小竿岭水库埋石混凝土双曲拱坝安全复核及除险加固防渗处理

向红利，刘慧霞，谭剑波

（1.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324002；2.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100）

小竿岭水库埋石混凝土双曲拱坝安全复核及除险加固防渗处理

向红利1，刘慧霞1，谭剑波2

（1.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324002；2.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100）

小竿岭水库高水位运行中，存在防渗层未封闭、坝体渗漏、坝顶贯穿性裂缝、坝面拉应力超标等问题。为消除水库安全隐患，根据坝体渗漏病险现状和钻探分析资料，结合坝体安全复核成果，优选上游坝面涂赛柏斯防水层为主，辅以增补混凝土块和灌浆防渗的除险加固方案。补强防渗处理后，经测试，3个试验段透水率均能满足设计要求的5Lu指标，坝体密实度和砌石强度得到有效增强，历经3年蓄水运行考验，整体运行状况良好。

坝体渗漏；抗滑稳定性；赛柏斯防水层；透水率；小竿岭水库

1 工程概况

小竿岭水库位于江山市保安乡龙溪村，水系属钱塘江流域江山港广渡溪支流化龙溪。化龙溪河长16.8km，河道平均坡降 45.8‰，流域面积为37.5km2。水库位于化龙溪支流上游，水库坝址以上集水面积5.4km2，主流长度3.73km，河道比降154‰。小竿岭水库是一座以灌溉为主，结合发电、防洪等综合利用小（1）型水库，灌溉范围为廿八都镇及保安乡龙溪村部分农田，灌溉面积 5000亩。水库正常蓄水位581.00m，正常库容92.0万 m3。水库设计洪水标准50年一遇，校核洪水标准500年一遇。复核后设计洪水位582.23m（原设计洪水位 582.63m），校核洪水位 582.46m，总库容100.25万m3（原500年一遇校核水位582.94m，总库容为103万m3）。

2 大坝渗漏现状分析

小竿岭水库1975年开始筹建，1978年冬天开始正式大坝混凝土浇筑。原设计大坝坝型为埋石混凝土双曲拱坝，坝高70.9m，坝顶高程607.40m，总库容360万m3，溢流段堰顶高程604.0m，相应正常库容333万m3。工程在1983年由于资金等原因影响停建，停建时坝面高程560.0m，蓄水14万m3。1987年水库列入粮专项目续建，原则上浇筑至不移民为止，按正常水位581m进行溢流堰设计，为加快施工步伐，对高程568～583.5m间大坝厚度及坝体布置作适当调整，修改方案中从坝高568m高程开始收缩断面，收缩后保持大坝横断面下游面与已浇筑坝体光滑连接，收缩平台留在上游面。工程于1991年建成投入使用，建成后溢流堰顶高程581.0m，溢流段净长40m，非溢流段坝顶高程583.5m。正常蓄水位581.00m，正常库容92万m3，500年一遇校核洪水位582.94m，总库容103万m3。

水库由于受当时建设技术、资金和标准等因素的影响，加上历史条件的制约，不仅施工中停建后续建完成，同时属典型的“三边”工程，缺乏完善的地质勘探资料和科学的规划设计［1］。经查阅工程档案资料和现场勘探分析，大坝枢纽存在以下多方面的问题：①经复核计算，拱坝在各种工况作用下，坝体上下游面均出现拉应力超标现象。②大坝迎水面水位变动区域混凝土表面不平整，水平施工缝处理不到位，施工缝混凝土松散，层间结合差。大坝背水面有较多游离钙析出，554.0m高程以下坝面潮湿，有一定程度的渗漏，现场可见渗水点。坝体在560.0m高程附近存在较大漏水。③右坝肩混凝土与基岩结合部位透水率较大，坝上游568.0m高程上下层防渗面板未封闭，存在渗漏通道。④坝顶有贯穿性裂缝，经观测裂缝开展基本无变化，防浪墙和栏杆混凝土开裂、老化严重。

渗漏破坏对坝体和坝肩稳定性带来不利，将导致坝体和基岩发生移位，严重威胁到大坝的安全稳定运行［3］，需进行全面安全复核和选择合理除险加固措施，确保大坝运行具有较高的安全可靠性。

3 坝体安全复核结论及除险加固设计

3.1 坝体安全复核结论

为了准确掌握在不同荷载组合工况下，坝体的应力分布状况和整体稳定性，为大坝除险加固提供可靠的数据支撑，运用拱梁分载法对小竿岭水库拱坝坝体的结构应力和稳定性进行全面安全复核。结果表明：①洪水标准复核：大坝满足50年一遇设计和500年一遇校核的洪水标准，现状大坝防洪能力满足规范要求。②结构稳定分析：拱坝在各种工况作用下，坝体压应力均满足规范要求，但坝体上下游均存在少许拉应力超标。大坝拱座抗滑稳定安全系数满足规范要求。③渗流稳定分析：大坝坝型为单圆心埋石混凝土双曲拱坝，坝体防渗为上游混凝土防渗面板，坝体混凝土防渗面板厚度满足现行规范要求，但水平施工缝处理不到位，存在渗水现象。下游坝面白色游离钙析出较多，大部分从施工缝中析出，少部分从坝面出现裂缝处析出。高程554m以下坝面潮湿，可见渗水点。

3.2 除险加固设计参数及安全系数选择

根据《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003）的规定，采用拱梁分载法计算时，坝体容许压应力等于混凝土极限抗压强度（按90天抗压强度计算）除以安全系数。小竿岭水库基本荷载组合安全系数采用3.5，特殊荷载组合安全系数采用3.0［4］。大坝上游面采用150#混凝土防渗面板（按现行规范折算成90天龄期极限抗压强度为22.35MPa），下游面采用 150#埋石混凝土（90天龄期抗压强度为18.73MPa）。

根据《水工混凝土结构设计规范》与《混凝土拱坝设计规范》的相关要求，得容许压应力为：①基本荷载组合：大坝上游面容许压应力取6.38MPa；下游面容许压应力取5.35MPa。②特殊荷载组合：大坝上游面容许压应力取7.45MPa；下游面容许压应力取6.24MPa。坝体容许拉应力：基本荷载组合取1.2MPa；特殊荷载组合取1.5MPa［5］。

3.3 拱坝除险加固设计

小竿岭水库除险加固是对原水工建筑物进行加固，因此加固后工程总布置不变。加固后主要建筑物仍为拦河大坝、灌溉发电涵管、放空底涵、电站厂房。

3.3.1 坝顶高程复核

小竿岭水库正常蓄水位581.00m，溢流坝堰顶高程581.00m，根据库水位～流量关系曲线，经调洪计算，水库校核洪水位（P=0.2%）为582.94m，设计洪水位（P=2%）为582.63m。根据规范规定，坝顶高程应不低于校核洪水位［5］。经计算：正常运用（正常蓄水位）工况，大坝安全超高为1.22m，计算所需防浪墙顶高程为582.46m；非常运用（校500年一遇核洪水位）工况，大坝安全超高为0.75m，计算所需防浪墙顶高程为583.21m。现状坝顶高程为583.50m，防浪墙顶高程为583.80m，现状坝顶高程满足500年一遇校核洪水标准。

3.3.2 坝体防渗设计

根据大坝安全鉴定结论，坝体防渗为上游混凝土防渗面板，防渗面板厚度和混凝土标号满足现行规范要求，但水平施工缝处理不到位，存在渗水现象。下游坝面白色游离钙析出较多，高程554m以下坝面潮湿。由于大坝死水位以下淤积较严重，基础清理难度较大，施工难度较大。除险加固考虑对大坝坝体543.0m高程以上进行防渗处理，截断坝体渗漏通道，确保大坝安全。

拟采用两种方案进行坝体防渗处理，即：①方案一：凿孔灌浆。对坝体渗漏位置进行超细水泥灌浆防渗，即：对上游坝面进行清洗，找出裂缝所在位置，钻孔并埋设灌浆嘴进行灌浆，灌浆压力需严格按试验得出，不得过大，以免对坝体产生破坏，且不得过小，以免达不到防渗效果。②方案二：涂赛柏斯防水层。对上游坝面进行清洗，在上游坝体混凝土裂缝上下口开挖成“V”形槽，清洗干净后采用环氧砂浆对“V”形槽进行填补。裂缝处理结束后对整个上游坝面外侧涂一层赛柏斯防水层。两种方案比较情况，如表1所示。

表1可知，在上游坝面涂赛柏斯防水层不会影响大坝现有结构，施工简便，使用年限较长，30年以上；且工程区已有工程实例（浙江开化县齐溪水库），防渗加固效果较好。

采用上游坝面涂赛柏斯防水层防渗方案，即：①坝体防渗处理。对需处理坝面进行清洗，通过下游坝面游离钙析出点明确渗水位置，作出标记，重点观察这些位置的上游坝面情况。对缝宽大于等于2mm的贯穿裂缝/深层裂缝，先进行裂缝处理，然后对坝体表面进行塞柏斯（XYPEX）涂刷施工。对缝宽小于2mm的混凝土裂缝，直接对坝体表面进行塞柏斯（XYPEX）涂刷施工。②大坝上游568.0m高程两次浇筑混凝土防渗面板未封闭，此次除险加固在568.0m高程以上增补混凝土块。增补混凝土块厚度为0～2.5m，高1.0m，自拱冠至拱座部位收缩至原坝体，采用C20W6F50混凝土现浇，混凝土与原坝面接触面须凿毛处理。③右坝肩防渗处理。根据地质勘探阶段压水试验成果，右坝肩岩石受剪节理切割影响，浅表部岩石完整性较差，透水率达到37.22Lu，具中等透水性。因此，此次除险加固需对右坝肩坝体混凝土与基岩结合部位进行灌浆处理。灌浆孔为单排孔，布置在坝顶，孔径φ56mm，孔距2m，灌浆压力按水头的1.5～2.0倍考虑，灌浆孔伸入基岩相对不透水层（q≤5Lu）5m。

表1 坝体防渗方案对比成果

3.4 大坝加固后结构安全复核

3.4.1 坝体应力复核

大坝为单圆心埋石混凝土双曲拱坝，计算参数取自《江山市廿八都镇小岗岭水库大坝修改设计》，根据加固后坝体体型，计算得大坝体型参数成果，如表2所示。

表2 拱坝体型参数表

坝体应力计算采用浙江大学编制的《拱坝分析及优化系统ADAO》软件，采用11拱27梁网格全向调整法计算。根据工程特点及SL282-2003规定，选择4种荷载组合，即：（1）基本组合：①工况1（正常蓄水位581.00m+泥沙压力，自重及温降）；②工况2（发电死水位548.00m+泥沙压力，自重及温升）；③工况3（设计洪水位582.23m+泥沙压力，自重及温升）。（2）特殊组合： ④工况 4（校核洪水位582.46m+泥沙压力，自重及温升）。计算得坝体拉压应力分析成果，如表3所示。

表3 坝体加固后应力计算分析成果

应力计算数据分析成果表明：加固后坝体压应力较加固前稍有减小。加固前后最大拉应力均出现在发电死水位548.00m+温升工况（应力分布如图1～4所示），加固前最大拉应力为1.66MPa，加固后最大拉应力1.58MPa，较加固前有所减小，但仍超过坝体材料容许拉应力1.2MPa。参照类似工程经验，小竿岭水库坝体拉应力超标并不算大，分析认为大坝应力状态基本正常。建议在今后运行中，应尽量避免水库在低温高水位和高温低水位条件下运行，且注意对坝面裂缝的观测。

图1 基本组合工况2条件下上游坝面主拉应力分布（单位：MPa）

图2 基本组合工况2条件下上游坝面主压应力分布（单位：MPa）

图3 基本组合工况2条件下下游坝面主拉应力分布（单位：MPa）

图4 基本组合工况2条件下下游坝面主压应力分布（单位：MPa）

3.4.2 拱座抗滑稳定复核

采用刚体极限平衡法进行拱座抗滑稳定分析时，拱座抗滑稳定安全系数（按抗剪断公式）：正常情况K1≥3.0，非常情况K1≥2.5。根据初设时工程地质报告以及坝基开挖时的地质条件，计算大坝拱座抗滑稳定时采用的左右岸岩体地质参数为：f1=0.86，c1=0.9MPa；容重取25.3kN/m3。复核拱坝拱座抗滑稳定计算时考虑三种荷载组合，即：（1）基本组合：①工况 1拱端推力（正常蓄水位581.00m+温降）+可能滑移岩体的重量+渗透压力。②工况2拱端推力（设计洪水位582.23m+温升）+可能滑移岩体的重量+渗透压力。（2）特殊组合：③工况3拱端推力（校核洪水位582.46m+温升）+可能滑移岩体的重量+渗透压力。基坑开挖后两岸坝肩未发现明显的不利结构面组合，故采用平面分层核算其稳定性［6］，即切取单位拱高，假定拱端侧向滑移面为直立面并不计及假想滑移体上下滑面上的阻滑力进行核算。渗压计算采用坝趾处扬压力系数为0.3，坝踵处为全水头，假想滑动面下游坡的出露位置为零，坝踵至坝趾以及坝趾至滑出点的场压力按直线分布。采用浙江大学编制的《拱坝分析及优化系统 ADAO》软件，计算得到各高程拱座抗滑稳定安全系数，如表 4所示。

表4 拱座抗滑稳定安全系数

根据水库原施工资料，拱坝拱脚与等高线交角大约为30°～45°，拱脚山体厚度约为2～5m。结合拱座抗滑稳定计算成果，左、右岸拱座整体稳定，基本组合工况下最小安全系数为5.37（发生在右岸583.5m高程），特殊组合工况下最小安全系数为4.99（发生在右岸583.5m高程），均大于规范规定的基本组合K=3.0和特殊组合K=2.5的技术指标，拱座抗滑稳定性较好。

3.5 坝顶结构加固设计

对坝顶存在4条贯穿性裂缝进行处理，考虑到裂缝的宽度和深度都不大，且经多年观察无开展现象，仅对裂缝表面进行处理，即：对裂缝面进行清洗，裂缝两侧开挖成“V”形槽，清洗干净后采用环氧砂浆对“V”形槽进行填补。坝体上游防浪墙原采用混凝土浇筑，已运行二十多年，多处出现开裂，防浪墙顶部栏杆立柱之间仅通过一根钢筋连接，局部钢筋锈蚀脱落，存在较大安全隐患。按500年一遇校核标准计算所需防浪墙顶高程为583.21m，低于现状坝顶高程583.50m，因此考虑不另设计防浪墙。坝顶上游防浪墙及顶部栏杆、下游护栏混凝土多处开裂，影响正常使用，除险加固设计拆除原护栏，新建1.1m高花岗岩栏杆。栏杆纵向每隔2.5m设置一根立柱，断面尺寸0.3m×0.3m（长×宽），高1.5m。

4 坝体涂赛柏斯防水层防渗应用效果分析

（1）砌体透水率检测

渗漏处理结束后，为检测坝体涂赛柏斯防水层防渗效果，根据大坝整体布置共选择3个试验段，对坝体砌体透水率进行检测分析，检测结果表明：3个试验段透水率检测值为0.9～2.7Lu，均满足砌石拱坝透水率5Lu防渗限值，防水层补强防渗合格率达100%。其中，有2个连续试验段，其透水率检测值低于2.0Lu，达到优良防渗水平，防渗加固效果显著。

（2）运行效果

2013年3月，水库除险加固工程顺利竣工并蓄水运行。运行3年来，坝体渗漏水量一直为零。2014年4月中旬水库开始进入汛期，水库维持在正常蓄水位581.00m条件下运行达90d；2015年7月中旬，库水位达到 582.10m，接近 50年一遇设计洪水位582.23m，坝体、坝肩等均未出现渗漏问题，渗漏水量也为零，表明坝体渗漏问题得到有效处理，坝体涂赛柏斯防水层防渗效果良好。

5 结论

小竿岭水库大坝由于地形地质条件较复杂、间断施工、施工质量监控不到位、资金和技术力量限制等原因，加上20余年的运行，存在防渗层未封闭、坝体渗漏、坝顶贯穿性裂缝、上下游坝面拉应力超标等问题，大坝坝体稳定性、结构强度和砌石中充填材料胶结性能等，均受到不断增强渗水压力的破坏。为了确保水库渗水处理方案具有较高的科学性、匹配性和可实施性，有效提高大坝运行的安全可靠性，在除险加固设计阶段对水库大坝的坝顶高程、坝体防渗方案、加固后坝体结构应力及抗滑稳定性等进行了安全复核。

（1）现状坝顶高程583.50m，满足500年一遇校核洪水标准。大坝背水面有较多游离钙析出，554.0m高程以下坝面潮湿，有一定程度的渗漏。右坝肩混凝土与基岩结合部位透水率较大，坝上游568.0m高程上下层防渗面板未封闭，存在渗漏通道。

（2）坝体加固后，在4种荷载组合工况下，主压应力均未超过规范要求的6.38MPa（基本工况）和7.45MPa（特殊工况）的允许值；最大拉应力1.58MPa，虽超过坝体材料容许拉应力1.2MPa，但由于超标不算大，分析认为大坝应力状态基本正常，整体结构稳定性较好。

（3）左、右岸拱座抗滑稳定，其基本组合和特殊组合的安全系数复核指标，均大于规范规定的［3.0］和［2.5］允许值，满足规范要求

（4）优选防渗效果较好，施工简单， 对大坝不会产生新破坏的“上游坝面涂赛柏斯防水层”为主的补强防渗方案。通过赛柏斯结晶防水材料沿渗透水向内层反应发展，以堵塞细小的渗漏通道，有效增强坝体密实度和砌筑石材间的胶结强度。检测结果表明：3个试验段，补强灌浆防渗合格率100%，并历经多次高水位蓄水运行考验，渗漏水量为零，坝体渗漏问题得到有效处理。

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TV698.2+3

B

1672-2469（2017）02-0125-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.038

2016-08-12

杨凌职业技术学院科学研究基金项目（A2016003）

向红利（1984年—）， 男， 工程师。