跋山水库土石坝除险加固方案研究

李元庆，宋增伟

(沂水县跋山水库管理处，山东 沂水 276400)

1 概 述

由于经济、技术水平发展较为落后，我国早期修建的大坝质量较低，在长期的使用过程中出现了不同程度的破坏。针对存在安全风险的大坝采取相关的加固措施是十分必要的。目前，我国已有较多的大坝采取了除险加固治理工程措施[1-3]。在我国，土石坝是一种极为常用的坝型，但施工控制不严格则易出现地震液化、坝坡稳定性不满足要求等风险[4-5]。

2 工程概况

跋山水库安全工程等别为Ⅱ等，主坝为壤土心墙砂壳坝，东西副坝为壤土砂壳分区坝。主坝控制桩号0+439～1+289，坝顶宽7.5 m，净宽7.0 m，坝顶高程185.65 m，防浪墙顶高程186.85 m。上游为干砌石护坡，174.00 m高程设宽度2.0 m的戗台，164.00 m以下设顶宽25.00 m的复式抛石压重体，坡比自上而下依次为1∶2.75、1∶3.0、1∶2.0。经复核，现状坝体不满足抗震液化和抗滑移稳定性要求。

3 除险加固方案

3.1 抗液化加固方案

3.1.1 加固方案比选

从液化产生的机理、初始应力条件及控制液化开展等因素考虑，坝体抗液化安全加固可采取改善土体密实度、压重增大土体上覆有效应力、放缓坡度以及围封限制液化开展等措施。1998年保安全加固时，对上下游坝脚进行了压重加固，使坝基液化区域已远离土坝坝脚，坝基液化对坝体产生危害的可能性较小。根据工程现状情况，仅对上游砂壳可能液化区域进行加固，主要论证压重与振冲结合及压重与翻压结合两个加固方案。

方案一 ：压重与振冲结合方案。砂壳下部易液化区域进行坝前压重，上部易液化区域振冲加固。该方案的主要优点是，水下压重水上振冲便于实施，可有效改善土体的初始应力状态及密实程度，提高抗液化能力。此方案的主要缺点是，振冲加固施工工作面大、周期长、造价高。加固方案见图1。

图1 压重与振冲结合方案

方案二：压重与翻压结合方案。砂壳下部易液化区域进行坝前压重，上部易液化区域采取翻压加固。该方案的主要优点是，压重改善下部土体有效附加应力，提高抗液化能力，翻压加固便于操作，易控制。该方案的主要缺点是，翻压加固工作面大，施工周期长。加固方案见图2。

图2 压重与翻压结合方案

经上述比选论证，在保证大坝坝坡安全、降低工程造价的前提下，坝体抗液化安全加固采取坝前压重与翻压结合的方案。

3.1.2 抗液化加固设计

大坝桩号0+440～1+290段，上游167.5 m高程以下堆石压重，平台顶宽15.0 m，坡度1∶1.5。坝前压重料可采用溢洪道出水渠开挖、溢洪闸拆除混凝土及防汛路扩挖石方，废料利用较少工程占地和环境影响。砂壳翻压长度范围同压重，底高程169.00 m，底宽15.0 m，施工临时边坡1∶1.7，砂壳翻压后相对密度应≥0.75。

上游砂壳翻压时，库水位应控制在167.0 m以下，以减少孔隙水对砂壳翻压的影响。施工期上游坡最危险滑弧安全系数为1.279，大于规范允许值1.25，满足施工要求。滑弧位置见图3。

图3 施工期上游坡最危险滑弧示意图

3.2 上游坝坡加固方案

3.2.1 加固方案的论证

针对现状上游坡石厚度偏小，风浪作用下有效重量小、易受风浪破坏的问题，可采取加大护坡石厚度、增加单位面积重量以及提高护坡整体性等措施保证上游护坡的运行安全。各加固方案论证见表1。

表1 大坝上游护坡加固方案论证

上述分析可见，大坝上游坡采用干砌石防护不具操作性，从大坝施工组织及统筹安排等方面重点比选方案二及方案三。

3.2.2 护坡厚度计算及方案确定

根据上游护坡设计型式，分别计算水库在不同运行条件下的干砌石、浆砌石、混凝土板厚度。干砌石厚度计算采用式(1)-式(3)；混凝土板厚度、浆砌石厚度计算采用式(4)。

(1)

Q=0.85Q50=0.525pkD3

(2)

(3)

(4)

式中：η为系数；hp为累积频率为1%的波高；b为沿坝坡方向板长；pc为板的密度；D、D50为石块换算的球径、平均球径；Q、Q50为石块质量、平均质量；t为护坡厚度；Kt为与坡率有关的系数；pk、pw为块石、水的密度。

1) 计算工况。分别计算正常运行条件下兴利水位178.00 m、设计洪水位179.95 m及多年平均最低水位171.00 m时的护坡厚度，非常运行条件下万年一遇校核洪水位184.34 m及5 000年一遇洪水位183.30 m时的护坡厚度。

2) 计算参数。波浪要素同坝顶超高计算；干砌块石容重27 kN/m3，浆砌石容重24 kN/m3，混凝土板容重25 kN/m3；选取纵向格梁间距作为沿坝坡向计算长度，格梁间距初拟为3.0 m；混凝土板沿坡向计算长度5.0 m，坝面坡度1∶2.75。

3) 计算分区。根据坝面位置及挡水高度的不同，分别计算主坝、东副坝、西副坝不同计算工况下不同护坡型式的厚度。

不同坝段各计算工况下干砌石、浆砌石、砼板护坡厚度计算结果见表2。

表2 大坝护坡厚度计算结果 /m

由上述计算可知，干砌石护坡最大厚度0.41 m，浆砌石护坡最大厚度0.25 m，混凝土板护坡最大厚度0.19 m；主坝处计算厚度最大，东西副坝厚度相近。安全鉴定时，检测上游护坡厚度分别为：主坝18～28 cm，副坝16～27 cm，坝顶附近厚度相对较大。

结合大坝现状护坡情况及计算结果，为充分利用现有建材并保证护坡的耐久性，宜采用混凝土格梁内嵌细石砼砌石方案。

3.3 下游坝坡加固方案

东西副坝下游坝脚以上3.0 m范围设贴坡排水。护坡石厚度控制在15～25 cm。贴坡与现状坝体之间设碎石反滤过渡层，0.5～4 cm碎石层厚200 mm。加固后，稳定性计算参数和计算结果见表3。由表3可知，大坝防渗加固和坝后压重后各计算断面坝坡抗滑安全系数满足规范要求。

表3 计算参数

大坝上游坡抗滑控制工况为兴利水位下遇8度地震，最小安全系数为1.284，主坝段为控制断面；大坝下游坡抗滑控制工况为设计水位下遇8度地震，最小安全系数为1.203，主坝段为控制断面。主坝地震工况为大坝坝坡稳定控制条件。见图4-图6。

图4 0+290断面最危险滑弧示意图

图5 0+890断面最危险滑弧示意图

图6 1+290断面最危险滑弧示意图

4 结 论

1) 通过方案比选，选取坝前压重与翻压结合方案，以保证坝体满足抗液化安全需要，具有投资低、加固效果好等优点。

2) 采用混凝土格梁内嵌细石砼砌石方案加固坝体上游坝坡，采用贴坡加固下游坝坡，可改善上游坝坡稳定性较低的现状。经数值模拟计算，加固后坝坡稳定性满足要求。