胜利水库均质土坝安全复核及除险加固防渗处理

毛志华，邱宽红，向红利，李光建

（1.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324002；2.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100）

胜利水库均质土坝安全复核及除险加固防渗处理

毛志华1，邱宽红1，向红利1，李光建2

（1.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324002；2.西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100）

胜利水库大坝在高水位运行中，存在坝体渗漏、坝体坝基接触段渗漏、防洪标准偏低等问题，虽经多次加固，但由于缺乏全面计算分析，坝体和坝基仍渗漏严重。为消除水库安全隐患，根据坝体渗漏病险现状，结合坝体安全论证结果，优选增加防洪墙与套井回填粘土防渗相结合的除险加固方案。防渗加固处理后，经测试，12个抽样钻孔，其渗透系数均小于1.0×10-5cm/s指标要求，坝体密实度和结构强度得到有效增强。历经3年蓄水运行考验，坝体和坝肩等均未出现渗漏问题，大坝整体运行状况良好。

坝体渗漏；安全复核；渗透系数；套井回填粘土；胜利水库

1 工程概况

胜利水库位于衢州市衢江区贺邵溪村，水系属衢江支流下山溪，水库以灌溉为主，兼顾防洪、生态养殖等功能。灌溉面积300亩，养殖面积50亩。水库周边有大洲雨量站，水库坝址以上集水面积为0.2km2，河道长度0.61km，比降为18.6‰。水库正常蓄水位79.80m，正常库容26.0×104m3，总库容29.34×104m3。复核后大坝设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为 200年一遇。水库主要建筑物由大坝、溢洪道等组成，为小（2）型水库，工程等别为 V等，主要和次要建筑物级别均为5级。

2 大坝渗漏现状分析

胜利水库大坝为均质土坝，现状坝顶高程80.80～81.08m，最大坝高9.3m，坝顶长97.0m，宽3.4～4.1m不等。大坝迎水坡平均坡比1∶2.89，坝坡面不平整，杂草丛生。背水坡被上坝道路分为两级，上坝道路至坝脚坡比1∶2.12，至坝顶坡比1∶2.39，杂草丛生，坝脚未设排水和反滤设施，坝脚潮湿。

水库由于受当时社会经济条件限制，且属典型的“三边”工程，缺乏完善的地质勘探资料和科学的规划设计，工程建设质量较差［1］。经现场勘查分析，大坝枢纽存在以下多方面的问题：①坝坡面不平整，表面杂草丛生，坝脚未设排水和反滤设施，坝脚潮湿。②大坝坝体填土碾压填筑质量较差，坝体土渗透系数较大，存在严重坝体渗漏问题。③大坝坝体与坝基土、基岩接触带渗透系数不能满足规范要求，存在接触渗漏问题。④大坝白蚁危害严重。

工程填筑质量差、防洪标准低、未设排水反滤设施和滑坡坍塌破坏等安全隐患，将会对坝体和坝肩稳定性带来不利，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，需进行全面安全复核和选择合理防渗除险加固措施，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，运用简化毕肖普法结合理正边坡稳定计算软件，对胜利水库坝体稳定性进行全面安全复核。论证结果表明：①工程质量：坝体土碾压填筑质量和坝体土渗透系数不能满足规范技术指标要求，坝体渗漏问题严重。大坝坝体与坝基土、基岩接触段渗透系数不能满足规范要求，存在接触渗漏问题［2］。②防洪安全： 按设计 20年一遇、 校核200年一遇的洪水标准进行复核，现状大坝的防洪标准不满足规范要求。大坝防洪安全等级评定为“C”级。③渗流安全：从渗流计算结果可以看出，渗流出逸点较高，从现场检查情况看，坝脚未发生渗透破坏，因此大坝渗流基本稳定。但坝脚潮湿，且未按规范要求设置排水反滤设施。大坝渗流安全性等级评定为“B”级。④结构安全：各种运用条件下，胜利水库大坝坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范指标，坝坡稳定性较好。大坝结构安全评定为“B”级。

3.2 均质土坝除险加固设计

3.2.1 坝顶高程复核

胜利水库正常蓄水位79.80m，对应库容26.00 ×104m3。经调洪计算，水库设计洪水位（P=5%）为80.06m，对应库容28.23×104m3；水库校核洪水位（P=0.5%）为80.19m，对应库容29.34× 104m3。多年平均年最大风速W=15.7m/s，风区长度 D=310m。按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）推荐公式计算［3］，得坝顶高程复核成果，如表1所示。

表1 坝顶高程计算成果表

经计算：正常运用（20年一遇设计洪水位）工况，大坝安全超高为1.55m，计算所需坝顶高程为81.61m；非常运用（200年一遇校核洪水位）工况，大坝安全超高为 1.06m，计算所需坝顶高程为81.25m。现状坝顶高程为80.80～81.08，大坝防洪标准不满足规范要求。

3.2.2 坝体防渗加固设计

根据大坝安全认定结论，坝体碾压填筑质量和渗透系数均不满足规范要求，除险加固原则是通过对大坝进行防渗处理，截断坝体渗漏通道，确保大坝安全［4-5］。另外，坝体与坝基、 坝体与基岩接触带均存在接触渗漏和绕坝渗漏问题，需进行防渗处理。

（1）防渗处理方案选择

拟采用粘土斜墙和套井回填两种方案进行坝体防渗处理，即：①方案一：粘土斜墙方案。坝坡开挖至粘土设计填筑面后进行斜墙填筑施工，斜墙基础开挖要求进入基岩0.5m。②方案二：套井回填方案。在坝顶采用套井回填粘土法进行坝体防渗处理。套井孔径为 φ110cm，孔距0.75m，套井有效防渗厚度为0.8m。套井嵌入强风化基岩 0.5～1.0m，单排孔布置。

根据地质勘察资料，胜利水库坝体以下第四系覆盖层较厚，采用粘土斜墙方案开挖量大，对粘土需求量大，投资高，工期长。而采用套井回填方案工程量小、施工简单、施工技术成熟，设计采用套井防渗方案。

（2）大坝结构加高设计

坝体加高设计拟采用两种方案进行比较：①方案一：加高坝顶至计算高程。利用坝体土将坝顶加高至81.70m高程，坝顶加宽至4m，加固后坝顶与背水坡通过 1∶2坡比连接。②方案二：增加防浪墙。坝顶整平至80.80m高程，加宽至4m，坝顶靠迎水坡设置混凝土防浪墙，防浪墙顶高程81.70m，坝顶外侧设置干砌石边墙。

现状坝顶高程80.80～81.08，计算所需坝顶高程为81.61m。由于坝顶长97m，整体加高坝体填筑量大，而采用防浪墙方案填筑量小，工程量少，投资省。为减少大规模填筑，设计采用增加防浪墙的大坝结构加高方案。

加固后坝顶高程 80.80m，防浪墙顶高程81.70m，顶宽4m。采用套井回填粘土的方法进行大坝防渗处理，由于大坝坝基与基岩接触带存在绕坝渗流情况，因此套井须嵌入强风化基岩0.5m以上。套井为单排孔，孔径 φ110cm，孔距 0.75m，有效防渗厚度为0.8m。套井孔回填土料采用粘性土料，含水量控制在最优含水率附近为宜，压实度不小于0.96。坝顶采用沥青混凝土路面，路面靠近迎水侧设置 C25钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程81.70m，顶宽0.3m，底宽0.6m。坝顶背水侧设置50cm×50cm（宽×高）干砌石边墙，15cm厚C20混凝土压顶。路面向下游侧倾斜，坡度为2%。迎水面坝坡削填结合，调整为设计坡比1∶2.75，坝体填土表面铺设20cm厚砂砾石垫层，再在其上铺设12cm厚C25预制混凝土块护坡。预制块体为边长30cm的正六边形，预制块间用1∶3水泥干砂浆嵌缝，缝宽2cm。迎水坡坡脚设置 C20混凝土基座，顶宽0.8m，底宽1.0m，高1.0m，基座深入两岸山体不小于0.5m。坝顶沿迎水坡至基座新建坝体台阶，台阶宽3m，采用15cm厚C20混凝土现浇，单步步高15cm，步长41.3cm，两侧设置C20混凝土肋条，尺寸为30cm×35cm（宽×高），台阶基础铺设20cm厚砂砾石垫层。左右坝肩新建C20混凝土界墙，顶宽0.3m。背水坡被上坝道路分为两级，加固将上坝道路拓宽至4m，坝坡削填结合，调整为设计坡比1∶2。背水坡设置C20混凝土框格草皮护坡，草皮选用矮生百慕大草皮，满铺，草皮底部铺设30cm厚种植土。

3.3 大坝加固后结构安全复核

3.3.1 大坝加固后渗流计算分析

根据地质勘探资料，坝体填筑料为粘质粉土，坝基土为含砾粉质粘土，各材料的渗透特性指标，如表2所示。

表2 坝基和大坝土体各渗透系数指标 （单位：cm/s）

大坝渗流采用理正渗流分析软件按有限元法进行计算［6］。根据工程特点及 SL274-2001规定，选择2种运用条件，即：（1）正常运用条件：正常蓄水位、设计洪水位时稳定渗流期；（2）非常运用条件：校核洪水位时稳定渗流期。各种运用条件下流网图如图1-图3所示。

计算得坝体渗流分析成果，如表3所示。

表3 坝体渗流计算成果

从渗流计算结果可以看出，加固后大坝最大渗透比降出现在套井部位，为2.35，满足土料允许渗透比降要求，大坝加固后渗流稳定。

3.3.2 大坝加固后结构稳定计算分析

采用地质勘察报告中的土料参数建议值，其数值如表4所示。

表4 坝基和大坝各物理力学指标表

坝坡滑动按圆弧滑动进行滑动稳定分析，采用计及条块间作用力的简化毕肖普法，选取大坝最大断面进行坝坡抗滑稳定计算［7］。选择 2种运用条件，即：（1）正常运用条件：正常蓄水位和设计洪水位稳定渗流期；（2）非常运用条件：校核洪水位稳定渗流期和水库水位非常降落期。大坝抗滑稳定计算成果，如表5所示。

图1 正常蓄水位稳定渗流期流网图

图2 设计洪水位稳定渗流期流网图

图3 校核洪水位稳定渗流期流网图

表5 坝坡抗滑稳定计算成果

从表5可以看出，大坝整体稳定，正常运用条件下最小安全系数为1.554（发生在设计洪水位稳定渗流期），非常运用条件下最小安全系数为1.548（发生在校核洪水位稳定渗流期），均大于规范规定的正常运用条件K=1.25和非常运用条件K=1.15的技术指标，大坝抗滑稳定性较好。

3.4 白蚁防治

大坝白蚁危害严重，大坝加固工程中采取挖除蚁巢、隔离沟带和坝面消毒等人工和药物相结合的方法， 对白蚁进行综合防治［8］。

（1）挖除蚁巢：在大坝及大坝两端10m范围内清挖蚁巢，不管新生蚁巢和成年蚁巢及副巢，彻底清挖抓出蚁皇蚁后，巢内施药回填夯实，使用灭蚁灵粉使巢内残留的白蚁在一定时间内彻底死亡。

（2）隔离沟带：在大坝背水坡两端各挖一条隔离沟带（规格为40cm×40cm），同时在隔离沟带内投放药物回填完善，重点阻隔大坝外及周边地区的白蚁进入大坝吸水取食，使用药物是（灭蚁灵粉），此药物在土壤中具有较长的特效作用，以及水解和光解速度快，使白蚁无法进入大坝。

（3）坝面消毒：在大坝背水坡打孔灌药（规格为2m×2m，深度25～35cm），使整座大坝形成消灭白蚁的毒土网。坝面消毒使用药物为100%比中啉悬浮剂，此药物不易污染环境和水域。毒死大坝内无法挖出的白蚁蚁巢，防止今后白蚁在分飞季节飞落大坝，使白蚁无法在大坝建巢和生存，彻底消灭蚁害。

4 套井回填粘土防渗加固应用效果分析

（1）施工质量检测

施工中严格《土工试验规程》（SL237-1999）控制分层回填粘土厚度，回填后的套井其密实度严格按照96% ～98%设计密实度和不大于1.0×10-5cm/s的指标进行全程动态质量控制。每个套井抽检干密度的合格率均在92.5%以上，没有出现集中不合格样，且最小压实度达到设计压实度的99.5%。为检测套井回填粘土的防渗效果，防渗工程施工完成后，根据大坝整体布置共选择12个抽样钻孔进行注水试验，测结果表明：12个抽样钻孔的渗透系数最大为0.93×10-5cm/s，小于1.0× 10-5cm/s的指标要求，合格率为100%，防渗加固效果显著。

（2）运行效果

2013年9月，水库除险加固工程顺利完工并蓄水试运行。运行3年来，坝体未发现渗水。2014年4月中旬水库开始进入汛期，水库维持在正常蓄水位79.80m条件下运行达70d；2015年7月中旬，库水位达到80.09m，接近200年一遇校核洪水位80.19m，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，套井回填粘土坝体防渗效果良好。

5 结论

胜利水库大坝由于受建设资金和施工技术力量不足、施工质量监控不到位、清基不彻底、土质混杂、坝体填土压实不佳防渗性能差等因素的制约，加上40余年的运行，存在坝体渗漏、坝体与坝基土及基岩间接触渗漏、坝体浸润线偏高、坝体蚁害等问题，大坝坝体稳定性和结构强度等，均受到不断增强渗水压力的破坏。2012年，大坝被鉴定为“三类坝”，必须通过合理安全论证和加固后坝体结构和抗滑稳定复核，确保除险加固方案具有较高的安全可靠性，彻底根除大坝现存的安全隐患。

（1）现状坝顶高程80.80～81.08m，不能满足20年一遇设计洪水和 200年一遇校核洪水标准，需采取大坝加高处理。坝体与坝基土及基岩间接触段渗透系数不能满足规范要求，大坝存在坝体渗漏和接触渗漏等问题，需采取合理的防渗加固措施进行处理。大坝白蚁活动蔓延扩大，严重威胁到大坝的运行稳定。

（2）设计采用增加防浪墙的坝体加高方案，墙顶高程 81.70m，以满足大坝防洪标准。同时，优选施工技术成熟、施工便捷和投资效益高的套井回填粘土的防渗方案进行大坝防渗加固处理。

（3）坝体防渗加固后， 在 2种运用条件下，大坝最大渗透比降出现在套井部位为 2.35，满足土料允许渗透比降要求，大坝加固后渗流稳定。

（4）大坝在正常运用和非常运用条件下的抗滑稳定安全系数复核指标，均大于规范规定的［1.25］和［1.15］允许值，满足规范要求

（5）套井回填粘土经分层夯实后，坝体材料干密度增大、渗透系数降低，有效增强坝体密实度和坝体结构稳定性。检测结果表明：12个抽样钻孔，其渗透系数均小于1.0×10-5cm/s指标要求，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，加固后工程达到设计要求，大坝渗漏安全隐患得到彻底解决。

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TV698.2+3

B

1672-2469（2017）02-0137-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.041

2016-08-22

中央高校基本科研业务费专项资金（50020208）

毛志华（1985年—）， 男， 工程师。