王沟水库除险加固方法简述

张小娜，张乐元

（1.运城市水利勘测设计研究院，山西 运城 044000；2.运城市水务局，山西 运城 044000）

1 工程概况

王沟水库位于平陆县圣人涧镇王沟村西的涧东河上，属黄河流域八政河支流，水库控制流域面积20.6 km2，总库容180.0万m3，是一座以防洪、灌溉为主,兼顾水产养殖的小（一）型水库。

水库枢纽工程由大坝、溢洪道、放水涵洞三部分组成。大坝为均质土坝，最大坝高24.0 m，坝顶长178.0 m，坝顶宽4.0 m。坝基为齿墙式黏土截水槽。大坝上游坝坡 1∶1.6，下游坝坡 1∶2.5～1∶2。溢洪道为开敞式，位于大坝右岸土基上，全长197.38 m，采用M7.5水泥砂浆砌石护砌，由进口溢流段、泄槽段、出口消能段组成，设计最大泄量193 m3/s。放水涵洞位于大坝右岸，断面为城门洞型，砌石砖拱结构，尺寸1.5 m×1.0 m，全长86.0 m，最大放水流量1.0 m3/s。

水库经过多年运行，经鉴定，认为大坝存在安全隐患。因此，为发挥水库正常效益，保护下游人民群众生命财产安全，应尽早进行水库除险加固。

2 工程设计

2.1 洪水标准复核

根据《水利水电工程等级划分标准及洪水标准》，王村水库属小（一）型，工程等别为Ⅳ等，其主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。本次复核选用防洪标准为30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。相应洪峰流量为230.08 m3/s和369.15 m3/s，设计洪水位情况下的所需坝顶高程为556.66 m，校核洪水位情况下的所需坝顶高程为557.92 m，水库现状坝顶高程556.6 m，坝高不满足规范要求。

2.2 现状大坝稳定分析

由于现状坝顶高程低于校核洪水位，采用以下两种工况进行复核：正常蓄水位时，上、下游坝坡稳定分析；库水位（正常蓄水位）正常降落时，上游坝坡稳定分析。坝坡抗滑稳定计算采用北京理正软件开发公司编制的《稳定计算分析软件》，计算方法为计及条块间作用力的简化毕肖普法。计算断面选择大坝主河槽最大断面。依据《碾压式土石坝设计规范》，正常、非常运用条件下坝坡抗滑稳定最小安全系数允许值分别为1.25和1.10。计算结果见表1。

由计算结果知，下游坝坡抗滑稳定最小安全系数小于允许值，需加固。

2.3 现状大坝渗流稳定分析

根据《碾压式土石坝设计规范》要求，结合大坝实际运行情况，由于水库的设计洪水位和校核洪水位历时较短，在坝体内形不成稳定渗流，渗流稳定计算考虑上游正常蓄水位与下游相应最低水位一种工况。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。渗流计算断面选坝体最高断面处。通过水力比降计算得，坝体出逸渗透比降0.53，坝体允许渗透比降0.46。根据计算结果可知，坝体土的渗透比降大于允许水力坡降，渗透不稳定。根据勘察报告，坝体土主要为低液限粉土，渗透变形破坏类型为流土。

表1 大坝抗滑稳定计算结果表

2.4 大坝抗震稳定复核

王沟水库所在地构造为豫皖断块，芮城新裂陷，北侧、东北侧与中条山块隆相接，东南侧与济源渑池块坳相临。坝址区设计地震动峰值加速度值为0.15 g，地震动反应谱特征周期为0.40 s，地震基本烈度Ⅶ度。

计算工况采用正常蓄水位遇地震时上、下游坝坡是否稳定，计算采用北京理正软件开发公司编制的《稳定计算分析软件》，计算方法为计及条块间作用力的简化毕肖普法。计算断面选择大坝主河槽最大断面，通过计算得，大坝在地震情况下，其上游坝坡稳定最小安全系数为1.17，下游坝坡稳定最小安全系数为1.08，小于允许值1.10，不满足规范要求。

2.5 大坝加固设计

2.5.1 大坝主体工程加固设计

由于水库坝高不满足300年一遇洪水标准，下游坝坡抗滑不稳定，坝体渗透不稳定，故对坝体除险加固采取以下工程措施：

坝顶向下游加高至557.2 m高程，增设防浪墙。由于现状坝高不满足防洪要求，下游坝坡存在抗滑稳定安全问题，故对坝顶进行加高，坝顶由原来的4 m加宽为5 m，下游坝坡坡比由原来的1∶2.0，1∶2.5变为1∶2.25，1∶2.5，以保证坝坡抗滑稳定。

坝体防渗采用两布一膜防渗。经计算，坝体渗透不稳定，且水库大坝由于施工质量差，造成坝体土密实度不一，均匀性差。为提高坝体抗渗能力，在坝体上游铺设复合土工膜来进行防渗处理。

坝体上游设干砌石护坡，背水坡进行培厚处理，新建坝面纵横向排水沟及排水棱体。护坡上部自坝顶起，下部至淤积层。根据当地筑坝材料以及理论经验最终确定，需设两层反滤层，第一层为粗砂垫层，厚度为15 cm，粒径范围为0.5～2 mm；第二层反滤层为砂砾料，厚度为20 cm，粒径范围为10～60 mm。

新建排水棱体高3.1 m，地面以上高2.0 m，地面以下 1.1 m，顶宽 2.0 m，底宽 7.4 m，内坡比 1∶1.5、外坡比1∶2。从外到内依次为干砌块石、碎石、砂砾料和粗砂，砌筑石块应力求紧密嵌合。

为防止暴雨冲刷坝肩和下游坝坡，在坝坡设置纵横向排水沟，在下游坝坡与岸坡结合处及桩号0+080处布设横向排水沟3条，沿马道内侧及排水棱体下游坡脚设纵向排水沟2条。横向排水沟及马道内侧纵向排水沟断面尺寸为0.3 m×0.3 m，采用现浇C15混凝土砌筑；下游坡脚处纵向排水沟为梯形，底宽0.5 m，高0.5 m，边坡1∶1，采用M7.5水泥砂浆砌石砌筑。

坝顶新建防浪墙，其为M7.5水泥砂浆砌石挡土墙结构，坝顶以上墙高1.0 m、宽0.6 m，墙顶高程558.20 m。防浪墙伸入坝基部分1.4 m，基础底宽1.3 m。防浪墙每隔10 m设一道横向伸缩缝，缝宽2 cm，缝内用1∶1∶4沥青、水泥、砂浆和聚氯乙烯胶泥填塞。

为方便管理人员巡察，坝顶路面铺设0.2 m厚泥结碎石，以2%横坡向下游倾斜。

2.5.2 溢洪道改造设计

溢洪道位于大坝右岸，全长197.38 m，由进口段（渐变段、溢流堰）、陡坡段、跌水、输水渠和出口段组成。进口部分渐变段为八字墙，长9.88 m，宽度由16.56 m渐变到12 m。溢流堰为水平直段，长14.0 m；陡坡段长52.0 m，坡度1∶10，侧墙为重力式挡土墙，起点高6.0 m，末端渐变到3.0 m；消力池段长28.0 m，池深1.5 m；输水渠长80.0 m，侧墙为重力式挡土墙，起点高3.0 m，末端渐变到2.2 m；出口段为挑流式，长5.0 m，倾角15°，出口跌差11.3 m。由于侧墙倾斜，底板砂浆脱落严重，本次对溢洪道进行改造。进口段拆除重建，新建交通桥。

控制段侧墙高6.0 m，为重力式挡土墙，顶宽0.6 m，外边坡 1∶0.4，底部宽 3.0 m，基础宽 4.0 m；底板为0.6 m厚M7.5水泥砂浆砌块石，下垫0.4 m三七灰土。陡坡段、跌水、输水渠和出口段采用现浇C20混凝土进行衬砌，底板衬砌厚0.2 m，侧墙0.15 m；浇筑时采用预埋直径12 mm钢筋，长0.3 m，插入原砌体0.2 m，外露0.1 m，呈梅花形布置，每平米5根。消力池段由于墙高6.0 m，故侧墙增设直径10 mm的钢筋网，间距为20 cm×20 cm。

溢洪道末端挑流下游采用铅丝笼石护砌10.0 m，两侧采用浆砌石重力墙进行护砌，每侧长5.0 m。墙顶顶宽 0.6 m，高 14.8 m，外边坡 1∶0.4，底部宽 6.12 m，基础宽8.12 m。

2.5.3 放水卧管设计

卧管布设在大坝上游右侧岸坡，卧管纵坡比为1∶2.5，每级台阶高差为0.4 m。卧管总高差为12.0 m，共布设30个台阶，第一放水孔高程为541.5 m，通气孔一台高程为553.5 m。卧管采用箱式方形结构，现浇C25混凝土浇筑，盖板采用预制C25钢筋混凝土板。

3 结语

王沟水库除险加固工程实施后，可提高水库安全系数，延长水库运行寿命，保障水库正常运行及下游人民生产生活安全，促进当地社会经济发展。