三泉水库大坝除险加固方案比选分析

刘振江

（乌苏市水利局，新疆 乌苏 833000）

1 水库概况

三泉水库位于乌苏市头台乡境内，距乌苏市22 km，是一座以农业灌溉为主的平原注入式水库。三泉水库总库容101×104m3，下游控制灌溉面积0.9750×104亩，主要建筑物包括大坝、放水涵洞。三泉水库工程布置采用原枢纽布置，大坝坝型为均质土坝，坝轴线呈“П”型，其中坝桩号0-700～0-060 段（左副坝长640 m），坝轴线呈南北方向。坝桩号0-060～0+600 段（主坝段长660 m），坝轴线呈东西方向。坝桩号0+600～0+970段（右副坝长370 m），坝轴线呈南北方向。坝顶高程333.50 m～333.70 m，坝顶平均宽度5 m，最大坝高4.0 m，上游平均坝坡1∶2.5，下游平均坝坡1∶2.5。大坝填筑质量差，坝顶高低不平，大坝上游无护坡。

三泉水库自1986 年建成至今已运行数十年，水库位于多风区，坝顶高度不满足风浪爬高要求，影响水库正常运行；大坝土体渗透系数不符合规范要求，坝后坡脚存在渗透破坏；上游坝坡无护坡，由于风浪的淘蚀作用，坝前坡普遍存在冲蚀台坎，坝后缺少反滤、排水设施等问题，水库病险情况明显亟待除险加固。

2 坝址工程地质

2.1 坝体物理力学指标

坝体为人工填筑土，厚度1.2 m～3.5 m，主要为低液限粘土，其颗粒组成砂粒含量平均值19.95%，粉粒64.22%，粘粒15.82%；土黄色，稍干～湿，呈硬塑～可塑状态，根据6 个探井取10 个原状土样进行室内物理力学性质试验，所得物理力学指标平均值如下：其湿密度1.89 g/m3，干密度1.61 g/m3，含水量17.59%，孔隙比0.681，塑性指数11.15，击实后最大干密度1.77 g/m3～1.79 g/m3，最优含水量16.6%～17.2%，凝聚力30.0 kPa，摩擦角26.25°，渗透系数5.8×10-5cm/s，从以上指标可以看出，土体土层具属弱透水，具中等压缩性，经轻便动力触探锤击数N10=13～23 击，其承载力特征值fak=140 kPa，压缩模量8.7 MPa。

2.2 坝基工程地质条件

坝基土层岩性为低液限粘土（CL），局部有高液限粘土（CH），天然湿密度ρ=1.91 g/cm3，含水量ω=24.7%，干密度ρd=1.53 g/cm3，土粒比重GS=2.71，天然孔隙比e=0.78，饱和度Sr=86.0%，塑性指数Ip=14.6，液性指数Il=0.76，渗透系数K=6.17×10-5cm/s，压缩系数a1-2=0.59 MPa-1，粘聚力C=22.5 kPa，压缩模量Es=3.08 MPa，内摩擦角φ=26.38°。以上指标说明该土层地下水位以下处于饱和～软塑状态，具偏高压缩性，低渗透性。土层抗剪强度低，经标准贯入试验击数N=2～4 击，其承载力特征值为fk=80 kPa。

3 大坝除险加固方案

考虑到三泉水库大坝工程地质条件，大坝坝体加固提出坝后填筑和坝前填筑两个方案，并进行比较。

3.1 坝后填筑方案

经过对坝顶高程计算，除险加固后左副坝（桩号1-970～0-500）坝顶高程为334.52 m，主坝段和右副坝（桩号0-500～2+075）坝顶高程为335.38 m。主坝段坝顶高程比现状坝顶高1.68 m～1.88 m，大坝采用坝后填筑方案可以充分利用老坝体。大坝坝型采用原坝型，最大坝高5.92 m，大坝轮廓尺寸为坝顶高程335.38 m，坝顶宽5 m，上游坝坡1∶2.5，采用15 cm 厚C20F200 现浇砼板护坡。下游坝坡1∶2。

根据三泉水库大坝除险加固实际需要，坝后填筑方案又进行不设防浪墙方案和设防浪墙方案的比较。

3.1.1 不设防浪墙方案

主坝段坝轴线向后偏移4.35 m。左副坝（桩号1-970～0-500） 加高坝顶高程至334.32，主坝段和右副坝（桩号0-500～2+075）加高坝顶高程至335.18 m，并在坝顶上下游侧设高出坝顶20 cm 的路沿石。坝顶宽5 m。坝顶设20 cm 厚砂砾石路面上游坝坡1∶2.5，护坡采用15 cm 厚C20 F200 现浇砼板。砼板下铺设30 cm 厚砂砾石垫层。在坝脚设截水槽，截水槽断面为梯形，底宽1.0 m，边坡1∶1.5。下游坝坡1∶2，下游坝脚设贴坡排水，贴坡排水高0.8 m～2.0 m，厚1.0 m，贴坡排水回填粒径d=5 mm～40 mm 的砂砾石。

3.1.2 设防浪墙方案

主坝段坝轴线向后偏移1.80 m。左副坝（桩号1-970～0-500）加高坝顶高程至333.32，主坝段和右副坝（桩号0-500～2+075）加高坝顶高程至334.18 m，并在坝顶上游设防浪墙。防浪墙顶高程335.38 m，露出坝顶1.2 m。防浪墙高2.70 m，结构形式为“L”型，材料为C20、F200 钢筋砼。坝顶宽5 m，坝顶设20 cm 厚砂砾石路面，坝顶上下游侧设路沿石。上游坝坡1∶2.5，护坡采用15 cm 厚C20F200 现浇砼板。其他同3.1.1[1]。

通过工程投资、运用管理、施工条件等方面，进行不设防浪墙方案和设防浪墙方案的对比，见表1。

表1 不设防浪墙方案和设防浪墙方案的对比

由表1 可知，不设防浪墙方案的特点是运用管理方便，施工容易，投资较低。设防浪墙方案施工质量不容易保证，投资过高。因此推荐不设防浪墙方案作为设计方案。

3.2 坝前填筑方案

高坝段（坝桩号0-500～0+800）坝顶宽5 m，坝顶高程335.18 m。坝顶设20 cm 厚砂砾石路面，坝顶上下游侧设高出坝顶高程20 cm 的路沿石。大坝坝型采用原坝型，其他同3.1。

表2 坝前填筑方案与坝后填筑方案比较

通过表2 对坝前填筑方案与坝后填筑方案的综合分析，坝前填筑方案比坝后填筑方案投资较少，故本阶段采用坝前填筑方案。

4 加固后稳定分析

4.1 渗透稳定分析

坝基的临界水力坡降可采用下式计算：

其中：GS为土粒比重；e 为孔隙比；n 为孔隙率。

安全评价中对最大横断面0-060 断面进行渗透稳定判别，坝脚以上0.6 m 会发生渗透破坏，坝基下游3.50 m 范围内会发生渗透破坏，渗透不稳定。本次设计采用《理正渗流分析软件3.0 版》进行渗透稳定[2]分析，代表性断面为0-300 断面、0-075最大断面和0+600 断面。渗透比降计算结果见表3。可见大坝渗透稳定。

表3 渗透比降计算结果

4.2 大坝结构稳定分析

三泉水库大坝0+655 处有陡坎，大坝坝顶高低不平，坝前未设护坡。本次设计最大横断面（0-075）为计算断面主要是最大横断面处水头压力最大，最容易出现异常情况。稳定计算采用北京理正软件设计研究所的《边坡稳定设计软件3.0 版》进行计算。孔隙水压力作用考虑方法为有效应力法，圆弧稳定分析方法为简化毕肖普法，结果见图1。大坝土层物理力学指标及结构稳定计算成果见表4。

表4 土层物理力学指标

正常运用条件下，正常蓄水位（333.00 m）稳定渗流期上下游坝坡稳定计算，最小安全系数K上=4.173，K下=2.389＞[K允许]=1.25。

非常运用条件Ⅰ：施工期的上下游坝坡稳定计算最小安全系数，K上=3.347，K下=2.405＞[K允许]=1.15；水库水位骤降时的上游坝坡，水位由正常蓄水位333.00 m，骤降至死水位330.62 m，上游坝坡稳定计算最小安全系数K上=3.535＞[K允许]=1.15。

非常运用条件Ⅱ：正常运用遭遇地震（正常蓄水位333.00 m）上下游坝坡稳定计算，最小安全系数K上=3.459，K下=1.929＞[K允许]=1.10；水库水位在1/3 坝高时遭遇地震，水位在1/3 坝高，上游坝坡稳定计算最小安全系数K上=3.021＞[K允许]=1.10。

图1 大坝结构稳定分析

大坝在正常运用及非常运用条件下，上下游坝坡稳定计算的最小安全系数均满足现行规范要求，大坝结构稳定。

5 结论

三泉水库下游影响范围涉及头台乡一队、头台乡二队、头台乡六队等村队，三泉水库除险加固后大坝运行良好，基本满足了下游0.9725 万亩灌溉面积的用水要求，进一步提高当地农牧民生活水平，促进灌区的经济发展和社会发展。大坝除险加固前填筑质量差，坝顶高度不满足风浪爬高要求而影响水库正常运行，大坝土体渗透系数不符合规范要求，坝后坡脚存在渗透破坏等问题也得到了解决。