建阳区南坑水库浆砌石拱坝除险加固设计

林 昱

(福建省南平市水利局，福建 南平 353100)

1 大坝除险加固设计概述

1.1 工程概况

南坑水库位于建阳区崇雒乡官田自然村，所在河流为后崇溪支流横源溪。工程于1981年3月动工，1982年4月建成。坝址以上集雨面积1.13km2，主河道长0.99km，坡降121.9‰。水库设计洪水标准为20年一遇，设计洪峰流量23.59m3/s，设计洪水位343.08m；水库校核洪水标准为200年一遇，校核洪峰流量33.20m3/s，校核洪水位343.26m。水库枢纽由大坝(含非溢流段和溢流段)及放水涵管组成。大坝为浆砌石圆拱坝，坝体为水泥砂浆砌毛块石，坝顶高程344.23m，未设防浪墙，最大坝高15.27m，坝顶中心线弧长65.00m，坝顶宽度0.80m；溢流坝设置在坝体中部，采用浆砌石结构，为矩形堰。堰顶分为三段，中段堰顶高程为342.15m，长9.40m；两边堰顶高程为342.75m，合计长11.20m，溢流坝总净长20.60m，溢流型式为开敞式坝顶自由溢流，坝脚为浆砌块石护底，未设消能工；放水涵管埋设于大坝右侧坝体内，为有压钢筋混凝土管，内径0.40m，进口底高程为331.45m，涵管末端采用DN400闸阀控制放水，最大放水量1.49m3/s。水库兴利库容20.64万m3，死库容0.50万m3，总库容25.08万m3。南坑水库是一座以灌溉为主，结合发电、防洪的小(2)型水库。

1.2 水文气象

南坑水库所在流域属中亚热带季风气候区，光热资源丰富，冬短夏长，气候宜人，静风多，温差大，雨季集中，年平均气温18.1℃，无霜期322天，年平均降雨量1742mm，年日照平均1802h，适宜动植物生殖繁衍，有“嘉禾之乡”美称。

1.3 工程地质

根据钻孔揭示，坝基岩土体分布及性能特征自上而下分述如下(见图1)：

a.坡积黏性土(Qdl)。褐黄色、灰褐色，可塑状，以黏粒、粉粒及砂粒为主，无摇震反应，干强度、韧性中等，坡积形成。

b.全风化凝灰熔岩(Kz2)。红褐色，原岩结构基本破坏，矿物成分以石英、长石为主，岩石为极软岩，岩体极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级，该层未见软弱夹层、洞穴、临空面等。

c.砂土状强风化凝灰熔岩(Kz2)。黄褐、红褐色，原岩组织结构大部分破坏，矿物成分以石英、长石为主，长石已大部分风化成土状，岩芯呈砂土状，手捏即散，遇水易软化崩解，岩体极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级，该层未见软弱夹层、洞穴、临空面等。

d.碎块状强风化凝灰熔岩(Kz2)。灰褐色，原岩组织结构大部分破坏，矿物成分以石英、长石为主，长石未完全风化，岩芯呈碎块状，锤击易碎，岩石风化强烈，块体已通体风化，矿物成分明显已风化，节理裂隙发育，该层未见软弱夹层、洞穴、临空面等。

e.中风化凝灰熔岩(Kz2)。灰黄色，凝灰结构，块状构造，岩石风化裂隙很发育，主要矿物为长石、石英，岩芯呈块状—短柱状，岩石质量指标RQD=30%～80%。完整程度为较破碎—较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ类，该层未见软弱夹层、洞穴、临空面等。

图1 水库工程地质断面

1.4 大坝加固的必要性

目前，南坑水库有效灌溉面积300亩，水库下游涉及一个村庄140人，电站装机2×50kW。为当地农业生产和保证人民生命财产安全发挥了重要的作用。水库自蓄水以来，虽然进行过简单的加固处理，但没有实质性效果，仍存在较多隐患，处于病险状况，无法正常运行。因此，南坑水库必须尽快进行加固处理，消除隐患，确保水库安全运行。

1.5 大坝存在的主要问题

《建阳区南坑水库大坝安全鉴定报告书》确定南坑水库工程存在的主要问题有：大坝为浆砌毛块石，现状坝体砂浆勾缝脱落严重，下游面部分段长满杂草；溢流坝段下游面多处有白色游离钙沉积物析出，总面积约100m2，堰顶未设工作桥，下游未设消能设施；坝顶宽度偏小，且坝顶上、下游侧均未设防护设施；放水涵管闸阀位于地面以下，锈蚀严重，已损坏，不能关闸蓄水，出口无阀门室；大坝未安装水工、水文监测设施，未设管理房；上坝道路坡度陡、路况极差、破损严重，车辆无法到达坝头。

2 大坝除险加固设计

2.1 坝基防渗加固设计

大坝河床坝基主要落于中风化凝灰熔岩上，根据现场压水试验成果，中风化凝灰熔岩透水率为2.76～3.94Lu，属弱透水性，因此，坝基渗漏问题较小。两岸坝肩坡积黏性土、全风化凝灰熔岩、砂土状强风化凝灰熔岩为中等透水层，导致两岸存在坝基渗漏隐患。

根据坝基渗漏问题，结合坝基地质情况，采用两岸坝肩下游面基岩帷幕灌浆结合残积土层高压旋喷桩防渗方案(见图2)。

a.大坝下游面沿着坝脚基础开挖至设计高程，并清理开挖断面。

b.采用C15埋石混凝土浇筑混凝土压浆盖板，盖板沿坝基底线成倾斜布置。结合下游坝面埋石混凝土加固培厚，预先浇筑一层C15埋石混凝土盖板，厚2.0m，作为帷幕灌浆压浆盖板用。

c.灌浆孔布置在压浆盖板上，沿着坝轴线方向布置一排灌浆孔，按二序加密施工，一序孔距6m，最终孔距3m，钻孔深入中风化层3m。

d.对两岸坝肩残积土层采用高压喷射混凝土防渗墙，孔距0.5m，成桩直径0.6m，搭接厚度0.35m。高压旋喷桩深入全风化0.5m，与灌浆帷幕结合形成一道封闭的防渗墙。

e.灌浆材料采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5。使用前必须对进场的水泥进行随机抽样检验，符合质量标准的才允许使用。

f.钻孔。帷幕灌浆孔位与设计孔位偏差值不得大于10cm，孔径不得小于46mm，孔底偏差不得大于25cm。钻孔结束后需进行冲洗，直至孔口返清水。

g.帷幕灌浆压力应根据工程和地质情况进行分析计算并结合工程类比拟定，必要时进行灌浆试验，并在施工过程中调整确定，本工程灌浆压力初步可采用0.3～0.5MPa，但是灌浆时不得抬动混凝土压浆盖板和坝基岩体。

h.帷幕灌浆检查孔的数量为灌浆孔总数的10%左右，检查孔压水试验应在灌浆结束14天后进行，检查孔各段透水率应小于5Lu。

图2 大坝防渗加固断面

2.2 大坝坝体加固设计

经计算，坝体最大拉应力大于允许值，最大压应力小于允许值；拱端对坝基的推力值大于坝基承载力特征值，拱坝应力不满足要求。高水位运行时左右挡水坝段下游面存在明显渗湿现象，溢流坝段下游面局部有白色游离钙沉积物析出，说明坝体砌筑质量较差，局部存在渗漏。

本次加固采用坝体背水面C15埋石混凝土培厚处理，同时解决坝体应力不满足要求及渗漏的问题(见图3和图4)。具体设计如下：

a.对下游原坝面进行凿毛，并用高压水枪冲洗干净。

b.背水面采用C15埋石混凝土培厚，与盖板接触时须对盖板凿毛并先浇筑一层混凝土，然后分层铺筑石块，培厚体下游坡比为1∶0.7，将原拱坝改造为重力式拱坝。

c.按3m分层浇筑，施工时按0.3～0.6m的浇捣层连续浇筑，上下浇筑块之间间歇3～7天。

图3 非溢流段加固断面

图4 溢流段加固断面

d.对施工的要求。完成坝基压浆盖板浇筑后进行混凝土防渗面板的浇筑。混凝土搅拌时间要达到要求，浇注振捣要全面充分，振捣至表面充分泛浆、混凝土不再下沉、不再冒大的气泡，就可以停止振捣。模板架立要稳固、严密，不允许出现胀模和爆模以及漏浆现象，拆模后不得有超出规范规定的蜂窝麻面和空洞以及露筋等现象。另外施工冷缝处理要按规范进行，即必须将连接面混凝土进行凿毛清洗后才能浇注新混凝土。

2.3 重力墩加固设计

为了明确拱坝的结构并且使坝体受力合理，对右岸重力墩进行加大加固处理，具体加固方案如下：

a.对重力墩上、下游面基础开挖，浇筑前需彻底清理和冲洗，打掉突出的尖角。

b.对重力墩上、下游面清除杂草、苔藓，用高压水枪冲洗干净。

d.对长2.4m的重力墩上、下游面采用C15混凝土加厚0.5m处理。浇筑前布置一层抗裂钢筋网，其规格为φ10@200，焊接在锚杆上，钢筋保护层厚度为35mm。

3 大坝除险加固后大坝应力和稳定性复核

3.1 加固后大坝应力复核

拱坝应力计算采用浙江大学的ADAO拱坝分析与优化软件程序进行。南坑水库大坝坝址地震烈度小于6度，大坝为圆筒形浆砌石拱坝，厚高比B/H=0.124，属薄拱坝。坝体采用浆砌毛块石，上下游坝面采用水泥砂浆勾缝。

3.1.1 特征水位

校核洪水位343.26m，设计洪水位343.08m，正常蓄水位342.15m。

3.1.2 物理力学指标

a.变形模量(根据岩性，自上而下)。全风化岩层0.5GPa，砂土状强风化岩层3.9GPa，碎块状强风化岩层5.0GPa，中风化岩层11GPa。泊松比0.25。

b.砌体参数。砌体容重2.25t/m3，弹性模量7GPa，线胀系数0.8×10-5/℃。

c.淤沙参数。淤沙高程331.45m，淤沙浮容重0.9t/m3，淤沙内摩擦角20°。

3.1.3 温度荷载

采用美国垦务局经验公式：Tm=±57.57/(T+2.44)。

3.1.4 多拱梁法应力控制指标

应力控制指标采用《砌石坝设计规范》(SL 25—2006)规定指标，80号毛石砌体允许的拉应力：拱坝周边为0.70MPa，其他部位为0.55MPa；压应力：基本组合为2.60MPa，特殊组合为3.00MPa。

拱坝坝体最大主拉应力为0.7MPa，发生在死水位温降工况，位于上游坝面高程342.15m左侧拱端处；最大主压应力为1.46MPa，发生在校核洪水位位温升工况，位于下游坝面高程342.15m右侧拱端处。从复核计算来看，坝体最大主拉应力和最大主压应力均没有超过允许值，拱端对坝基的推力值小于坝基承载力特征值。因此，加固后的南坑水库拱坝应力能满足规范要求(见表1)。

表1 各工况应力计算成果汇总 单位：MPa

3.2 加固后坝肩稳定性复核

采用单位高度的水平拱计算各个高程的坝肩基岩稳定性，确定各个高程必须的坝肩坚岩线范围。按照《水工设计手册·第五册 混凝土坝》式(22-5-3)计算，计算公式如下：

N=HAcosθ-VAsinθ,Q=HAsinθ+VAcosθ

计算结果见表2和表3。

在地形图上量取各层拱端下游岩体各滑裂面的实际坚岩线长度，与计算所需的坚岩线长度进行比较。大坝加固后，左、右岸各高程拱肩岩体计算所需坚岩线范围均在实际坚岩线范围内，理论上拱坝两岸拱肩整体是满足拱坝坝肩稳定性要求的。这是由于坝体培厚使得建基面各项力系能均匀分布到基岩上，改善了坝体受力分布和岩体的传力分布。

表2 左岸拱肩岩体抗滑稳定复核成果

表3 右岸拱肩岩体抗滑稳定复核成果

续表

3.3 加固后重力墩稳定复核

根据《砌石坝设计规范》，重力墩抗滑稳定分析采用纯摩公式计算，公式如下：

∑W=(Gy+Hy-U)

经计算，重力墩底部最大压应力为93.29kPa，最小压应力为0.09kPa，未出现拉应力，满足《砌石坝设计规范》关于重力墩墩底应力的要求；各工况下，抗滑稳定安全系数均能满足规范要求。

4 结 语

南坑水库大坝采用坝基帷幕灌浆结合坝体培厚的方案进行加固处理，经过大坝抗滑、稳定复核计算，大坝稳定安全系数满足规范要求，加固方案合理，2016年通过了水库除险加固工程的竣工验收。工程经过近几年运行，大坝未见明显渗漏现象，说明防渗效果较好，能够解决坝体和坝基渗漏问题。