西海子水库大坝除险加固设计方案的研究分析

孜木耐提·尔肯

（乌苏市兴源水务有限公司，新疆 乌苏 833000）

1 水库基本情况概述

西海子水库枢纽工程位于乌苏市皇宫镇境内，水库距乌苏市20 km，距皇宫镇2 km。西海子水库总库容170×104m3，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2000）的规定，本工程等别为四等，主要建筑物为四级，次要建筑物为五级。大坝为均质土坝，全长450 m，最大坝高4.50 m，坝顶宽度5.00 m，坝顶高程359.70 m。上游坝坡1∶3，无衬砌护坡，下游坝坡1∶2.5。大坝迎水坡无衬砌护坡，风浪淘刷严重，0+000～0+100 段在浪蚀作用下，造成土体滑塌，使该段坝顶宽度减少到2.00 m。大坝背水坡植被稀少，坡面土体被雨水冲刷，使坝后坡在0+340～0+450 段产生一系列龟纹裂缝，最宽约10 cm～20 cm，深约20 cm～50 cm。坝体压实系数为0.84，压实度较差，且不均匀，大坝土体具中等- 高压缩性，坝体土渗透系数4.29×10-4cm/s～7.82×10-4cm/s，不符合均质坝土料压实后渗透系数指标＜1×10-4cm/s，大坝迎水坡无衬护，无非常溢洪道，且放水涵洞淤积严重，不利于大坝安全运行。

西海子水库竣工于1965 年4 月，坝型为均质土坝，由于当时技术、施工水平等因素限制，经过数十年的运行，大坝及放水涵洞已出现不同程度的损坏及老化，亟待除险加固。

2 大坝除险加固设计分析

2.1 坝顶高程设计研究

2.1.1 坝顶高程增加方案的比选

经超高计算，除险加固后坝顶高程应为360.90 m，比现坝顶高程359.7 m 高1.08 m，针对大坝坝顶高程不满足超高问题，对大坝进行方案比较。

（1）方案一：坝顶宽度不变，上游增设防浪墙

除险加固后坝体仍为碾压式均质土坝，总长450 m，坝顶宽度5 m，坝顶高程359.7 m，最大坝高4.5 m，上游坝坡1∶2.5，下游坝坡1∶2.0。上游护坡厚0.15 m，材料为C20F200W4 砼，护坡砼板为3.0 m×3.0 m，底部一排每块砼板设4 个排水孔，其余每排每块砼板设4 个排水孔，排水孔为φ100 钢管，排水孔设置范围为正常蓄水位至死水位，护坡底设0.3 m 砂砾石混合料垫层，垫层底部设复合土工膜（一布一膜300 g/0.5 mm）防渗，坡脚设置梯形C20F200W4 砼阻滑墙。坝顶为0.2 m 砂砾石路面，上游护坡与C20F200 钢筋砼防浪墙相连，坝顶下游埋设C20F200 砼的路沿石，路沿石高0.5 m，厚0.20 m，坝顶以上出露30 cm，埋设20 cm，下游坡脚设反滤、排水设施。本方案将原大坝上游进行清基处理，按设计要求进行垫层铺筑及护坡砼浇筑，并增设钢筋砼C20F200 防浪墙。

该方案总投资217.34 万元左右。该方案具有施工简单，不影响坝顶宽度，管理方便，投资较少等优势。

（2）方案二：坝顶宽度不变，增加坝顶高程

除险加固后坝体仍为碾压式均质土坝，总长450 m，坝顶宽度5 m，坝顶高程360.90 m，最大坝高5.58 m。其他同方案一。本方案将原坝顶路沿石拆除，按原大坝上游进行清基处理，坝轴线向下游平移2.7 m，上游进行护坡垫层铺筑及护坡砼浇筑，下游进行岸坡填筑，坝顶高程360.90 m，最大坝高5.58 m，保持坝顶宽仍为5.0 m。坝体土料主要以砂壤土为主，填筑土体干容重≥1.78 g/cm3。

该方案总投资237.38 万元左右。该方案施工后坝顶美观；不影响坝顶宽度；施工复杂，上下游都进行处理，与原坝的结合质量难以保证，投资较大。

2.1.2 方案最终选择的结果探讨

对以上两种方案从施工条件、运行管理、投资大小等角度比较分析，方案一施工简单，管理方便，投资较少，除险加固采用该方案即在上游增设钢筋砼防浪墙方案。该方案除险加固后坝顶高程为359.7 m，防浪墙顶高程360.90 m，在坝顶上游增设结构为“L”型C20F200 钢筋砼防浪墙，钢筋砼防浪墙高2.5 m（墙顶至基础），坝顶以上1.08 m，基础换填20 cm 砂粒料，防止冻胀和不均匀沉降。每隔8 m 设置一道伸缩缝。

2.2 水库大坝渗透稳定性分析计算

大坝为均质土坝，全长450 m，最大坝高4.50 m，坝顶宽度5.00 m，坝顶高程359.70 m。上游坝坡1∶3，无衬砌护坡，下游坝坡1∶2.5。大坝迎水坡无衬砌护坡，风浪淘刷严重，大坝背水坡植被稀少。水库大坝计算参数见表1 和表2。

采用北京理正软件设计研究所的《渗流分析软件》进行渗流计算[1]，经对各坝段的计算，西海子水库渗流结果见表3。

表1 0+100 断面土层参数

表2 0+400 断面土层参数

表3 流量计算表

2.3 水库结构稳定分析

水库大坝桩号0+100 断面在水位位于1/3 坝高遇地震上游坝坡工况时上游坝坡计算滑动安全系数为0.938，小于规范允许安全系数1.15，故坝体存在滑动失稳的危险，结构安全不满足规范要求。大坝桩号0+000～0+100 段在浪蚀作用下，土体塌滑使该段坝顶宽度减少到2.00 m；大坝背水坡坡面平整，植被稀少，坡面土体被雨水冲刷，桩号0+340～0+450 段产生一系列龟纹裂缝，最宽约10 cm～20 cm，深约20 cm～50 cm；水库库区存在塌岸问题，对库区两岸边坡陡直及右岸单薄岸坡在库水位陡涨、骤降时将会加速塌岸过程，使水库在高水位运行时易塌岸造成漫顶溃坝。近坝库岸不稳定，对大坝有不利影响，严重影响坝体安全运行。水库大坝桩号0+400 断面在正常蓄水位稳定渗流期遇地震下游坝坡工况时上游坝坡计算滑动安全系数为0.886，小于规范允许安全系数1.1，故坝体存在滑动失稳的危险，坝体抗滑不稳定。

3 结论

本文对西海子水库的增加坝顶高程设计方案的进行比选，并提出最优方案。除险加固后，水库的安全运行解决了水资源时空分布不均的矛盾，水资源利用率提高，保证了灌区耕地的用水要求，使现有水资源得到充分利用。