浅谈小型水库土石坝大坝除险加固设计

李丕清　王永德

【摘 要】结合红星水库病险水库工程大坝的缺陷和隐患，分析了小型水库土石坝除险加固的原则，加固设计的原理及方法，并提出了适宜该工程的除险加固设计方案。

【关键词】水库大坝；除险；加固

1.设计依据

南华县红星水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水涵洞等建筑物组成。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，枢纽工程为Ⅴ等，主要建筑物为5级，次要建筑物为5级。枢纽工程洪水标准采用20年一遇（P=5.0%）洪水设计，200年一遇（P=0.5%）洪水校核，消能防冲设施洪水标准按10年一遇（P=10%）设计。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），红星水库地区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.45s，相应地震基本烈度为Ⅶ度，按《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）规定，本工程地震设防烈度为Ⅶ度。

2.工程总体布置

现枢纽工程主要由大坝、溢洪道和输水涵洞组成。本次除险加固对大坝、输水涵洞等建筑物在原工程布置的基础上进行加固处理。溢洪道结构完好，由调洪计算可知红星水库保持原有调度方案（空库度汛），可满足200年一遇洪水标准，因此本次加固可不对溢洪道进行扩建。

经地勘查明，库区、坝址区无不良地质体存在、库岸稳定，针对地质勘探及安全鉴定揭露出来的工程病害，本着技术与实际相结合的原则及本次除险加固的资金情况，以大坝稳定和输水涵洞加固为主，并对现有输泄水建筑物进行加固、除险等工程处理，故本次除险加固推荐方案的工程项目为：

（1）将坝体加高0.4m，坝顶宽设为7m，在坝顶面两侧设置路肩石，路面采用泥结石路面厚30cm，下设10cm碎石垫层。大坝下游坝坡削缓，下游坝1993.54至1985.54高程放缓为1：2.0，1985.54至1972.71高程放缓为1：2.5。下游坝坡填筑前需进行清理，清理厚度0.2-0.5m。新老坝体间的结合部采用中细砂做过渡层后再进行风化料培厚碾压回填，压实度大于97%，新建棱体排水。

（2）结合已铺设的上游防浪石将上游护坡从1992.04铺设至坝顶。

（3）封堵原有输水涵洞，在水库右岸新建输水隧洞及竖井。

（4）更换溢洪道闸门及启闭设施。

（5）完善观测设施及管理设施。

3.大坝现状情况

3.1设计基本资料

3.1.1水文、水利

根据水文水利分析计算，红星水库总库容44.2万m3（本次复核值），调洪演算成果为设计洪水1991.32m，校核洪水位1993.11m，正常蓄水位1991.54m，汛前限制水位1978.2（死水位）。

3.1.2大坝坝体、坝基地质情况

大坝坝型为均质土坝，筑坝土料按就近取材的原则取料，成分为第四系残坡积层及砂泥岩的全—强风化物。据本次探坑资料，坝体土料主要为褐黄色、褐红色粉质粘土、含角砾粘土。

3.2大坝现状分析

根据地勘提供的坝址地质剖面和各层基础物理力学指标及水文分析计算成果进行渗流计算，坝体土料渗透系数采用室内实验成果，计算渗透流量时土层渗透系数采用大值平均值，计算水位降落时的浸润线采用小值平均值，设计采用的大坝渗流计算参数见表3-1。

表3-1 大坝渗流计算参数表

坝体材料各参数采用地勘提供的建议值，各种材料的力学指标采用情况见表3-2。

表3-2 坝体材料主要物理力学计算指标

根据地质资料，坝基全风化基岩J允基=0.6～0.7，不易产生渗透变形破坏。但是坝基为强、弱风化泥岩，透水率（q）属中等-弱透水层，存在一定的坝基渗漏问题。坝基虽不易产生渗透变形破坏，但是存在渗漏的可能。

根据《水利水电工程地质勘查规范》坝体土渗透变形判别，渗透变形类型为流土。流土型临界水力坡降计算公式为Jcr=（Gs-1）（1-n）=（1.85-1）（1-0.418）=0.495

式中：Jcr——土的临界水力坡降；

Gs——土颗粒密度与水的密度之比

n——土的孔隙率（%）

根据工程级别，取安全系数K（1.5-2.0），取1.5，故J允坝=0.495/1.5=0.33。

3.3大坝渗流稳定复核

3.3.1渗流稳定复核

渗透量按有限透水地基上的均质土坝分段计算。渗透变形破坏的发生，不仅取决于水力坡降，而且与土的不均匀系数，土粒粒径和级配、密度、渗透性能有关。红星水库大坝坝体（均质防渗体）土料为低液限粘土，土料颗粒大部分为细粒粘粒，其可能的渗透破坏形式为流土，根据《水利工程地质勘察规范》GB50287-99录M.0.3流土临界水力比降计算公式。据本次地质资料和现场勘察看，坝体可能的渗透破坏为流土，坝基接触面允许水力坡降与坝体区允许水力坡降取相同标准。

坝体土料物理力学指标成果分析计算临界水力比降，公式：

Jcr=（Gs-1）（1-N）

式中：Jcr—土的临界水力比降

Gs—土的比重

N—土的孔隙率（%）

坝土：Jcr= （1.85-1）（1-0.418） =0.495

坝基：Jcr=0.65 （参考本次地质资料）

根据工程级别，确定相应的安全系数为1.5，求出允许水力坡降J允，结合渗流计算水力坡降计算值J实，进行渗透稳定判别。渗透稳定分析见表3-3。

表3-3 渗流计算关键部位渗流要素统计表

注：校核洪水位、设计洪水位均漫坝

根据渗流计算结果，在正常水位下坝体及坝基（计算深度8m）每昼夜单宽渗漏量合计为3.23m3/d.m，大坝坝体、坝基每年渗漏总量为3.55万m3。占设计总库容44.2万m3的8.04%。

渗流计算有限元模型图

正常蓄水位流线与等压线图

正常蓄水位可能发生渗透破坏位置图：（与实测情况基本符合）

3.3.2坝体防渗方案

本次针对坝体浸润线过高和下游坝坡逸出点渗透坡降过大的问题，采取在下游坝坡增加排水棱体的措施就行加固。采用排水棱体可以起到滤土排水的作用有效避免高水位时可能产生流土型破坏。排水棱体可以起到稳定下游回填风化料的作用，同时下游回填风化料可以起到增加下游坝坡盖重的作用，二者起到相互支持的作用。

4.大坝坝坡抗滑稳定分析

4.1基本参数的确定

根据地质建议值，坝土、坝基土抗剪强度综合分析选定土料物理力学性质指标计算值见表3-4。

表3-4 坝体及坝基土的土料物理力学指标

4.2稳定计算

计算断面：据大坝目前现状，地质探坑的试验成果，并结合回填坝料的组成、施工碾压质量等，采用大坝坝体实测最大横断面作为坝体稳定计算的标准断面。

计算方法和计算软件：大坝稳定计算根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），原坝体上游坝坡稳定分析工况为稳定渗流期和库水位降落期的各种工况，下游坝坡稳定分析工况为稳定渗流期的各种工况。坝体稳定复核计算采用简化毕肖普法，地震作用力按《水工建筑物抗震设计规范》中规定进行计算，滑弧土体的地震荷载按拟静力法考虑，在土条上直接作用其地震惯性力只考虑顺河流方向的地震作用。边坡抗滑稳定分析计算采用采用中国水利水电科学研究院陈祖煜教授编制的《土石坝边坡稳定分析程序STAB2005》。按表3-2指标，各种工况稳定计算结果如表3-5。

表3-5 原坝坡抗滑稳定复核计算成果表

4.3大坝抗滑稳定评价

从表3-3各种工况上游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求，下游坝坡不能满足规范要求，因此，本次设计主要对下游坝坡进行进行加固处理，对上游坝坡进行局部维修处理。

4.4大坝加固除险设计

根据安全鉴定结论及本次复核结果，针对大坝现存主要病害，大坝除险加固设计如下：

4.4.1坝顶高程

红星水库坝顶高程经复核取为1993.94，在原有坝顶高1993.54的基础上加高0.4m，坝顶宽为7m。

4.4.2坝轴线

本次将对坝体下游面进行少量削坡，削坡后坝顶宽度变为7m，坝轴线向上游移动，移动后的坝轴线距离上游面3.5m，坝轴线长度不变为79.8m。

4.4.3坝顶宽度

因坝顶有交通要求，实测坝顶宽度为8.4m左右，由于下游坝坡要从坝顶部开始修整，坝顶宽度整修为7.0m，与现状道路宽度相当，坝顶采用泥结石路面（结构为碎石垫层10cm、泥结石路面30cm）。

4.4.4坝坡

上游坝坡按坡比1：2.5不做调整，从1992.04高程至坝顶段无砌石护坡，铺设前线进行坝面清理平整，然后依次铺10cm粗砂、10cm碎石及30cm块石。

下游坝坡进行放缓调整，从1993.54至1985.54段坝坡放缓为1：2.0，在1985.54处设置1.5m宽马道，从1985.54至1972.71段坝坡放缓为1：2.5，1972.71以下设置棱体排水。回填部分土料前，下游坝坡填筑前需进行清理，清理厚度0.2-0.5m，坝坡放缓填筑时新老坝体间用20cm作过渡层。

4.4.5棱体排水体

下游坝脚新建倒滤体，倒滤体顶高程1972.71m，底高程1968.71m，顶宽2m，内坡比1：1.0，外坡比1：1.5，倒滤体外脚设梯形排水沟。

4.4.6排水沟

本次加固在大坝下游坝体与岸坡交接处、马道内侧、棱体排水体底部设置排水沟，排水沟断面及建筑材料详见附图。

4.4.7大坝加固后坝坡稳定复核

①土料物理力学指标的拟定。

大坝加固培厚所用风化料来源于库区，根据地质工作的成果，地质建议采用的风化料物理力学指标为：最大干密度1.91g/cm3、最优含水量17.2%、比重2.79、渗透系数3.81×10-4cm/s、内摩擦角19.60、粘聚力39.2kpa。

②计算成果。

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274—2001的规定和大坝除险加固的设计断面以及上坝材料物理力学指标，进行加固断面的坝坡稳定分析，其成果均满足规范要求，详见表3-6。

表3-6 加固后大坝坝坡稳定分析成果表

从大坝抗滑稳定复核计算结果可知：经大坝除险加固工程处理措施后，大坝上、下游坝坡各种工况下的抗滑稳定安全系数均满足规范规定的数值。

5.结论

通过分析该工程的隐患所在，依据规范对大坝坝坡稳定、渗透稳定行了坝体尺寸的重新设计，并采用碾压试验等方法确定各项施工填筑参数，在迎水坡工程、背水坡工程、坝顶工程施工中严格按施工填筑参数控制压实质量、铺筑厚度、材质级配等各项指标。工程加固后至今运行良好，故实践证明其所采取的除险加固措施取得了较好效果，值得推广。 [科]