1、病险水库大坝除险加固设计摘要:对于存在的病险的水库大坝，我们必须对大坝病险进行分析，进而采取相应的除险加固措施，以确保水库大坝的安全运行。本文结合米村水库工程实例，对大坝除险加固设计进行了分析。为类似工程的除险加固提供了参考依据。 关键词: 病险水库；大坝工程；加固设计；稳定分析；措施 中图分类号：TU753.8 文献标识码：A 文章编号： 水库除了为人们提供日常生活、农业灌溉、工业生产用水之外，更重要的是在防御洪水灾害发挥着不可替代的作用。但由于水库的使用年限的增加、工程质量不合格以及水库维护管理的疏忽等原因，导致不少病险水库的出现。病险水库的存在严重影响大坝安全，对下游广大人民的生命财产安
2、全造成严重威胁。随着国民经济的不断发展，国家日益重视水利基础设施建设，病险水库的治理作为水利工作的重点也得到了重视。 1 工程概况 米村水库位于灵山县石塘镇东面的石塘村，距离石塘圩 3km，地理位置为东经 10931，北纬 2234。水库所在地属西江水系，为西江支流石塘江。水库始建于 1958 年 1 月，于 1959 年 9 月完工，是一座以灌溉为主的水库。 米村水库集雨面积为 8.15km2，总库容为 545.06 万 m3，工程等别为IV 等，属小（1）型工程，永久性主要建筑物为 4 级，次要建筑物为 5 级。水库原来设计按 50 年一遇洪水标准设计，设计洪水位为 65.88m；按 50
3、0年一遇洪水标准校核，校核洪水位为 66.51m；正常蓄水位为 63.95m。水库建成后没进行过加固。 水库枢纽由大坝、溢洪道和输水涵组成。大坝为均质土坝，原设计坝顶高程为 68.47m，最大坝高为 18.4m，坝顶长为 104m，坝顶宽为5.0m。溢洪道为明渠型式，设计底宽为 20.0m， 过水渠底高程为63.95m，设计最大下泄量为 90.0m3/s，现已成为当地村民的种植地（包括水田和旱地） ，有一条乡村砼公路通过溢洪道中部。输水涵为坝下埋管，涵管直径为 0.7m，采用斜卧管梯级放水型式，坝内水平涵管设计进口高程为 52.00m。 2 大坝除险加固工程 通过坝顶高程复核，计算坝顶高程为
4、67.107m，而现场实测大坝坝顶高程为 67.0267.29m，所以现状坝顶高程局部不能达到设计标准，不能满足防洪要求。但坝顶宽度满足现行规范和水库运行要求，达到防洪安全标准。 经现场检查和地质勘察报告表明，坝体两端与山体接合部位的51.93m 高程处每边各发现一渗漏孔，当水位达到 63.0m 高程时开始出现渗漏。拟推荐大坝采用劈裂灌浆。上游干砌石护坡局部翻修、灌砂后新建砼护坡；下游坝坡清基后培厚加固，整坡后植草，重建下游排水棱体。对坝顶整平，修筑砼防汛公路。增设下游坝坡、坝端等排水系统、人行踏步。 3 大坝工程加固设计 3.1 大坝坝顶高程复核 根据中国地震动参数区划图 （GB183062
5、001）的地域划分，本工程区地震动峰值加速度为 0.15g，对应的地震烈度值为度。按水工建筑物抗震设计规范 （SL203-97）规定，地震基本烈度大于度地区的水工建筑物需要进行抗震复核，故本设计阶段考虑地震影响。 3.1.1 坝顶高程 根据小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则 （SL189-96）规定，坝顶高程等于水库静水位与超高之和。按以下三种运用条件计算，取其最大值： 工况一：正常蓄水位或设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高； 工况二：校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高； 工况三：正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高加地震涌浪高。 3.1.2 坝顶超高按下式计算： Y=R+A（式 1） 式中：
6、Y坝顶超高；R波浪爬高；A安全超高，4、5 级建筑物：A 设=0.5m，A 校=0.3m ，地震涌浪高度 A 地震=1.0m。 3.1.3 波浪爬高计算 根据碾压式土石坝设计规范SL274-2001 附录 A，波浪要素由莆田试验站公式计算 （式 2） （式 3） （式 4） 式中：hm平均波高（m） ；W计算风速（m/s） ；Tm平均波周期（s） ；Hm水域平均水深(m)；Lm平均波长（m） ；g重力加速度，取9.81m/s2；D风区长度，根据风向玫瑰图，采用最不利等效风区长度，按下式计算： （式 5） Di计算点至水域边界的距离(m)；i第 i 条射线与主射线的夹角。 设计波浪爬高值根据工程
7、等级确定，1 级、2 级、3 级坝采用累积频率为 1%的爬高值 R1%，4 级、5 级坝采用累积概率为 5%的波浪爬高值R5%。上述参数取值及计算结果见表 1。 表 1 波浪爬高计算参数采用表 波浪爬高按式 6 计算 （式 6） 式中： Rm波浪爬高(m)；m单坡的坡度系数；K斜坡的糙率渗透性系数；Kw经验系数。 经复核，大坝现状坝顶高程为 67.0267.29m，局部不能满足计算坝顶高程 67.107m 要求。 3.2 大坝现状渗流稳定分析 3.2.1 大坝渗流复核计算 大坝渗流复核计算采用北京理正岩土系列软件计算，并结合实测结果进行比较复核，确定计算浸润线。 大坝坝基、坝体钻探资料结果表明
8、，坝体土渗透系数 K=2.2510-42.2910-4cm/s，以花岗岩风化残积砂质粘性土为主；坝基自上往下为残积土和强风化土，残积土渗透系数为 1.1110-41.1210-4cm/s 。根据米村水库的实际情况，选取最大标准断面进行渗流分析计算，渗透系数取值见表 2。 表 2 坝体、坝基渗透系数取值表 3.2.2 成果分析 （1）浸润线分析：正常蓄水位时，大坝年渗透量共为 2.15 万 m3，表明大坝坝体渗漏量偏大；根据浸润线计算结果得知，设计洪水位和校核洪水位时，水库大坝浸润线逸出点较高。 （2）根据地质勘察报告，坝体填筑土为素填土，按照发生流土型破坏考虑，安全系数取值为 2.0，从下游坡
9、面逸出。 根据南京水利科学院的流土临界比降计算公式（水工设计手册第 3 卷第 255 页）进行计算 （式 7） 式中： 流土的允许比降为：（式 8） 式中： 经计算得J=0.455。 由以上计算结果得知，下游坡逸出段比降小于允许比降，大坝坝体土在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位的渗透比降均满足要求，但大坝渗透量偏大，浸润线较高，渗透水从下游坝坡面上逸出，因此需要对大坝进行防渗处理。 3.3 大坝稳定分析 3.3.1 计算方法 加固前的大坝坝坡稳定复核计算采用北京理正岩土系列计算软件. 3.3.2 基本参数取值（见表 3） 表 3 大坝稳定分析物理力学指标计算值 3.3.3 断面选择 根据坝址
10、地形地质图，选择大坝最大标准剖面为坝坡稳定最不利断面，只要此断面满足稳定分析的安全要求，则整个坝体均可满足安全要求。 3.3.4 浸润线 浸润线由地质勘察实测，并结合现场实际出逸点情况绘制，同时利用地质勘察所取得的渗透计算资料反推浸润线加以复核验证，以正确反映大坝现状的渗流情况。 4 大坝存在的安全隐患和除险加固措施 根据钻探资料揭示本工程场区内的岩土层分布情况是素填土、第四系残积层（Qal） 、基岩。素填土主要以花岗岩风化残积砂质粘性土为主，局部含中粗砂、砾砂等；残积土主要以砂质粘性土为主；基岩为强风化泥质粉砂。填土含水量平均 23.3%，压缩指数平均 0.60 属于高压缩性粘性土，压实度偏
11、低。标贯击数、压缩模量、抗剪强度、均较高，但孔隙比较大，干密度较小，填土分布不均匀、结构较松散。勘探成果表明坝体大部分属中等透水性，少部分（在坝体下部）属弱透水性。 经现场检查和地质勘察报告表明，坝体两端与山体接合部位的51.93m 高程处每边各发现一渗漏孔，当水位达到 63.0m 高程时开始出现渗漏。 4.1 大坝坝体加固 由于现状坝顶高程局部不能满足防洪安全要求，进行坝顶整平，并修筑砼防汛公路，拟对上游坡整修和下游坡培厚。大坝坝顶高程整平为67.20m，坝顶长 104m，坝顶宽调整为 5.0m，采用砼路面，为了便于坝顶排水，设 2横坡倾向上、下游侧；局部整修原上游干砌石护坡，并灌砂和浇筑砼
12、护面；培厚下游坡，下游坡坡比为 1：2.5、1：2.75，采用植草（马尼拉）护坡，二级坝坡之间马道宽为 1.5m。 4.2 大坝的防渗处理 从以上安全复核分析可知，坝体土渗透性偏大，浸润线出逸点位置较高，除了重建下游排水棱体外，为满足“上堵下排”的原则，加强坝身（含坝体填土、坝身原状土）的防渗处理是当务之急。坝基残积土渗透系数为 9.810-51.48410-4cm/s，需进行处理。 4.3 坝体排水、坝区人行道 在大坝下游坡脚重建排水棱体，排水棱体高为 3.1m，迎水坡坡比为1：1.5，背水坡坡比为 1:2，排水棱体顶部宽度为 1.2m。按规范要求做好反滤层，即由外层到内层分别设 2040m
13、m 级的碎石、520mm 级的碎石及粗砂层各厚 300mm。 在大坝下游坝坡、坡脚、坝端增设排水沟，坝坡、坝端排水沟宽为0.3m，坡脚排水沟宽为 0.6m，坝坡、坝端排水沟采用“U”型预制的砼构件，排水沟与人行道步级相结合设置。 5 结束语 综上所述，该水库大坝除险加固工程已完工并通过了竣工验收。目前水库按设计要求运行正常，各项加固措施均达到了除险的目的，帷幕灌浆起到有效作用，坝体下游未见白蚁，下游坡面干燥，坝体未见异常，水库的面貌焕然一新。 参考文献 1 蔡风飞.坝体防渗墙与坝基帷幕灌浆联合防渗处理工程实例J.水利科技,2011 年 02 期 2 王金河.小型病险水库大坝除险加固问题分析J.黑龙江科技信息.2011 年 19 期
