某小型水库黏土斜墙坝除险加固设计

王 倩

(河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

1 工程概况

某水库总库容13.25×104m3，属小(Ⅱ)型水利水电工程，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级。根据实际测量资料，拦河坝坝型为黏土斜墙式，坝长273 m，现状坝顶高程50.0 m，顶宽约2.3 m，坝体上游为干砌石护坡，坝坡坡比1∶2.5，下游无护坡，坝坡坡比1∶2；坝体材料分区为黏土斜墙区、砂砾料区和壤土区；坝基坐落在全风化及强风化混合花岗岩上，裂隙发育，现场勘察该坝未见渗漏，但注水试验结果渗透系数为1.93×10-4～2.85×10-4cm/s，属中等透水，分析原因认为主要是坝基下岩石裂隙发育。原设计的洪水标准为30年一遇设计、300年一遇校核，经复核，现状坝顶高程不满足该标准；除险加固后设洪水标准取为20年一遇设计，校核洪水标准取为200年一遇，正常蓄水位为48.00 m，设计洪水位为48.63 m，校核洪水位为48.87 m，汛限水位为48.00 m，死水位为43.00 m。

2 黏土心墙坝存在的主要问题

根据现场查勘，上游大部分干砌石护坡存在脱落、损坏的情况，下游无护坡；根据复核计算，坝顶高程不满足防洪要求，下游坝坡抗滑稳定系数不满足规范要求。

2.1 坝顶高程不满足防洪要求

拦河坝坝顶高程不同运用情况下的计算结果见表1。

表1 不同运用情况下坝顶超高及坝顶高程计算成果表

由表1可知，设计洪水位情况时坝顶高程最大为50.076 m，设计坝顶高程取为50.1 m，本次实测坝顶高程约50.00 m，拦河坝坝顶高程不满足防洪要求[1]。

2.2 黏土心墙坝下游坝坡稳定不满足规范要求

2.2.1 基本资料

拦河坝为黏土斜墙式，坝顶高程为50.00 m，坝顶宽2.3 m，上游坝坡1∶2.5，下游坝坡1∶2，坝体下游坝脚棱体排水失效。拦河坝坝轴线为曲线，坝基条件较均一，现状坝顶高程变化不大，因此计算断面采用拦河坝下游坝坡最陡的断面为典型计算断面。该区地震动峰值加速度为0.15 g,相当于地震基本烈度Ⅶ度区，主要建筑物地震设计烈度为7度[2]。

2.2.2 坝体物理力学性质指标

针对拦河坝进行了地质勘探和试验工作，在坝顶处布勘探孔并取样，然后进行了坝体及坝基材料物理力学性质试验，计算采用的坝体及坝基材料物理力学性质指标见表2。

表2 坝体及坝基材料物理力学性质指标表

2.2.3 计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)[3]，拦河坝坝坡抗滑稳定计算工况见表3。

表3 拦河坝坝坡抗滑稳定计算工况表

2.2.4 计算结果

坝坡稳定计算采用圆弧法，按计条块间作用力的简化毕肖普法进行计算，计算采用河海大学水工结构有限元分析系统(Autobankv7.0)[4]。拦河坝上下游坝坡各种工况下的抗滑稳定计算成果见表4。

表4 拦河坝现状坝坡抗滑稳定计算成果表

由表4可知，拦河坝现状下游坝坡抗滑稳定安全系数在正常工作条件和非常工作条件下均不满足现行规范要求，需要对下游坝坡进行贴坡放缓处理。

3 黏土斜墙坝除险加固

针对拦河坝工程存在的主要问题，黏土斜墙坝加固项目包括黏土斜墙加高、坝顶改造、上游干砌石护坡翻修、下游坝坡贴坡放缓等。

由地质勘测成果可知，坝基座落在全风化混合花岗岩上，岩芯呈砂土状。渗透系数为1.93×10-4～2.85×10-4cm/s，属中等透水。全风化混合花岗岩为黏土斜墙坝基础，地质条件较好，故本次除险加固不再进行坝基防渗处理。

3.1 坝顶改造

3.1.1 黏土斜墙加高

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)[3]，土质防渗体顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高，对于斜墙，超高取值为0.80～0.60；非常运用条件下，防渗体顶部不应低于非常运用条件的静水位。现状斜墙高程为47.96 m，小于正常蓄水位48.0 m和设计洪水位48.63 m的超高及校核洪水位48.87 m，即在正常、非常运用条件下均不满足规范要求，需对其进行加高处理。本次加固设计采用的洪水标准为20年设计、200年校核，所需斜墙高程计算结果见表5。

表5 斜墙加高计算成果表

综合表5结果，最终确定斜墙从47.96 m加高至49.2 m。

对于斜墙加高的处理措施，本次进行了黏土接高斜墙和垂直铺塑两方案的比选。两方案施工工序均为开挖坝顶至原斜墙防渗体，回填坝体土至坝顶高程。采用土工膜接高斜墙方案，结合部位衔接较繁琐，容易形成渗漏通道，施工中土工膜也容易破损；而采用黏土接高斜墙，施工简单，土体间结合较好。根据以上分析，选用黏土接高斜墙方案。

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)[3]规定，黏土斜墙加高土料采用黏土，其渗透系数要求小于1×10-5cm/s，压实度不应小于96%。

3.1.2 坝顶路改建

改建后，坝顶高程50.1 m，坝顶宽3.0 m。路面上下游均设C25W4F200预制混凝土路缘石，尺寸50 cm×10 cm×30 cm(长×宽×高)，顶部与路面齐平。坝顶路面为厚20 cm的泥结碎石路面，宽2.0 m。

3.2 上游护坡翻修

根据坝体实测断面资料，拦河坝上游坝坡坡比为1∶2.5。抗滑稳定计算结果表明，各种工况下，上游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。但是现状上游干砌石护坡大部分脱落、损坏，本次除险加固对死水位43.0 m以上损坏部位按原结构局部翻修。首先，对上游干砌石护坡进行拆除；然后，进行坝坡清表；最后，对上游坝坡进行干砌石护坡，厚30 cm，其下铺设厚15 cm的砂砾石垫层。

3.3 下游坝坡整治

根据现场勘察，拦河坝下游无护坡；现状坝顶宽2.3 m，下游坝坡1∶2。经过对现状下游坝坡抗滑稳定复核发现，各种工况下的下游坝坡抗滑稳定安全系数均小于规范要求，故为保证下游坝坡安全，本次加固对拦河坝下游坝坡进行贴坡放缓处理。根据坝体实测断面，对下游坝坡采用壤土回填，压实度不应小于96%，达到坡比1∶2.3，下游坝坡回填范围为现状坡底高程41.9 m至坝顶高程50.1 m，沿坝轴线长度约171 m。下游贴坡壤土施工碾压后压实度不应小于96%。

对下游护坡方案进行单层干砌石护坡和草皮护坡两种方案比选。单层干砌石方案护坡厚30 cm，下设厚10 cm碎石垫层；草皮护坡方案采用在下游坝坡上种植本地植物爬地草或矮草。经计算，单层干砌石护坡方案直接工程投资27.1万元，草皮护坡方案3.4万元，两方案相比草皮护坡投资较省；同时考虑到该护坡方案施工简便，日常维护工作量小，而且可以美化环境，与周围景色能溶为一体，经综合分析，改建后下游坝坡表面采用草皮护坡方案。

3.4 加固后坝坡稳定计算

本次对拦河坝除险加固主要是对下游坝坡放缓回填，上游干砌石护坡整治，黏土斜墙加高，坝顶修建泥结碎石路面和路缘石。针对加固后的典型断面进行抗滑稳定计算。

拦河坝下游坝坡各种工况下的抗滑稳定计算成果见表6，加固后坝体标准断面图见图1，坝坡最危险滑弧见图2-图4。

表6 加固后拦河坝坝坡抗滑稳定计算成果表

图1 加固后黏土斜墙坝标准断面图

图2 加固后拦河坝设计水位下游坝坡最危险滑弧

图3 加固后拦河坝校核水位坝坡最危险滑弧

图4 加固后拦河坝正常蓄水位+7度地震下游坝坡最危险滑弧

由表6可知，拦河坝加固后，各种工况下游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

3.5 坝基水平渗流坡降复核

3.5.1 坝基水平渗流坡降复核

拦河坝为黏土斜墙坝，坝基水平渗流坡降按下式计算：

式中：ΔH为上下游水位差，m；l为坝基渗径长，m。

经计算，正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位情况下，坝基最大水平渗流坡降J分别为0.112、0.123和0.128，小于坝基允许水平渗流坡降[J]=0.25。

3.5.2 坝坡出逸坡降

渗流在拦河坝坡面逸出，下游坝坡不发生流土的条件：

式中：θ为坝坡坡角，θ=23°；φ为坝体土的内摩擦角，采用本次勘探试验结果；c为坝体土黏聚力，采用本次勘探试验结果c=1.7 t/m2。

4 结 语

本文根据实际工程的地质勘察成果及现场查勘、检查资料，结合计算分析，明确黏土斜墙坝实际存在的安全隐患，通过方案对比，采用Autobank软件进行复核计算分析，确定了黏土斜墙坝具体的除险加固方案，为类似坝型除险加固提供了参考与借鉴。