水库除险加固设计探讨——以西泉水库为例

彭玉刚

(新疆新水水力科技发展有限公司，乌鲁木齐830002)

1 项目概况

西泉水库是土墩子农场西泉灌区农业灌溉供水的重要水源之一，对土墩子农场的农业生产发挥着较大的作用。现状西泉水库由挡水坝、放水涵闸两部分组成。该水库目前主要存在的结构病害为:

1) 水库淤积严重，坝顶超高不满足规范要求，调蓄能力锐减。西泉水库原设计库容150 万m3，现水库淤积后实际库容仅为45.1 万m3，已淤积105 万m3。同时，水库坝顶超高不满足规范要求，只能低水位运行。由于西泉水库是西泉灌区目前唯一的灌溉水源，水库调蓄能力的降低，使土墩子农场西泉灌区现状1 333.3 hm2耕地存在严重的季节性缺水问题，农作物处于不完全灌溉状态，已严重的影响了土墩子农场西泉灌区的农业生产，制约了土墩子农场的经济发展。

2) 坝体施工质量差。由于是“三边”工程，没有设计，农场自行围堰筑坝，土料填筑质量不合格，存在粉细砂夹层，土体饱水软化，强度降低，坝后排水情况较差，致使坝后坡常年处于饱水状态，坝体填筑土体性质将继续恶化，危及坝体稳定。

3) 坝后渗漏严重。由于坝基存在粉细砂夹层，同时由于筑坝施工时未清基，形成渗漏安全隐患，伴随有渗透破坏，直接威胁坝体安全。

4) 放水闸闸门存在止水老化、闸体射水、锈蚀严重，启闭困难等故障。目前开启困难，不能完全关闭，启闭设备露天设置，锈蚀严重，闸门启闭缓慢。

2 除险加固设计

2.1 坝顶构造设计

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》中对坝顶宽度的要求，坝顶宽度应为3 ～6 m，西泉水库现状坝顶宽度为5 ～8 m，为满足施工、运行和抗震要求，设计水库土坝顶宽度为4.5 m。为方便水库管理、维修及防汛并防止防渗体干裂和雨水冲蚀，设计坝顶路面为泥结石路面，路面长2 947.5 m，路面宽4.5 m，泥结石层厚20 cm。

2.2 坝坡坡比设计

因西泉水库现状坝体为土坝，上下游边坡不规整，现状边坡上游坡比为1∶10 ～1∶2.6，下游坡比为1∶8 ～1∶2.4。通过本工程除险加固后，拟定上游坝坡坡比为1∶2.5，下游坝坝坡比为1∶2.0。现需确定坝体加高培厚后上下游边坡是否稳定。本工程拟定上游坝坡坡比为1 ∶2.5，下游坝坝坡比为1∶2.0。通过采用北京理正软件设计研究所开发的《理正工程设计工具箱》中的“坝坡稳定分析软件4.0 版”对坝体进行计算，对上、下游坝坡采用拟静力瑞典圆弧有效应力法进行计算( 浸润线、孔隙水压力场根据渗流计算所得) 。水库土坝上、下游边坡在正常工作条件和非常工作条件下抗滑稳定计算的最小安全系数均大于《规范》允许值。说明设计上游坡坡比为1∶2.5，下游坡坡比为1∶2 是抗滑稳定安全的。

2.3 坝体加高、培厚设计方案

根据水库坝顶超高计算，主坝段坝顶超高值平均为1.4m。对加高部分可选择2 种方案，分别为坝顶土方加高+混凝土防浪直墙;坝顶土方加高。坝顶土方加高+混凝土防浪直墙加高方案，对主坝段坝体加高部分采取土方+防浪直墙加高方式。根据坝顶超高值确定的坝顶高程为560.5 m，设计防浪墙高1.0 m，坝顶设计高程为559.5 m，在559.5 m高程以下需加高部分采用土方加高。坝体上、下游坡比分别为1∶2.5 和1 ∶2.0。防浪墙采用C25 钢筋混凝土结构，墙厚0.25 m，墙体形式为“L“型。墙深2.1 m，基础宽1.2 m，基础板厚0.25 m。559.5 m以下坝体土方加高、培厚采取从上游坝顶处开始向下游侧加高、培厚方法。坝顶土方加高方案即主坝段坝顶全部采用由上游坡顶开始向下游侧进行土方加高培厚坝体的方法。土方由原坝顶559.50 m 加高到560.50 m，坝顶土方压实宽度4.5 m。

从工程量看，前者较后者土方少1.00 万m3，较方案二增加混凝土1 615 m3，从施工方面考虑，土方工程较钢筋混凝土工程简单、方便，工期短，且单方投资省。从工程投资方面比较，直接费用前者为258.72 万元，后者为283.33 万元，两方案投资基本相近，前者投资高24.61 万元。从施工难易及节省工程投资方面考虑，选定后者较为合理，作为水库除险加固的坝体加高方案。同时要求设计方案在坝体土填筑时，要求其压实度≥0.97。

2.4 坝体防浪护坡设计

根据目前西泉水库无混凝土护坡，坝坡受风浪影响淘刷严重，本次设计沿上游坝坡设置混凝土防浪护坡。混凝土护坡的长度以设计水位时水面所到达的坝段位置确定。由于工程区位于准噶尔盆地南部北天山山前冲洪积细土平原上，库区出露地层岩性为第四系粉土、粉质土及中细砂。干砌石、浆砌石、抛石等材料匮乏，因此，护坡选用现浇混凝土。现浇混凝土护坡在新疆严寒地区应用较广泛，其防浪效果好、防渗效果强、施工工艺简单，尤其是抗冻性较强，适合北疆严寒地区。为了有效地确定混凝土护坡厚度，根据《碾压式土石坝设计规范》( SL274—2001) 中对护坡厚度的规定，对具有明缝的混凝土板护坡，当坝坡坡度系数m =2 ～5 时，板在浮力作用下稳定的面板厚度可按下式计算:

式中: η 为系数，整体式大块护面板取1.0; hp 为累积频率为5%的波高，为简化计算并从安全计，取最大值( 下同) hp =0.69m; b 为沿坝坡向板长，b =2.5m; ρc 为板的密度，ρc =2.3t/m3，ρω 为水的密度，ρω =1.0t/m3，Lm 为平均波长，经超高计算，Lm =1.30 m; m 为坡度系数，m =2.5。根据计算面板厚度t =3.12 cm。

另外根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》SL211—98 第4.1.1 和5.3.3 节规定，由于该水库位于严寒区，混凝土护面厚度≥0.2 m，混凝土护坡处在受冻严重但有检修条件的部位，其年冻融循环次数＜100 次，确定混凝土的抗冻等级为F200，参考同地区类似工程的经验，确定水库现浇混凝土板护坡厚度为15 cm。混凝土强度标号C20，抗冻标号为F200，抗渗标号为W6。现浇混凝土分块尺寸为长×宽=3.0 m ×2.7 m，坡度为1∶2.5，板块间分缝宽2.5 cm，错缝布置且采用浸沥青木板做为分缝和填缝。

2.5 大坝防渗设计

西泉水库1958年由土墩子农场自行建设，由于坝体碾压质量较差，坝体欠密实，坝体存在裂缝。根据工程地质勘察，坝体土干密度在1.50 ～1.58 g/cm3，在放水涵洞附近的1 +680 ～1 +850 段坝体填筑土中填筑有0.4 m厚粉细砂。由于以上诸因素的存在，造成坝体渗漏严重。从工程实践情况来看，可采取坝体内垂直防渗方案或者与防浪护坡结合做上游坝坡防渗处理方案。

通过设计分析比较发现，方案一、方案二均达到坝体防渗的效果，但从施工难易程度上看，在坝体内进行垂直防渗，施工技术含量较高，施工难度相对较大。同时，由于大坝填筑不密实，如果采用坝内防渗墙施工，坝体在施工过程中会遭到更多的震动破坏;而方案二在施工过程中则不会出现此问题，施工相对较易。而方案一工程投资较方案二大。在工程施工技术条件相差无几的情况下，设计结合现状土坝避免震动破坏的具体情况考虑，选定方案二作为推荐方案。为做好坝体的防渗，本方案结合坝坡的防浪护坡，在护坡混凝土板防冻层下设塑膜防渗材料。该方案的坝体防渗主要依靠防渗塑膜。防渗塑膜铺设总长度1 735 m，在现状主坝段防浪护坡段布设。塑膜由混凝土护坡脚至设计坝顶560.50 m。

3 加固后效果分析

西泉水库除险加固后，水库坝体存在的质量隐患得以消除，坝顶高程达到设计要求，水库达到复核计算库容。水库除险加固后的效益主要为灌溉效益、社会效益及环境效益。从国民经济评价可知，本工程多年平均情况下的经济效益费用比EBCR=1.12 ＞1.0( is =8%) ，且工程经济内部回收率EIRR=8.56 ＞8%( 社会折现率) ，经济净现值为18.77 万元( is =12%) ＞0。各项指标表明该工程在经济上是可行的。

4 结 语

文章通过结合西泉水库出现的坝后渗漏严重等病害情况，从坝体加高、培厚设计、坝体防浪护坡、大坝防渗等方面来提出相应的水库加固设计措施，同时对不同的设计方案进行对比分析，选取经济合理的设计方案方式，为同类工程提供参考借鉴。

［1］吴综泽. 浅谈病险水库除险加固的措施及必要性［J］. 城市建设理论研究，2007，28(10) :118－119.

［2］周俊，张衡. 浅析水库除险加固措施［J］. 科协论坛，2011，27(01) :31－33.

［3］叶天是. 水库除险加固设计应注意的几个问题［J］. 人民黄河，2012，32(11) :78－79.