朴家沟水库大坝加固工程设计探析

杨秋菊

(营口市水利勘测建筑设计院，辽宁 营口 115000)

朴家沟水库大坝加固工程设计探析

杨秋菊

(营口市水利勘测建筑设计院，辽宁 营口 115000)

朴家沟水库为山丘区水库，加固后最大坝高26.20m，上下游最大水头差为25.44m，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)规定，朴家沟水库按山区丘陵区水库确定洪水标准，根据《辽宁省小(2)型水库除险加固工程初步设计报告编制规程》，对该大坝工程进行设计,满足水库正常运行需求。

大坝;防浪墙;护坡;渗流安全;设计

1 概 述

朴家沟水库位于辽宁营口陈屯镇朴家沟村，冷水河支流上，库区流域面积3.56km2，坝址以上河道长2.35km，河道平均比降为74.48‰。1976年竣工投入运行。原防洪标准为20a一遇洪水设计，300a一遇洪水校核，设计洪水位123.7m，相应库容34万m3，校核洪水位125.0m，相应库容39.4万m3，是一座以灌溉为主、兼有防洪、养殖等综合效益的小(2)型水库。

朴家沟水库坝型为黏土心墙坝，坝壳为砂砾石、块石，坝长126m，坝顶宽5.7-8.3 m，最大坝高26.0m，坝顶高程125.39-125.9m，迎水坡1∶2.3，背水坡为2级坡，分别为1∶1.5和1∶2.0。

河岸式溢洪道位于大坝左侧，净宽13-32m，渠底高程121.80-120.20m。

输水洞位于大坝右侧，型式为坝下埋管，洞身为铸铁管，洞径0.3m，长61.6m，进口高程116.59m，出口高程110.19 m。

2 大坝工程地质

2.1 坝体条件

为了揭示大坝各种土料指标，在迎水坡、坝上、背水坡分别布置3个坑探。经过野外钻探及室内土工试验得出：

迎水坡由黄褐色级配不良砂组成。表层0.3m为碎石，黄褐色级配不良砂的不均匀系数Cu平均值为11.61，水上休止角θ平均值为30度，水下休止角θ平均值为25°。

心墙为黄褐色低液限黏土，其上部1.0m为黄褐色松散状山皮土，(山皮土由砂土、碎石等组成)，黄褐色低液限黏土含铁质结核、铁锈和少量的砂粒，湿,硬塑-坚硬状态,中压缩性。不均匀系数平均值为35.17，垂直渗透系数Kv平均值为3.03E-06(cm/s)，渗透等级为微透水。

背水坡为黄褐色级配不良砾。黄褐色级配不良砾的不均匀系数Cu平均值为13.21，水上休止角θ平均值为32°，水下休止角θ平均值为27°。

2.2 坝基条件

大坝坝基座落于岩石基础上，揭开覆盖层2-12m可以见到新鲜岩石，以花岗岩为主。岩石裂隙少，质量较好，透水性小，运行30多年来，大坝坝基未出现渗漏现象。

2.3 坝肩条件

右侧坝肩与山相连接，左侧坝肩与溢洪道相连接，大坝运行多年，无接触渗漏情况。

3 大坝加固设计

3.1 大坝断面设计

由于现状坝顶高程为125.39-125.90m，本次设计为了满足心墙抗冻要求，坝顶加高至126.10m。防浪墙顶高程126.40m，心墙顶高程125.0m，坝顶宽度为4.0m。

本次设计大坝迎水坡为1∶2.3，背水坡为二级坡，坡比分别为1∶2.0、1∶2.25。

3.2 防浪墙设计

1)防浪墙断面设计：

防浪墙与心墙接触，防浪墙采用钢筋混凝土结构与心墙相结合。

2)防浪墙渗流稳定计算：

按照莱因公式进行计算：

(1)

加权渗径长度：

式中：∑Lv为垂直渗径长度，m；∑Lh为水平渗径长度，m。

渗径长度满足下式：

La≥KaH

(2)

式中：La为加权渗径长度，m；Ka为允许渗径系数，取2.0;H为作用在心墙顶最大水头，H=0.34m。

防浪墙渗流稳定计算成果见表1。

表1 防浪墙渗流稳定计算成果表 m

由表1计算成果得出，设计防浪墙加权渗径长度La=1.0>KaH=0.68，满足渗径要求。

3)防浪墙稳定计算：

防浪墙抗滑稳定按照下列公式计算：

(3)

式中：Kc为防浪墙沿基底面的抗滑稳定安全系；f为防浪墙基底面与地基之间的摩擦系数，取0.30；∑H为作用在防浪墙上全部平行于基底面的荷载，kN；∑G为作用在防浪墙上全部垂直于基底面的荷载，kN。

抗倾稳定按照下列公式计算：

(4)

式中：Kf为防浪墙抗倾稳定系数；∑MY为对防浪墙基底前趾的抗倾覆力矩，kN·m；∑M0为对防浪墙基底前趾的倾覆力矩，kN·m。

防浪墙稳定计算成果见表2。

表2 防浪墙稳定计算成果表

由以上计算可知：防浪墙稳定满足规范要求。

3.3 大坝护坡计算

大坝迎水坡护坡石由于风浪淘刷和风化作用部分已破碎，坝坡局部沉陷，块石松动、脱落，护坡石必须全面认真翻修，从迎水坡死水位108.00至坝顶进行护砌。

1)护坡厚度计算如下：

(5)

式中：D为石块的换算球形直径，m；Q为石块的质量，t；D50为石块的平均粒径，m；Q50为石块的平均质量，t；t为护坡厚度，m；Kt为随坡率变化的系数，按表A.2.1查得；ρk为块石密度，t/m3；ρω水的密度，t/m3；hp为累积频率为5%的波高，m。

护坡复核计算参数及成果见表3。

表3 护坡计算参数及成果表

根据以上计算，大坝护坡厚度取300mm。

设计迎水坡坡比为1∶2.3，翻修施工前应全面、彻底清除坝面、杂草和植根土层，清理后对原坝坡进行整平，底层铺设100mm厚的中粗砂垫层，上面铺设200mm厚的碎石垫层，面层为300mm干砌块石[1]。砌筑缝隙≤30mm。

迎水坡翻修范围为死水位108m至坝顶。

大坝背水坡坡比由原来的1∶1.5及1∶2.0变为1∶2.0和1∶2.25，改变坡比后，需对部分坝坡进行培土加厚。

在对背水坡培厚的基础上，新建上坝公路长270m，净宽3.5m，上坝公路外侧设180×250×990mm路缘石，路面采用砂石路面100mm厚，下铺水泥砂砾稳定层300mm厚。为了下游坝坡排水，下游坝坡沿着上坝公路靠近大坝一侧设排水沟，排水沟采用预制钢筋混凝土结构[2]。

3.4 渗流安全计算

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)，按照有限元法进行数值计算。稳定渗流工况：

1)正常高水位：上游水位121.80m，相应下游无水。

2)设计洪水位：上游水位124.54m，相应下游无水。

3)校核洪水位：上游水位125.34m，相应下游无水。

计算采用北京理正软件设计研究院有限公司的《理正渗流分析软件》，渗流计算成果见表4。

表4 渗流稳定分析成果表

根据表4结果，由于溢出点较高，下游无排水设施，所以进行排水体设计。

3.5 加固后大坝稳定计算

对加固后的大坝进行稳定计算。

土料指标：根据上、下游坝坡及勘察取样进行室内试验分析的试验结果。土料物理力学性质指标见表5。

表5 土料物理力学指标表

根据加固后大坝的结构断面及运行条件和水位参数，以及《碾压土石坝设计规范》(SL274-2001)中的相关规定，计算工况如下：

1)正常运用条件：①正常高水位稳定渗流期上、下游坡的稳定计算。②设计洪水位稳定渗流期上、下游坡的稳定计算。

2)非常运用条件Ⅰ：①校核洪水位稳定渗流期上、下游坡的稳定计算；②校核洪水位骤降至正常高水位情况上游坡的稳定计算。

3)非常运用条件Ⅱ：正常高水位+地震上、下游坡的稳定计算。

稳定计算方法根据规范《碾压土石坝设计规范》中的相关规定，采用瑞典圆弧法计算坝坡抗滑稳定安全系数。稳定计算采用坝高最大、坝坡最陡的实测断面[3]。

边坡稳定计算采用北京理正软件设计研究院有限公司的《理正边坡稳定分析软件》，稳定计算成果见表6。

表6 稳定计算成果表

根据表6计算结果得出：加固后大坝稳定计算安全系数均大于允许安全系数，满足规范要求。

3.6 下游贴坡排水设计

本次设计对大坝下游增设贴坡排水，根据《碾压土石坝设计规范》(SL274-2001)5.7.8贴坡排水体顶部高程应高于坝体浸润线出逸点，超过的高度 3级、4级和5级坝≥1.5m。本次设计贴坡排水顶高程为103.50m。由内至外分四层：粗砂100mm厚，碎石(1-3cm)200mm厚，碎石(6-10cm)300mm厚，20cm以上块石400mm厚。在坡后地面水平段长3m。

4 结 语

本次施工项目为大坝迎水坡进行翻修处理，背水坡进行削坡、培厚，坝顶宽度为4.0m，新建防浪墙，并对坝顶进行加高至126.10m。背水坡设排水沟。上坝公路270m，路面净宽3.5m。

1)迎水坡护坡块石翻修，采用人工拆除，拆除过程中，完整块石(利用率为30%)用于重新利用，拆除后人工整平坝坡，从下至上依次铺设中粗砂垫层、碎石垫层、块石。要求砌体块石之间咬扣紧密，错缝无通缝，不得叠砌和浮塞，块石表面应保持平整、美观。拆除不能利用的块石运至大坝坝脚，运距为0.5km。拆除后的垫层采用8t自卸汽车运至背水坡回填，平均运距为0.5km。

2)对大坝心墙顶至坝顶段土料进行开挖，主要使用1m3挖掘机挖土，74kw推土机整平装。黏土心墙裸露后，及时进行保护。对防浪墙混凝土基础进行现场浇筑，模板、钢筋在加工厂制作好后运至施工现场，人工安装模板、钢筋。防浪墙所需混凝土采用商品骨料，现场拌制混凝土，人工用胶轮小车入仓，人工振捣[4]。

防浪墙砌筑完毕后，原开挖的土料回填于坝顶，并加高坝顶至126.10m，如果回填砂砾料不足，采用外购。大坝回填砂砾料使用振动碾碾压，局部机械碾压不到的部位，采用蛙式夯实机夯实。

3)坝体背水坡先清除表层的草根、树根杂质等300mm厚。清除覆土后，采用采用8t自卸汽车运至大坝坝脚处，运距约0.5km。然后对背水坡进行砂砾料培厚。砂砾料回填前应根据砂料场的沙砾料做好碾压试验，确定合理的碾压参数。使用74kW推土机推运砂砾料，1m3挖掘机装8t自卸汽车运输上坝，74kW推土机铺料整平，振动碾压机碾压，填筑接缝必须成斜坡形。对于两岸坝头狭窄部位边隅地段的砂砾料回填，必须选取级配良好的砂砾料回填，用蛙式夯实机结合人工夯实、整形处理。清除表面松散、不密实的填料，并按设计坡面进行修整，使施工坡面平整、密实、美观。培厚的砂砾料利用垫层拆除的一部分，不满足要求的回填量采用外购。对上坝路进行重建，平整路面后，从底层至路面分别铺设水泥砂砾稳定层300mm厚和砂石路面100mm厚[5]。

4)排水体砌筑，砌筑前应先进行排水体护建部位的地面清基处理，块石场内运输采用胶轮车，排水体施工采取人工进行砌筑。

[1]钮新强.大坝安全与安全管理若干重大问题及其对策[J].人民长江，2011(12)：69-70.

[2]黄红女,周琼,华锡生.大坝安全监控理论与技术研究现状综述[J].大坝与安全，2005(02)：55-56.

[3]钮新强.大坝安全诊断与加固技术[J].水利学报，2007(S1)：99-100.

[4]张进平,黎利兵,卢正超,赵春.大坝安全监测决策支持系统的开发[J].中国水利水电科学研究院学报，2003(02)：12-13.

[5]张进平.大坝安全监测资料分析方法及信息处理技术的若干进展[J].大坝与安全，2003 (06)：51-52.

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1007-7596(2017)09-0194-03

文章编号：1007-7596(2017)09-0125-02

2017-08-28

杨秋菊(1984-)，女，辽宁营口人，工程师，从事水利工程设计工作。