源神庙水库大坝除险加固设计

张世泉

1 工程概况

源神庙水库位于汾河一级支流惠济河东支的中游、尹回水库上游15km处，地处平遥县城东南的朱坑乡源神庙村。枢纽主要由大坝、溢洪道、泄洪洞及输水洞组成，总库容376万m3，是一座以供水为主、兼顾防洪、灌溉等综合利用的小（一）型水库。工程等级为Ⅳ等，主要永久性建筑物级别为4级，次要永久性建筑物及临时性建筑物级别为5级。水库设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为300年一遇。

大坝为碾压式均质土坝，坝顶长250m，坝顶高程980.721m，最大坝高28m；溢洪道位于大坝左端，为河岸正槽开敞式。泄洪洞位于大坝0+033m处，由涵洞和进水塔两部分组成。进水塔为钢筋混凝土结构，塔高28.48m，由工作桥与坝顶相连。输水洞位于大坝0+147m处，进水口采用卧管型式，共18级。

由于大坝设施不配套、坝体质量差、坝基坝肩渗漏严重等问题，建成近五十年来一直处于低水位运行，难以发挥其应有的效益。

2 工程地质条件

源神庙水库坝址河床高程951.0m，左岸山梁高程1180.0m，相对高差230m。河流方向N79°W，坝轴线方向N19°E，河流较顺直。河谷左岸较陡，右岸较缓，呈不对称“U”型谷。

左坝肩为基岩岸坡，上部为长石砂岩，下部为泥岩；右坝肩上部为上更新统低液限黏土层（岸边局部卵石混合土之上无土层覆盖），厚度6.5～26.0m；下部为上更新统冲积卵石混合土，厚度12.7～25.0m，卵石混合土之下为长石砂岩夹泥岩层。

坝基河床高程951m左右，可分为两段，桩号0+030.4～0+133段坝基为第四系全新统卵石混合土，厚3.4m，基岩面高程945.4m，桩号0+133～0+180段坝基表层为第四系全新统低液限黏土覆盖，厚2.0～2.5m，土层之下为厚度7.0m左右的卵石混合土层，基岩面高程 947.0～948.0m。

3 大坝坝体质量缺陷分析

源神庙水库始建于1957年，1958年9月土坝填筑到高度16m时，工程下马，1959年蓄水运行，1971年大坝左端决口，1972—1973年回填并将大坝加高至20m，1976年续建，大坝加高至现状坝高28m。限于当时的历史背景和技术条件，大坝工程的质量难以严格控制。

3.1 坝基渗漏及右坝肩绕坝渗漏

1957年建库时，坝基未进行处理，仅在卵石混合土层上填了薄层次生土。大坝直接座落在卵石混合土层上，右坝肩卵石混合土层也未做防渗处理，是造成水库渗漏的主要原因。

3.2 坝体施工质量差

大坝填筑过程历经20年，土料中混有含砂量大的土，含水率控制不严，多采用人工压实填筑，干密度多达不到设计要求，坝体整体填筑质量差。

与坝轴线近平行的裂缝有两条，其中一条位于上游坝坡桩号0+125马道处（高程972.7m）至0+209马道向下游6m处（高程975.3m），延伸长84m，裂缝宽度2～5cm，虚土局部充填；另一条自桩号0+122上游坝坡马道向下游9m（高程976.6m）处，与前一条大体平行，向左延伸约10m，裂缝宽度0.5～2.0cm，虚土半充填。这些裂缝呈现的宽度较大，与冬季土体收缩有关。

4 大坝除险加固设计

4.1 大坝除险加固工程措施

现状大坝施工质量差，坝顶宽度小且为土路，不满足防汛抢险交通要求；下游坝坡较陡，抗滑稳定安全系数小于允许值；坝体无排水设施，浸润线在坝坡出逸；坝面草皮护坡冲刷损坏，干砌石护坡风化、坍塌；两条土排水沟均已不起作用；坝基坝肩渗漏严重，右坝肩存在绕渗稳定问题。所有这些都严重影响大坝的安全运行。拟采取的加固处理措施为：对坝体裂缝进行充填灌浆；坝顶加宽硬化，下游坝坡培厚，增设排水棱体，重建排水沟；上游坝坡更换草皮护坡为干砌石护坡并整修马道以下风化、坍塌的干砌石；增加坝体观测设施；对右坝肩绕渗增设排水反滤带。

4.1.1 坝体裂缝充填灌浆

对坝体裂缝进行充填灌浆。灌浆孔沿裂缝布孔，孔距1.5m，孔深至960m，按照由疏到密的原则，分两序孔施工。制浆黏土先用孔径25mm铁筛筛过后制浆，浆液经35孔/cm2滤筛过滤后进行灌浆。泥浆采用1.2～1.6t/m3，初期为 1.4～1.2t/m3，疏通孔后采用浓浆1.4～1.6t/m3，施灌时加1.5%的水玻璃，以起分散作用。灌浆时全孔灌注，使孔内泥浆由孔底返向全孔，处于半循环状态。

灌浆全部结束后，布置5%的检查孔进行检验。

4.1.2 坝顶加宽硬化

维持现状坝顶高程不变，对不足设计高度的部位填平补齐。考虑防汛抢险及坝顶防浪墙的设置要求，坝顶拟加宽至6m，用泥结石硬化，路面按2%向下游侧放坡。坝顶上游侧防浪墙高1.0m，厚0.5m，浆砌石结构，表面1∶2水泥砂浆抹面，每15m设沉陷缝一道。下游侧设C20预制混凝土路缘石，汇集路面雨水与下游坝坡排水沟连通。路缘石总高0.60cm，上部0.3m，下部0.3m，矩形断面。

4.1.3 上游坝坡干砌石护坡

清除上游坝坡马道以上草皮护坡并清基0.8m，彻底清除表层腐质土，更换40cm厚干砌石护坡，干砌石护坡以下设20cm厚碎石垫层和20cm厚砂。对马道以下风化、坍塌的干砌石进行拆除、更换。

4.1.4 下游坝坡培厚，增设排水棱体，重建排水沟

拆除现状下游坝坡的干砌石护坡及草皮护坡，清基1m，彻底清除表层腐质土。结合坝顶加宽，将下游坝坡自上而下设置为 1∶2.5，1∶3.0，在高程 968.721m处设马道，马道宽1.5m。下游坝脚增设排水棱体，棱体顶宽2.0m，高4.25m，顶部高程956.971m，棱体内、外侧边坡均为1∶1.5，棱体与坝体接触部位设反滤料，厚0.55m。

坝体培厚土料用右岸土料场黏性土，要求压实度不小于98%。排水棱体所用石料主要利用溢洪道开挖石料。

坝坡培厚碾压完成后，清除表层未碾压土，按设计坡比整修坝坡。坝坡采用草皮护坡，于马道内侧设纵向排水沟，每隔50m设一横向排水沟，纵横相连通，将水排至下游河道。排水沟断面尺寸为0.4m×0.3m（坝坡排水沟），0.5m×0.3m（岸坡排水沟），M7.5浆砌石结构。

4.1.5 坝体观测设备设计

根据工程管理需要，设置大坝安全性观测项目，主要有大坝沉降观测和水平位移观测、坝体渗压观测、坝基渗压观测、绕坝渗压观测及量水堰。

4.1.6 右坝肩绕渗排水处理

为防止右坝肩发生渗透破坏，设计采取右岸坡脚设反滤层带并增加堆石压重的办法进行处理。具体措施为，在坝下游右岸坡脚现状渗水出逸处挖开铺设一条反滤层带，总长120m，并结合弃渣场设置，上部堆放溢洪道开挖石渣，渗水通过集水渠汇集后送入城北集中供水工程过滤池。

4.2 大坝渗流、稳定复核计算

4.2.1 渗漏量及坝体浸润线计算

根据坝体现状结构及对坝体取样资料的分析，将坝体概化为透水地基上的均质土坝，选用最大断面进行分析计算。同时，按正常蓄水位975.221m和1/3坝高水位（967.8m）两种库水位情况分析坝体的渗流状态。

渗流量计算采用《渗流计算分析与控制》中透水地基上均质土坝计算式，经计算：年最大渗漏量为125 万 m3。

After adding metamaterial to the design of simple patch， the structure will be as below:

4.2.2 坝体及坝基渗透稳定分析

4.2.2.1 坝体渗透稳定计算

坝体为均质土坝，允许渗透坡降为0.35，渗流计算采用北京理正软件开发公司编制的《渗流计算分析软件》，计算方法采用有限元法。

经计算，正常蓄水位情况坝体渗透比降为0.142，小于允许渗透比降0.35，满足稳定要求。

4.2.2.2 坝基渗透稳定计算

考虑水库淤积层的作用，设计正常蓄水位时，计算坝基水力比降为0.98，小于地基的允许水力比降1.2，坝基满足渗透稳定要求。

4.2.3 大坝边坡稳定计算

根据《碾压式土石坝设计规范》，上下游坝坡稳定分析按下述两种工况进行分析：

正常工况：水库水位降落时上游坝坡稳定性；正常蓄水位（975.221m）时稳定渗流期的下游坝坡稳定性；1/3坝高水位967.8m时稳定渗流期的上游坝坡稳定性。

非常工况：指正常运用加地震情况下的稳定性。

计算参数见表1。

表1 大坝稳定计算参数表

砂卵石地基重度为2.09g/cm3，摩擦角31°。堆石体参照类似工程，摩擦角25°，相对密度为2.1g/cm3。

4.2.4 稳定计算

采用不计条间作用力的瑞典圆弧法和计条间作用力的简化毕肖普法两种方法计算。各种计算工况均按整体坝坡（从坝顶至坝底，简称深滑弧）和马道以上坝坡（从坝顶至马道，简称浅滑弧）两种可能情况进行稳定分析。

大坝加固后，在各种工况运行条件下，用瑞典圆弧法和用毕肖普法计算的下游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

5 结语

近年来，小水库除险加固工程比较多，所以在实践中要合理分析坝体质量缺陷的原因，并采取相应工程措施，主要通过计算坝体渗流、分析大坝上、下坡在不同工况下的稳定性，使其安全系数满足规范要求，提高大坝安全性。