李金水库除险加固及其稳定性分析

张 亮

(绥中县水利技术推广站，辽宁 绥中 125205)



李金水库除险加固及其稳定性分析

张 亮

(绥中县水利技术推广站，辽宁 绥中 125205)

小型水库因其防洪、养殖、蓄水、供水等功能在农田水利中占有重要位置。通过有效的除险加固措施对病险水库进行治理，保证水库的安全运行和管理，实现水资源的科学发展对下游人民群众生命财产安全至关重要。通过现场勘查、理论计算等方法，提出绥中县李金水库除险加固措施，进行坝体渗流计算和稳定性验算，通过对计算结果进行分析，验证了除险加固措施的可行性，对类似小型水库除险加固工程具有借鉴作用。

水库；除险加固；渗流计算；稳定性分析

随着我国十八大对农业基础工程建设政策的提出，农田水利基础工程建设迎来大发展。小型水库作为农田水利基础工程的重要组成部分，因其防洪、蓄水、灌溉、养殖等优点，在农田水利中发挥着越来越重要的作用。但是由于常年失修，目前较多的小型水库工程处于病险状态[1-2]。因此，制定合理有效的水库除险加固措施，保证小型水库的正常运行和管理具有重要意义。本文通过对绥中县李金水库进行现状研究，提出大坝除险加固处理措施，通过理论计算分析加固大坝稳定性，对类似小型水库除险加固具有重要的指导和借鉴意义。

1 工程概况

李金水库于1974年建成并投入使用，现已投入使用40多年。该水库位于绥中县大王庙镇境内小黄村王宝河支流上，具有灌溉农田、养殖、供水、旅游、防洪等多重功能。各参数指标见表1。

表1 水库洪水调节水量

依据水利电力部颁发的(DL5180-2003)《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(山丘、丘陵区部分)规定，并结合上表数据进行分析，确定李金水库工程规模为小(1)型，判定李金水库工程等级为Ⅳ等，坝体建筑物级别为4级。

2 李金水库坝体加固设计

2.1 李金水库除险加固设计

针对李金水库现状、存在的问题及除险加固设计原则，制订以下除险加固设计：

1)对大坝上游出现的护坡问题可采用干砌石护坡方案进行工程防护，砌石材质坚硬，无风化剥落层或裂纹。坝顶采用泥结石修筑路面，加大局部防浪墙维修力度，墙身每隔15m布置一道设有止水的沉降缝。下游坝坡的工程问题可采用碎石护坡方案进行工程防护，并对大坝下游进行草皮种植。根据排水棱体损坏情况，着重对其修复，确保排水畅通。

2)溢洪道基础与挡墙进行处理，溢洪道进口做一钢筋混凝土截水墙，截水墙深入黏土1m，底板改造为钢筋混凝土结构，挡墙部分拆除重建，消力池拆除重建。

3)对输水洞更换进口螺杆启闭机和闸门、出口闸阀，对输水洞进水塔排架进行凿毛，砂浆抹面。对输水洞出口两侧挡墙及消力池进行拆除重建处理[3]。

2.2 迎水面护坡改造

本次除险加固设计，针对迎水坡问题，采用厚度为300mm干砌石进行护坡。当水库水位变动或者水库里的水产生波浪时，水库内的水会对坝壳造成冲刷破坏，在水冲刷作用下进一步造成护坡塌陷、护坡变形甚至会造成护坡滑塌。如图1 和图2所示。因此，本次除险加固设计需要对护坡采取粒径20-40mm碎石垫层进行加固，加固厚度为20cm。

图1 排水棱体破损

图2 迎水面护坡石破损

通过现场调研，发现近几年原上游坡面块石利用率较低，仅仅是在排水棱体维修及溢洪道下游护滩面进行抛石护滩中用到块石，利用率仅为30%。在本次除险加固设计中为了充分考虑到废弃块石量利用率，提高废弃块石利用量，以便进一步减少外运费用。现在采取废弃块石填充施工方案，将其剩余的干砌石石料(废弃块石)抛在水库死水位以下。抛石施工应在水库放水之后，以避免施工不当造成的工程事故。抛石施工完成后，要对水库进行水下勘察，记录抛石量以及抛石位置。

通过现场勘察，发现苇子沟大坝上游护坡破坏较严重，需要对大坝上游护坡迎水面护坡石更换，确保迎水面护坡石的完整性，更换起始位置在死水位13.8m。

2.3 坝顶改造

保持原坝顶宽度3.5m，将原浆砌石防浪墙拆除5处共100 m，用于护坡材料运输上料口，完工后恢复。在坝顶要增设厚度为0.38m，宽为3.5m的砂石路面，在坝顶砂石路面一侧增设路缘石，尺寸为35cm×15 cm×100cm。

2.4 下游护坡改造

本次除险加固设计决定采用碎石护坡。对下游的腐殖土进行清除，清除厚度约0.1m，并且及时回填碎石，回填厚度约0.1m。由于李金水库年久失效，下游坡脚排水棱体已失去功能，因此本次除险加固设计采用新的块石重建，以便恢复排水棱体的排水功能，最大发挥下游护坡的工程性能[4]。

3 坝体渗透性及稳定性分析

3.1 坝体土体物理力学参数

在2015年，辽宁省水利水电勘测设计研究院接受绥中县水务局的委托，针对李金水库大坝的质量进行了检测，主要检测内容为黏土心墙和坝壳砂砾料。表2为设计研究院对大坝土料检测结果。

表2 坝体土体物理力学参数

通过上表数据，并结合水库当前段勘察结果相对比分析，可以发现土坝整体质量、性能良好。土坝的剖面中心位置黏土心墙性能状态较好，没有较大损坏，地质勘察中土坝内部没有出现大范围的黏土的塑性状态发生改变区域，在改变区域中也没有出现突变性分层情况。当然小规模软塑黏土夹层也可能出现在土坝局部中，但这小范围的软塑黏土夹层不影响心墙的防渗效果，仍具有良好的防渗性。

李金水库坝基主要由绢云母片岩构成，土坝坝基心墙下方基岩会产生裂隙带，因此水库里的水可能通过裂隙带产生渗漏。当水库水位变动或者水库里的水产生波浪时，水库内的水会对坝壳造成冲刷破坏，在水冲刷作用下进一步造成护坡塌陷、护坡变形甚至会造成护坡滑塌[5]。

综合上述并结合坝体实际情况分析可知，造成李金水库上游坝坡塌陷并伴随着坝坡变形的主要原因：①上游坝坡护坡下部缺少反滤层；②水库内部水位变动，水库里的水冲蚀坝壳。此外，李金水库渗透还包括：①原设计的坝坡坡度大小；②坝壳填筑质量。

3.2 渗流稳定计算分析

本次除险加固设计，李金水库坝体挡水建筑物级别为4级，对李金水库洪峰流量和洪水总量统计分析，设计李金水库为10a一遇的设计洪水标准，20a一遇的校核洪水标准。坝体渗流及坝坡稳定计算断面选取最大坝高作为典型计算断面。地质报告中指出李金水库坝基岩体受到风化程度影响较严重，并且发现坝基岩体节理裂隙发育，坝基岩体局部节理密集。对此可以推断出李金水库顺河床可能会有节理密集带区域，致使坝基岩体的强度相对较低，坝体工程性能不达标，防洪效果差[6]。通过钻孔压水法进行试验，根据所得结果进行研究可以表明：李金水库坝基岩体透水性较弱，一般单位吸水率<10Lu，伴随着局部坝基岩体存在中等透水性条带，该地区的单位吸水率可达30-50Lu。

对正常蓄水位、设计洪水位以及校核洪水位不同工况情况进行分析，以便确定水库大坝稳定性。

渗流稳定分析：建立拉普拉斯方程并对其求解，该方程求解过程需要建立在(SL274—2001)《碾压式土石坝设计规范》规定的基础上，求解数值计算时要对李金水库土坝采用流体力学有限元法。见公式1。

(1)

式中：H为渗流平面域内水头；Kx、Ky为土体x、y向渗透系数。

通过理正岩土软件对土坝渗流指标进行分析计算，计算结果见表3所示。

表3 渗流稳定计算结果

通过对表3数据进行分析可知：各种工况下的每日渗出量分别为0.53m3/m·d、0.63m3/m·d和0.66m3/m·d，心墙渗透坡降分别为2.26、2.68和2.78，均处于允许渗透坡降范围内。数据表明坝体在各种工况下，坝体的坝坡均符合相关技术指标，满足渗流稳定要求。

因此，文中所提出的除险维修措施能够保证渗流条件下，水库大坝维持稳定。

3.3 坝体抗滑稳定性研究

依据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)规定，来确定坝体稳定计算方法，本次坝坡抗滑稳定安全系数可以采用简化毕肖普法来计算求的[7]。见公式2。

(2)

式中：c′、φ′为有效强度指标；b为条块宽度；γw为水的容重；z为坝坡外水位与条块底面中点的直线距离；u为水库坝体的孔隙水压力(稳定渗流期或水库水位降落期)；β为通过条块底面中心点的半径延伸线与此条块的重力线之间的夹角；W1为条块实重(位于坝坡外水位以上)；W2为条块浮重(在坝坡外水位以下)；

李金水库坝体边坡稳定计算通过采用理正岩土软件进行计算分析，表4是本次计算所得相关成果。

运用毕肖普法对李金水库坝体边坡稳定进行核算，通过计算可以得出水库在各种不同工况条件下，水库上、下游的设计水位、正常水位、校核水位，以及水库坝体在地震或者水位骤降条件下的稳定结果。通过相关技术规范查阅，水库上、下游水位均符合《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)所规定的水位值，因此，通过水库排险加固措施，李金水库抗滑稳定性良好，不存在安全隐患[8]。

表4 边坡稳定计算

4 结 语

本次通过水库坝体现状调研，总结出李金水库坝体土体的加固除险措施，通过渗流稳定性计算、抗滑稳定性计算对加固坝体进行计算验证，计算参数准确合理、除险加固措施合理有效。小型水库除险加固措施的提出，对于我国水利工程小型水库的加固修复具有重要的指导和借鉴意义。但是由于水库年久失修，在工程施工中除险加固措施未能完全实施，坝体仍有较大的加固空间。

[1]曹昌平.小型水库除险加固措施及土坝坝基帷幕灌浆的特点分析[J].水利科技与经济，2016，22(02):113-115.

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[4]王小平.白水县中小河流和小型水库防洪安全存在问题及治理对策[J].水利科技，2015(02):143-144.

[5]杨丽娜.浅谈水闸除险加固工程等别划分及洪水标准确定[J].水利规划与设计，2016(04):22-24.

[6]苏艳宇.瓦房店市小岭水库除险加固工程建设探究[J].黑龙江水利科技，2015(01)：127-129.

[7]任妍儒.瓦房店市东沟水库除险加固工程分析[J].水利规划与设计，2016(04):35-37.

[8]陈延生.苇子沟水库大坝除险加固设计[J].黑龙江水利科技，2014(12)：160-163.

1007-7596(2016)10-0036-03

2016-09-16

张亮(1982-)，男，辽宁绥中人，工程师，研究方向为水利工程设计、水土保持、水利工程施工和监理等。

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