实例探析大坝除险加固设计

杨 田

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳550002)

1 工程概况

邓家沟水库大坝为浆砌石拱坝，最大坝高28.5 m，总库容129万m3。根据《防洪标准》(GB50201—94)及《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)有关规定:水库为小(1)型水利工程，工程等别Ⅳ等，主要建筑物大坝、溢洪道为4 级建筑物，设计洪水标准采用30 a 一遇，校核洪水标准采用300 a一遇;次要建筑物为5 级，设计洪水标准采用20 a一遇，校核洪水标准采用100 a一遇;泄水建筑物消能防冲的设计洪水标准按20 a一遇设计，并应考虑低于设计洪水标准可能出现的不利情况，保证工程安全和正常运行。

2 方案比选

根据工程存在的主要问题及大坝安全鉴定结论，大坝抗洪能力、结构稳定安全、渗流安全均不满足规范要求，其中抗洪能力是因溢洪道宽度或高度不够;结构安全主要体现在左右坝肩重力墩抗滑稳定安全系数不满足规范要求，坝体及重力墩的应力复核是满足规范要求的;渗流安全主要是河床段坝体与基岩接触带存在着渗漏现象，右坝肩存在绕坝渗漏现象，右拱端与重力墩结合部位有一贯穿性裂缝，缝宽约2 mm，坝身局部有渗漏痕迹。对于已建坝来说，解决大坝泄洪安全问题是影响工程枢纽布置或结构改变的关键因素，重力墩的稳定问题只需进行加固处理，渗流安全主要进行补强、固结和帷幕灌浆处理［1］。根据工程实际情况，为了保证工程效益，水库正常蓄水位903.44 m不变，同时降低堰顶高程(903.44 m)考虑结构复杂的设闸方案也不现实，故在维持正常蓄水位及堰顶高程的情况下进行洪水调节计算，初步拟定以下两个方案进行比较。

1)方案一:坝顶高程不变，抬高交通桥增加溢洪道进口高度。根据调洪计算成果，水库校核洪水位905.77 m，设计洪水位905.14 m，正常蓄水位903.44 m，目前坝顶高程905.08 m，防浪墙顶高程906.18 m，因此根据现状，只需改造防浪墙，同时将溢洪道交通桥抬高即可。根据调洪计算成果，以及水库吹程D =1.0 km，按官厅水库经验公式，由风速计算超高进而确定防浪墙顶高程，校核、正常工况下计算的墙顶高程分别为906.44 m、904.46 m，选定非溢流坝段上游防浪墙顶高程由校核洪水位控制为906.44 m。为满足堰上最大净水头，坝顶交通桥底高程至少应为905.77 m，桥的底梁高0.6 m，从而满足泄洪要求的溢流段交通桥面高程为906.37 m，与计算的防浪墙顶高程仅相差0.07 m，因此将交通桥顶高程和防浪墙顶高程统一定为906.44 m。

2)方案二:加宽溢洪道方案。在该方案中首先考虑了保持现状坝顶高程不变，受坝顶交通桥的影响，堰上最大水头为1.34 m，经调洪反算，需溢流净宽达40 m，则加宽溢洪道净宽22 m。结合大坝坝型特点，考虑扩宽坝顶溢洪道，下游河床宽约20 m，如果再扩宽22 m，则洪水必然冲刷坝肩，同时拆除22 m老坝体，对原坝体结构改变较大，再在狭窄的砌石坝体上新建溢流堰及坝顶交通桥也极不经济，故纯加宽溢洪道方案也不可行，只有考虑适当加宽溢洪道并加高坝体的方案［2］。

方案一与方案二相比，方案二要拆除原坝体并新建溢流堰，拆除难度大，施工稍有不慎，就将破坏大坝结构完整性，而新老堰体的结合也较难处理，从施工、技术经济综合考虑，推荐方案一坝顶高程不变，抬高交通桥增加溢洪道进口高度的方案。

3 整治方案

整治方案具体设计为:先拆除现有坝顶上游防浪墙，再对现坝顶进行凿毛并清洗，然后新建C20 钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程906.44 m;拆除溢洪道交通桥，采用C15 一级配混凝土砌料石加高桥墩，再新建交通桥，下游进行消能防冲护坦及边坡处理;对于右坝段贯穿性裂缝采用开槽埋管法进行化学灌浆处理;两岸重力墩一起加高至防浪墙顶高程906.44 m，对右坝肩重力墩基础先进行固结灌浆然后再加高;坝基进行防渗帷幕灌浆，坝体段灌浆孔从下游垫座打斜孔，深入帷幕灌浆下限，两岸垂直打孔灌浆;坝体补强灌浆从坝下游面渗水点处采用反压灌浆方式，对右岸单薄山体进行固结灌浆，加强上部强风化岩体的强度及自身稳定［3］。

大坝防浪墙顶高程的确定、右坝段贯穿性裂缝处理、重力墩的加固措施和坝身补强灌浆如下:

3.1 防浪墙顶高程

根据选定推荐方案，按《砌石坝设计规范》(SL25—2006)，防浪墙顶高程计算类似坝顶高程计算，等于水库静水位加上相应超高，按下列两种情况计算，取其较大值:

1)正常畜水位+正常运用情况的安全超高

2)校核洪水位+非常运用情况的安全超高

墙顶超高计算公式:

式中:hb为波浪高，m;ν0为计算风速，m/s，正常畜水位时:ν0=15 m/s，校核洪水位时:ν0=10 m/s;D为计算吹程，m;D =1000 m;He为坝前水深，m，正常畜水位时:He=22.44 m，校核洪水位时:He=24.72 m;h0为波浪中心线至正常或校核洪水位的高差，m;Hc为安全超高，m，按SL25—2006 中表9.1.1规定，正常运用情况取0.4，非常运用情况取0.3。

墙顶高程计算成果见表1。由校核洪水位控制墙顶高程，根据计算，防浪墙顶高程定为906.44 m，下游设栏杆。建基面高程为876.58 m，最大坝高28.5 m(含垫层)。

表1 砌石拱坝防浪墙顶高程计算成果表 m

3.2 右坝段贯穿性裂缝处理

距大坝右坝肩拱端与重力墩结合部位约7.5 m处有一贯穿坝体上下游的裂缝，缝宽约0.2 cm，裂缝处坝基岩石为:奥陶系上统五峰组第二段(O3w2)灰色中厚层弱风化泥质灰岩，厚5 m，弱风化泥质灰岩承载力较高，据该水库管理所人员介绍，裂缝产生于水库建成后第二年冬季，当年冬季气温骤降，此后就发现了该裂缝，经现场仔细察看，裂缝未延伸入下部重力墩，裂缝附近坝体及重力墩亦无异常情况，因此裂缝由于地基变形引起的可能性小，推测该裂缝属温度裂缝。裂缝位置及宽度示意图见图1。

图1 右坝段贯穿性裂缝下游示意图

裂缝采用开槽埋管法进行化学灌浆处理，即在表面沿裂缝走向开燕尾槽，将槽清洗后，采用快速水泥封堵以阻止灌浆时浆液外漏。裂缝灌浆顺序应由下而上循序渐进逐嘴灌入，灌浆压力应视裂缝粗细而异，为0.15 ～0.2 MPa。灌浆前将浆液倒入灌浆罐后，盖上进料口并拧紧，检查各管路接头，打开贮气罐出气阀，借助压缩空气把浆液顶入输浆管，再通过嘴子压入缝隙内。待邻近的嘴子冒浆后，随即用塞子堵上，然后卡住输浆管并拔离嘴子，将此灌浆嘴用塞子堵上，把输浆管换插到原已冒浆的嘴子，放松输浆管继续灌浆，如此逐孔灌浆，直至整条裂缝灌满为止。

3.3 重力墩的进一步加固措施

经计算分析，左岸重力墩随防浪墙加高到906.44 m高程后仍达不到稳定要求，根据地形地质情况，采用将重力墩向坝轴线方向加长3 m，宽度为6.6 m，其中下游1.6 m宽作为下到坝后踏步的平台，加高墩体基础高程为900.58 m，基岩岩性较硬为O2b灰岩，开挖至弱风化上部岩体。对于右岸重力墩的加固措施，考虑了在墩体上打抗滑桩(方案一)和加高加厚墩体(方案二)两种方案。

1)对于方案一，墩体上抗滑桩孔口尺寸不宜过大，因此选择直径D =110 mm的圆形C25 钢筋混凝土抗滑桩，中心布置一根Ф28 钢筋，单桩长16.5 m，经过计算，右岸重力墩达到规范规定安全系数时，需布置100 根抗滑桩。在右岸重力墩上开孔较多，必然对重力墩结构产生较大影响，而且重力墩目前如果已发生位移，现在再打抗滑桩效果也不明显，同时抗滑桩投资相对较大，投资为58.7万。

2)对于方案二，右岸重力墩原上游898.28 ～899.92 m高程有一宽2.5 m的平台，下游898.5 m高程有一宽3 m的平台，将上下游平台加高至防浪墙顶高程，并与原踏步衔接，加宽后的重力墩顶宽12.85 m。新增重力墩材料采用C10 混凝土砌块石，新老墩体接触面须凿毛冲洗，侧面布置Φ25 插筋，间排距2 m，加强新老砌石体的结合。加高部分重力墩两岸延伸至基岩面，重力墩基础需进行固结灌浆处理。

方案一与方案二相比，从施工难度、对重力墩结构的影响以及效果来看，方案二都优于方案一，并且方案一比方案二投资还多20万，因此右岸重力墩的加固推荐方案二。

3.4 坝身补强灌浆

大坝局部有渗水，右坝肩有贯穿性裂缝，坝体强度有所降低，坝体需采用补强灌浆。坝体补强灌浆从坝下游面渗水点处采用反压灌浆方式处理。灌浆材料采用≥P. O42.5 的水泥，一般采用纯水泥浆，浆液浓度应根据现场试验确定，一般应由稀到浓，逐级变换，并严格按《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL62—94)要求执行。

4 结 语

综上所述，并从施工、技术经济综合考虑，推荐方案一坝顶高程不变，抬高交通桥增加溢洪道进口高度的方案。在大坝除险加固设计中，严格按照上述整治方案进行施工，保证大坝的安全与稳定。

［1］张全意. 赤水市蕨基坝水库除险加固设计特点［J］. 贵州水力发电，2003，17(02):46 －49.

［2］王小毛，徐麟祥，廖仁强. 三峡工程大坝设计［J］. 中国工程科学，2011(07):70 －77.

［3］叶成林. 高埔水库大坝除险加固设计［J］. 广东水利水电，2006(04):51 －52.