.3=13.88m

综上所述，现状坝顶高程为12.8～13.5m，坝段不满足正常运用及非常运用条件下坝顶高程要求，因此得加高坝高。

（二）确定坝顶高程

坝顶高程按下列两种情况确定，取其最大值。

1、坝顶高程=设计洪水位+正常运用情况的坝顶超高

2、坝顶高程=校核洪水位+非常运用情况的坝顶超高

坝顶高程计算成果见下表。

坝顶高程计算成果表

根据上述结果，现状坝顶高程为12.8～13.5m，不满足设计要求。当坝顶上游侧设防浪墙时，坝顶超高可改为对防浪墙顶的要求。但在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m；在非常运用条件下，坝顶应不低于静水位。

根据现状，设计坝顶高程为13.50m，坝顶宽3 m，防浪墙高0.6 m。

（三）大坝迎水面、背水面

本次加固设计宜对迎水面整坡，设计坝坡为1:2。坝面采用厚0.35m块石护面，下面设石渣垫层厚0.20m。坝顶采用泥结石路面，厚0.20m。对背水坡进行整坡，放缓坡度至1:2.5，采用砼框格草皮护坡。

四、溢洪道设计

山塘大坝左端设有开敞式溢洪道，原溢洪道进口宽3.0m左右，堰顶高程11.90m，经计算不能满足泄洪要求。本次设计将拓宽溢洪道，设计溢洪道堰顶高程11.90m，溢洪道进口宽5.0m。靠近山体侧按照现状，靠近大坝侧采用C25砼挡墙护坡。

五、大坝防渗设计

对大坝防渗主要有上游防渗处理方案和坝身垂直防渗方案，而上游防渗处理方案比较可靠的防渗方案主要为粘土斜墙。山塘大坝相对较高，坝坡符合设计要求，但渗漏严重的，采取冲抓粘土心墙防渗处理方案。冲抓粘土心墙方案的主要优点是施工机械简单，质量容易控制，施工进度快，不需施工围堰。缺点是对防渗土料的含水量与粘土斜墙方案一样要求较高，故需对土料进行保护，施工受天气影响较大。但粘土斜墙方案施工用土量相对较大，造价相对较高；施工时要求降低水位，使施工面全部露出水面，如大坝施工导流条件很差，施工围堰工程量大，基坑防渗排水困难，且工期长，受气候条件影响大，雨季无法施工，施工工期和施工质量难以保证。考虑两种方案的优缺点，结合本工程实际，决定采用冲抓粘土心墙防渗处理方案。该方案防渗心墙沿坝轴线布置，采用冲抓套井回填粘土心墙至基岩，形成一道防渗体系达到坝体防渗的目的；根据目前已实施的同类工程，设计采用冲抓孔径为1.1m，采用1排，搭接长度0.35m，孔距0.75m，有效墙厚0.805m。

六、自动化安全监测项目设计

（一）渗流监测

渗流监测项目包括大坝浸润线及渗流量监测。

（1）浸润线监测

浸润线监测利用现有测压管实现，在测压管内安装渗压计实现自动化监测。现有2个浸润线监测断面，每个断面从上游坝肩到下游堆石棱体前有4个测压管，共8个测压管，安装8支高精度渗压计来进行自动化监测。

（2）渗流量监测

在坝下游排水沟上设1个量水堰测点，用三角堰方式实现渗流量监测，安装1个高精度水位传感器测量，通过测量渗流水位来换算渗流量。

（二）环境量监测

环境量监测主要包括上游水位监测。在大坝左岸上游面利用水位竖井布置水位计1支，并接入自动化系统进行自动监测。在左坝头管理房附近设1个气温计、1个雨量计实现自动化测量。

（三）自动化监测系统

大坝安全监测系统以自动监测为主，变形监测采用人工监测实现，其观测数据可以输入自动化系统配套的信息管理软件进行管理。所有自动化监测仪器均接入测控单元(MCU)，由一台主控机进行控制。主控机上安装数据自动采集软件、信息管理软件，完成整个枢纽的自动监测和监测数据管理。监测主机安装在离大坝约250m的山塘管理办公室内。山塘处于南方多雷区，为确保系统长期可靠运行，大坝与机房之间用光缆通讯，避免雷电干扰。

结束语

通过除险加固设计与施工的实施，改变大坝坝顶高程不足，坡面不平整、不均匀沉陷，溢洪道泄洪能力不足等问题，建立了全自动安全监测系统，山塘险情得到有效控制。

参考文献

[1]严江明,葛献华.浅谈虹吸管在山塘、小型水库除险中的应用[J].中华民居,2012年7期.

[2]吕建华,何旭斌.宁海县屋顶山塘除险加固工程的设计与施工

[J].科技创新导报,2010年9期.