福溪水库主坝除险加固设计

杜巧丰 余学彦 陈崇潮

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002）

福溪水库位于浙江省乐清市仙溪镇上游约 5km的大荆溪支流福溪中游。福溪水库坝址以上集水面积39.17km2，水库总库容为 2270万 m3。福溪水库是一座以防洪为主，兼有发电、灌溉等综合利用的中型水库。福溪水库水库枢纽主体工程有拦河坝（包括主坝、副坝）、溢洪道、泄洪放空洞、输水隧洞、发电厂和升压站等建筑物。

福溪水库工程于1959年11月28日动工兴建，1960年5月基本建成，1960年开始蓄水，其后经多次加固达到现状规模。工程建设采用分期定向爆破方案填筑，由于粘土斜墙填筑质量较差，爆破堆石体与斜墙之间缺少反滤，在蓄水过程中斜墙数次出现渗漏漏洞通道和坝体裂缝。1961年斜墙翻修，填筑反滤层；1963年和1964年主坝翻修；1972年翻修斜墙，并进行水泥灌浆处理；1986年～1987年6月，下游坡加固，增填堆石料并进行坝面干砌块石护坡。

2005年11月，在乐清市水利局的组织下，由南京水利科学研究院承担安全鉴定工作，对福溪水库进行了安全鉴定，经温州市水利局审定，水利部大坝安全管理中心核定，确定福溪水库大坝为三类坝，必须进行除险加固。

2007年6月开始进行大坝除险加固设计，经过多方案比较论证后，主坝采用钢筋混凝土面板防渗方案进行坝体防渗处理，副坝采用新建混凝土重力坝进行加固处理的方案。主体工程于2009年10月15日开工，2010年12月福溪水库除险加固工程蓄水安全鉴定完成通过了蓄水安全鉴定，同时开始蓄水运行。

1 主坝除险加固前概况

拦河坝坝型为粘土斜墙定向爆破堆石坝。坝顶长度115.00m，宽度7.00m，坝顶高程235.31m，最大坝高50.00m，坝顶设高1.00m的混凝土防浪墙，采用人工堆石、定向爆破堆石和含砾砂粉质粘土作为坝体。拦河坝上游坝坡自上而下坡度分别为1:2.1、1:2.7、1:4.0、1:1.5，在高程 227.31m、处变坡，上游坝坡无马道和护坡。下游坝坡自上而下坡度分别为1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.5，在高程 225.31m、216.31m、201.31m处变坡，在高程225.31m、216.31m、201.31m处分别设置宽1.00m、1.20m、1.65m的马道。

2 主坝存在的问题

福溪水库主体工程缺乏必要的前期工作，设计严重滞后，属于典型的“边勘测、边设计、边施工”的“三边”工程，工程建设采用分期定向爆破方案填筑，建设管理和质量控制都十分落后。

主坝填筑压实度与防渗体系达不到现行规范要求，并造成坝体沉降量大和多次出现裂缝，工程质量不合格。主坝防渗体系存在缺陷，斜墙填筑质量差，渗透性偏大，过大沉降产生的横向裂缝可能进一步削弱了斜墙的防渗功能；左、右坝肩存在绕坝渗漏接触带渗漏；主坝渗透稳定性不满足要求。

坝体变形量大，最大累计沉降量达 829mm，最大沉降率为1.86%，远超过一般经验和规范要求，运行中曾出现严重裂缝尤其是出现过与坝轴线斜交裂缝，存在一定的安全隐患，而且水库一直限制低水位运行，未经受高水位考验；下游坡偏陡，其抗滑稳定安全系数不能满足规范要求，主坝上游采用草皮护坡，不符合规范要求，主坝结构不安全。

监测设施落后、不完善，监测布置不合理，监测手段落后。主坝存在蚁害隐患。

福溪水库拦河坝存在病险与安全隐患，属“三类坝”。

3 主坝防渗加固设计

3.1 主坝防渗加固方案的选择

考虑到兴建工程时的特殊历史情况和长期运行中所出现的问题，福溪水库主坝目前存在诸多安全隐患问题，主坝防渗体存在质量问题，粘土斜墙以及粘土斜墙与坝基接触段存在渗漏和渗透变形，需进行防渗加固处理。主坝防渗加固处理的目的是截断坝体和接触段的渗漏通道。针对工程特点和存在的问题，提出了对主坝进行除险加固处理的多个方案，通过钢筋混凝土面板防渗加固方案和沥青混凝土面板防渗加固方案等多方案的综合技术、经济比较后，选用钢筋混凝土面板防渗加固方案。

3.2 主坝结构设计

鉴于混凝土面板对变形的敏感性较强，而原人工堆实体和爆破堆石体未经碾压，弹性模量较小，受力后变形较大，而面板堆石坝主堆石区为坝体的主要支承体，面板受水压作用后，大部分的力通过主堆石区传递至坝基，因此为减少变形，对部分人工堆实体和爆破堆石体予以挖除，重新填筑主堆石区。

首先挖除高程230.31m以上坝体结构、原上游坝面的粘土斜墙、原反滤层和原部分人工堆石、部分爆破堆石，开挖后上游坝坡为 1:1.3，开挖后河床段上游坝脚距离坝轴线（原坝顶中心）距离为55.00m。坝面防渗采用新建钢筋混凝土面板防渗。在开挖面上游侧分区填筑，分层碾压，自上游至下游依次分为3个主要填筑区：垫层区（2A区，水平宽度2.00m）、过渡区（3A区，水平宽度5.50m）、主堆石区（3B区）。另在面板周边缝附近设置特殊垫层区（2B区）。下游坝坡设坡面处理区。

拆除原坝顶防浪墙，重建坝顶结构。坝顶高程235.31m，防浪墙顶高程236.51m，河床段清基后，坝基趾板底高程185.31m，相应最大坝高50.00m。坝顶宽度根据运行、坝顶设施布置、施工要求、交通要求以及坝体应力应变计算成果分析论证确定为 9.00m，坝顶长度为 126.80m。坝顶上游侧在高程 234.71m以上新建 “L”型C20W6F50钢筋混凝土防浪墙，防浪墙墙顶高程 236.51m，高出坝顶1.20m，墙高1.80m，顶部厚度为0.30m。坝顶设厚12cm#60沥青混凝土路面，路面下分别设厚度为18cm的C10素混凝土垫层、厚度为20cm的碎石垫层，垫层下部为新填筑过渡层区、主堆石区。坝顶下游侧在高程235.28m以上设C20F50钢筋混凝土路肩，顶高程235.81m，高出坝顶0.50m，高1.10m，顶部厚度为 0.35m，底部厚度为 1.00m；路肩内设电缆沟，电缆沟内铺设埋设电缆管。另外在坝顶下游侧设置路灯，路灯间距 12.0m。坝顶下游路肩下游面位于坝轴线上游1.20m。

由于下游坝坡抗滑稳定不满足规范要求，因此对原下游坝坡进行处理：放缓坝坡。对高程216.31m以上的坝坡进行削坡处理，削坡后坡度1:1.5，在高程216.31m、225.31m处各设置一宽为2.00m的马道，坡面设干砌块石护坡（3D区），厚40cm。高程216.31m以下坝坡保持原状不变：坡度为 1:1.5，在高程201.31m为处设置一宽为2.00m的马道。为排除坝坡雨水，在下游坝坡与地面交接处外侧设M7.5浆砌块石排水沟，断面为梯形，排水沟底宽35cm，深50cm。

坝体上游为大坝防渗体系，主要由钢筋混凝土防渗面板、上游混凝土防浪墙、混凝土趾板、混凝土岸墙、灌浆帷幕及分缝间的止水等组成。面板采用C25W10F100钢筋混凝土，面板厚35cm，与上游混凝土防浪墙相接，底部座落于混凝土趾板上。面板采用滑模施工，面板垂直缝在接近周边缝 1m处转弯，使其与周边缝呈垂直正交，以避免面板在周边缝处出现尖角。周边缝和面板垂直缝均设二道止水，底部为止水铜片，顶部为 SR塑性嵌缝填料止水。上游混凝土防浪墙坐落在高程234.71m的坝体上，与防渗面板相接，接缝设置底部止水铜片和顶部 SR填料二道止水，墙顶高程 236.51m，墙高1.80m，为了适应坝体沉陷和温度变化，伸缩缝与面板垂直对齐，在迎水面设 SR填料止水一道。趾板位于面板周边与基础交界处，为面板连接体，同时兼作基础帷幕灌浆和固结灌浆的盖板。

主坝防渗加固方案的标准断面图如图1。

图1 主坝标准断面图 (单位：高程、桩号以m计，余均以cm计)

3.3 主坝基础处理

趾板范围内所有地质钻孔必须进行封孔，孔口高程低于正常蓄水位的钻孔须全孔封堵，孔口高程高于正常蓄水位的钻孔，封口高程为 233.51m。为减少地基沉陷和坝基渗漏，趾板基础要求置于弱风化基岩上。对趾板基础进行固结和帷幕灌浆，固结灌浆孔为两排，排距 3.0m、孔距 3.0m，建基面以下孔深 5.0m；防渗帷幕孔一排，帷幕孔距 2m，孔深要求深入相对不透水层（透水率≤3Lu）以下5.0m，左岸帷幕延伸到正常蓄水位与相对隔水层线相交处，右岸帷幕延伸到与副坝左岸防渗帷幕相连接。为防止趾板在基础灌浆时被抬动，趾板基础设有锚筋，锚筋间距为 1.50m×1.50m，伸入基岩内2m。通过趾板的断层需按其破碎带宽度的1.5倍深挖，回填C15混凝土处理并向下游延伸5m。

3.4 主坝下游坝坡设计

3.4.1 安全鉴定坝坡稳定分析情况

安全鉴定时下游坝坡稳定分析选择主坝最大坝高断面进行分析，分析方法采用简化毕肖普法进行分析计算，滑裂面为圆弧，材料抗剪强度采用有效应力抗剪强度指标和总应力抗剪强度指标，根据计算得出下游坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.16，不满足规范要求。

3.4.2 下游坝坡坡度的确定

3.4.2.1 下游坝坡稳定计算方法

根据《碾压土石坝设计规范》（SL274-2001）第 8.3.4条的规定：“面板堆石坝的粗粒料（堆石体）应采用非线性抗剪强度指标进行稳定计算”。对于粗粒料，内摩擦角随法向应力增加而减少，呈现明显的非线性现象，即抗剪强度是小主应力的函数，在靠近坝坡面的小应力部位抗剪强度或内摩擦角较高，在靠近坝底的高应力部位抗剪强度或内摩擦角较低，但由于目前采用非线性计算的工程还比较少，经验还不多，规范没有规定采用非线性抗剪强度指标的稳定安全系数标准。

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228-98）第 5.3.1条的规定：“混凝土面板堆石坝坝坡参照已建工程选用，一般可不进行稳定分析，当存在下列情况之一时，须进行相应的稳定分析：①坝基有软弱夹层或坝基砂砾石层中存在细砂层、粉砂层或粘性土夹层；②坝址位于地震设计烈度 8、9度的坝；③施工期堆石坝体过水或堆石坝体用垫层挡水度汛、且挡水水深较高时；④坝体用软岩堆石料填筑；⑤地形条件不利”。考虑到本工程趾板基础考虑座落于基岩上，其余坝基表层土均予以挖除，爆破堆石和人工堆石均未进行碾压，故对下游坝坡进行坝坡抗滑稳定分析。

下游坝坡抗滑稳定计算采用简化毕肖普法，滑裂面采用折线，选取大坝最大断面进行计算。

简化毕肖普法按下式计算：

式中：

K───抗滑稳定安全系数；

W───土条的重量，(kN)；

u───作用于土条底面的孔隙压力，(kN)；

α───条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，(°)；

b───土条宽度，(m)；

c'───土条底面的有效应力抗剪强度指标的凝聚力，(kN/m2)；

'

ϕ───土条底面的有效应力抗剪强度指标的的内摩擦角，(°)。

3.4.2.2 下游坝坡抗滑稳定计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定，本工程拦河坝下游坝坡稳定计算时选取以下二种设计条件、四种工况进行计算。

a）正常运用条件：

工况一：正常蓄水位背水坡稳定计算。

工况二：设计洪水位背水坡稳定计算。

b）非常运用条件：

工况三：校核洪水位背水坡稳定计算。

工况四：完建期背水坡稳定计算。

3.4.2.3 下游坝坡抗滑稳定计算参数

各材料的物理和力学参数详见表1。

表1 坝体材料参数

3.4.2.4 下游坝坡保持不变的可能性

下游坝坡保持不变下游坝坡计算结果见表2。

表2 下游坝坡保持不变抗滑稳定安全系数计算成果

由计算结果可知，在下游坝坡保持不变时工况一、工况二条件下下游抗滑稳定安全系数均不满足规范要求，因此下游坝坡保持不变是不可能的，须对下游坝坡进行放缓处理。

3.4.2.5 下游坝坡坡度的确定

常规混凝土面板堆石坝坝体堆石料经过碾压后坝坡一般采用1:1.3或1.4，本工程坝体堆石料为爆破堆石和人工堆石均未进行碾压，坝坡须适当放缓，参照已建类似工程经验并结合布置要求，将下游坝坡放缓至 1:1.5，即对原下游一、二级马道以上坝坡进行放缓坝坡处理：坝坡与原二级马道以下坝坡一样，均放缓至 1:1.5（以下游二级马道下游边为基准，在高程 216.31m、225.31m处各设一级宽 2.00m的马道）。即以下游二级马道下游边为基准，在高程216.31m、225.31m处各设一级宽2.00m的马道，一、二级坝坡均放缓至1:1.5，高程216.31m以下坝坡保持不变。

对下游坝坡放缓后的抗滑稳定进行计算，确定其合理性。

下游坝坡放缓后下游坝坡计算结果见表3。

表3 下游坝坡放缓后抗滑稳定安全系数计算成果

根据计算成果表明，下游坝坡放缓后下游坝坡抗滑稳定性均满足规范要求，且在正常运用条件工况二（设计洪水位时）略大于规范要求，仅仅大了0.005，因此表明下游坝坡放缓至1:1.5是合理的，也是经济的，不可能再加陡。

4 结 语

福溪水库拦河坝经除险加固后，于2010年12月蓄水至今已有1年多时间了，运行情况良好，由此看来钢筋混凝土面板防渗加固方案是本工程比较合适的防渗加固方案，此方案具有防渗可靠、耐久性及安全度较高、可靠性较强、防渗处理彻底等优点，能从根本上对工程原有的病害进行彻底治理。