思南县道沟屯水库大坝稳定分析及除险加固设计

□许朝友（思南县水务局）

1.前言

道沟屯水库位于贵州省铜仁地区西部思南县青杠坡镇，坐落在乌江一级支流六池河上游盲谷“倒勾藤”之中，是一座小（1）型水库，以灌溉为主，兼有防洪、人饮和水产等综合效益。水库总库容237万m3，灌溉面积273hm2。

工程始建于1959年冬，次年停工，1977年冬复工，次年再停工，至1981年5月建成蓄水并投入使用。大坝坝型为土坝，最大坝高30.5m，坝顶宽4.0m，坝底宽159.67m，坝顶高程725.50 m，设有防浪墙，墙顶高程726.50m。

2003年3月铜仁地区水利电力勘测设计院组织工程技术人员进驻现场，实地勘察观测、钻探、压水、注水和土工试验，分析计算。对大坝抗滑稳定进行了较深入的分析，提出了整体抗滑稳定不满足要求，大坝渗漏，防洪标准低等结议。

2005年在对该水库进行安全鉴定基础上，针对坝体和坝基渗漏严重的状况，完成了除险加固实施方案设计，并通过了专家审查，提出对大坝进行培厚加固和复合土工膜结合齿槽帷幕灌浆防渗处理措施。目前坝体培厚加固和灌浆施工已经完毕，坝体及坝基渗漏现象得到了有效遏制。

2.大坝存在的问题

库区岩层褶皱形态为北东向背斜，构造线走向北东向。构造应力来自于北西～南东，在区内发育的构造裂隙结构面主要产状为走向北东，倾向北西，倾角较陡。出露岩层受构造裂隙切割，岩体破碎，库区东岸岩层局部褶皱发育，轴部岩体破碎严重，裂隙发育。出露岩层倾向312～356°，倾角14～47°，受褶皱及岩层层面呈波状的影响局部有所变化。岩层走向多为横向河谷，部分斜向河谷。

大坝枢纽存在的主要问题是坝基及坝体严重渗漏，主要表现在两个方面：

2.1 坝基渗漏

经钻孔揭露，坝基基岩面以下强风化层厚度分别为1.12～2.8m、1.34～2.5m、4.88～5.5m，中风化层厚度分别为1.12～3.2 m、1.34～3.1m、4.88～6.8 m，基岩中渗透系数 k=8×10-4～3.6×10-6cm/s，据GB50287-99《规范》可定其为微～中等透水层，ω≥5Lu的有 9.44m/ZK1、1.34m/ZK2、12.6m/ZK3，坝区基岩面以下漏水层深度为15m。经观测，坝基渗漏总量10～12L/S；坝区存在绕坝肩渗漏，两坝肩渗漏量13～14×10-3m3/s，漏水量随库水位升高而变大。

2.2 坝体渗漏

根据钻探及试验资料分析，坝土体天然含水量最高达30%，干容重1.22t/m3，天然容重1.72t/m3，其饱和容重和饱和度均较高，坝体填料不标准，碾压不密实，填筑质量差，土料级配不合要求，坝身出现多处漏水，1992年经三角堰观测，坝体漏水量随库水位增高而增大，总漏水量达8L/s。

3.大坝稳定评价结论

2003年3月铜仁地区水利电力勘测设计院组织工程技术人员对大坝抗滑稳定进行了较深入的分析，提出如下结议：

水库大坝为砂页岩风化料填筑坝，坝坡稳定分析采用毕肖普法进行计算。上游坝坡无论是正常运用情况还是非常运用情况，稳定安全系数K均满足规范要求。下游坝坡无论是正常运用情况还是非常运用情况，稳定安全系数K均不满足规范要求。因此须对大坝进行除险加固处理。

4.本次除险加固设计大坝稳定的分析和计算

库区出露岩层受构造裂隙切割，岩体破碎。根据坝基地质条件，不存在深层滑动的可能，只须复核坝体与基岩接触面的抗滑稳定。

本次设计按整体稳定对坝基参数进行了分析，并在此基础上提出了除险加固处理措施。

4.1 有关参数的取值

经现场勘察，钻孔揭示，土工试验等资料反映，工程质量较差。主要为筑坝土料及填筑质量不合规范要求，土料中含有散性土体，土料碾压不密实。通过钻孔揭示和压水试验。天然含水量（W）22%～30%，天然容重（rw）1.72 T/m3，干容重（rd）1.22 g/cm3，饱和容重（rs）1.81 g/cm3比重（GS）2.71，孔隙比（e）1.11，内摩擦角（φ）17°，凝聚力（C）0.2 MPa浮容重 0.81 g/cm3，坝前沙质淤泥浮容重（r）0.4 g/cm3，坝前沙质淤泥内摩擦角（φ）5°，坝前沙质淤泥凝聚力C=6KPa，饱和慢剪（φ）＝16°、C＝26KPa，渗透系数 K：K坝＝4×10-3cm/s，K基＝8×10-4～3.95×10-5cm/s。

4.2 整体稳定分析

本次设计采用的整体稳定计算过程，坝坡稳定分析采用毕肖普法进行计算。计算公式：

式中：K为稳定安全系数；c为土条粘结力；b为条块宽度；W为土条重量W＝W1+W2；W1为在坝坡外水位以上的条块重量；W2为在坝坡外水位以下的条块重量；φ为土料内摩擦角；Ui为水库水位降落前坝体中的孔隙压力；a为条块的重力线与通过此条块底面中的半径之间的夹角；V垂直地震惯性力（向上为正，向下为负）；Mc水平地震惯性力对圆心的力矩t.m；R滑弧半径m。

计算结果见表1：

表1 各工况大坝上下游坝坡稳定安全系数表

由以上的数据分析可知：水库大坝上游坝坡最小稳定安全系数Kmin均大于[K]，上游坝坡稳定满足要求。下游坝坡最小稳定安全系数Kmin均小于[K]，下游坝坡稳定不满足要求。

5.大坝除险加固措施

5.1 大坝防渗处理

由安全鉴定结论得知：该大坝坝身、坝肩及坝下涵洞均存在严重的渗漏问题，致使大坝存在严重的安全隐患，故需作防渗处理。

由钻探、注水、压水、观测及收集的大坝施工竣工资料等成果得知，原坝基混凝土防渗齿槽防渗效果较差，坝基渗漏未得到较好的解决，坝基需作防渗处理。大坝两坝肩及大坝坝身的渗漏严重，坝身及两坝肩需作防渗处理。

由于基础和大坝坝身均需防渗，故防渗不考虑坝体轴线帷幕灌浆方案，而拟采用复合土工膜结合土工膜嵌入齿槽的帷幕灌浆防渗，复合土工膜防渗齿槽轴线的布设将按沿坝脚的方式布设，以便于坝身防渗与坝基防渗形成一个封闭连续的整体，从而获得最佳的防渗效果。基础防渗齿槽开挖好后，表面打成锯齿形，再在上面浇筑C15混凝土和浆砌块石，以固定复合土工膜。

5.1.1 复合土工膜铺设采用人工粘结，先用LDJ-246胶将每米自重为200g的土工膜粘贴在坝面上，中间铺搭0.8 mm厚的土工膜，搭接宽度为5 cm，上层再铺设每延长自重为300 g的土工。土工膜底面粘土夯实平整，表面铺细沙，沙粒径1～5 mm，厚度10cm，细沙表面铺粗沙或小碎石，粗沙（碎石）粒径5～15mm，厚度20 cm，然后是块碎石，厚度25 cm，以防止受阳光照射和人工、机械冲击破坏。

此外，土工膜还应满足如下的规范要求：应尽量用宽幅，减少拼接量，在加工工厂应尽量采用热溶法或胶粘法，拼成要求尺寸的块体，卷在钢管上，妥善运至工地。搭接宽度10cm。平整场地，清除地面一切可能损伤土工膜的尖角杂物，作好排渗设施，挖好固定沟。铺设应在干燥暖和天气进行，铺设时不应过紧，应留足够余幅(大约1.5%)，以便适应变化。随铺随压，以防风吹。发现损伤，应立即修补。注意防火。

5.1.2 复合土工膜与岸坡连接时采用刺墙形式，压脚齿槽断面2×2m，铺设方向沿坝轴线方向。

5.1.3 帷幕灌浆采用冲击钻钻机钻孔，中压灌浆泵泵送浆液，灌浆方式采用自上而下分段灌浆，每一灌浆段长度控制在5m左右，灌浆平台采用φ40钢管搭架。

5.2 大坝下游面培厚加固处理

由上述大坝的坝坡稳定计算知，大坝下游坝坡不稳，存在严重安全隐患，在不增加坝高的前提下，须对大坝下游面进行培厚加固处理。

下游坝坡培厚采用与原坝体同类料碾压填筑，土料自然湿容重1.8～1.95 t/m3，同时，在坝坡表层下设置导渗沟，在马道内侧及两岸边坡设置排水沟，坝面仍采用草皮护坡，培厚后坝坡比为1：2.5。在高程715.50、705.50和700.00 m处设有三级马道，马道宽均为2m，马道内侧设有30×30cm排水沟。

6.结语

道沟屯水库除险加固工程于2009年4月开始实施，目前已全部完成。大坝坝体和坝基接触渗漏在水库正常蓄水位时渗漏量已基本为零，说明坝体和坝基接触渗漏问题得到了解决。

道沟屯水库大坝综合考虑坝基处理及坝体施工实际情况，本次设计时按整体进行稳定分析计算上游能满足规范要求，下游不能满足规范要求;通过对稳定分析可知，在长期渗漏侵蚀软化作用下，随着坝基基岩抗滑力学指标的降低，将逐渐影响大坝的安全，必须进行除险加固处理;大坝按整体进行抗滑稳定分析，经必要的坝体培厚加固和灌浆处理后可满足规范要求，有利于节省工程投资。