刘口水库大坝加固设计与稳定性分析

胡建平

(夏邑县水利局,河南 夏邑 476400)

1 工程概况

刘口水库防洪作用非常重要，保护区有国家主要铁路干线陇海铁路、济广高速、105国道、商丘市区，保护人口70万人、耕地面积23 333.33 hm2。同时刘口水库向下游石庄灌区供水，设计灌溉面积733.33 hm2。但鉴于历史原因，水库没有按照基本建设程序进行勘测、设计和施工，施工质量较差，工程存在问题较多，一直带病运行。一旦因病险问题出现溃决，将会给保护区带来严重威胁。2009年5月经河南省水利厅核查，水库大坝为三类坝，属病险水库，急需进行除险加固，彻底解决水库的安全隐患。刘口水库初建时，防洪设计标准较低，设计洪水不足10年一遇标准，校核洪水不足20年一遇。刘口水库现状主要建筑物有大坝、溢洪道、分水闸和灌溉闸各1座。

2 大坝工程存在的问题

2.1 坝体存在的问题

刘口水库坝体存在几方面的问题：现状大坝为均质土坝，坝体填土主要为轻粉质壤土、局部为粉砂，设计干密度16.50 kN/m3。坝体实测资料：①坝体压实干密度<16.50 kN/m3的占试验总数的100%，不合格率达100%。②坝体渗透系数平均为2.08×10-4cm/s。③坝体无防渗体，下游坝脚处无反滤层。

2.2 坝基存在的问题

坝基存在的问题：刘口水库兴建于1958年大跃进年代，受当时生产力、技术条件等诸多因素的制约，大坝坝基处理没有正规的设计，也没有按国家规范进行施工；坝基为粉砂，渗透系数平均为8.06×10-3cm/s；大坝坝基未作任何防渗处理。

2.3 坝坡存在的问题

坝坡存在的问题：大坝上游为草皮护坡，受风浪淘刷，护坡塌陷，坝脚有部分冲坑，不能起到防冲、防渗作用；大坝下游为草皮护坡，无排水体，无纵横排水沟，破坏严重，抗冲性差，冲沟较多。

3 大坝渗流计算分析

3.1 计算方法和工况

渗流计算采用水力学法求解渗流场。

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001(以下简称《规范》)，坝体渗流计算工况为：兴利水位渗流计算；设计水位渗流计算；校核水位渗流计算；校核水位骤降到兴利水位渗流计算。

3.2 计算方法及结果

渗流计算采用有限元二维渗流方法，土层渗透系数按各向同性考虑。按不透水地基上，设贴坡排水，下游无水情况。坝体浸润线及单宽流量计算公式如下：

(1)

L1=L-m1h1

(2)

L2=εmH+tm

(3)

(4)

(5)

式(1)(2)(3)(4)(5)中：h1—浸润线在下游坡逸出点的高度(m)；L—下游坝脚至坐标轴Oy的距离(m)；H—坝前水头(m)；q—坝体单宽流量(m3/d/m)；K—坝体土壤的渗透系数(m/d)；L1—坐标原点到浸润线在下游坡逸出点的距离(m)；h2—浸润线在坝顶上游边线位置的纵坐标(m)；t—水面距坝顶的距离(m)；L2—纵坐标到坝顶上游边线的距离(m)；ε—经验系数，一般取0.35。

给出不同的X值(每隔1～5 m)求出不同的y值，绘出h1到h2之间的浸润线。下游坝坡逸出段渗流最大坡降按下式计算：

(6)

按照《规范》规定，允许渗透坡降为：

(7)

式(6)(7)中：Gs—坝体土的土粒相对密度，取2.68；n—坝体土的孔隙率，按照地质勘察报告提供的孔隙比e=0.646，计算的孔隙率n=e/(1+e)=0.39；K—安全系数，取1.50～2.00，此次取1.75。[J]=(2.68-1)×(1-0.39)/1.75=0.58。

通过计算，可得坝体浸润线逸出点、渗流量和坝体浸润线坡降见表1、表2。

表1 上下游坝坡分别为1∶4、1∶3时渗流稳定计算成果表

表2 上下游坝坡分别为1∶4.50、1∶3.50时渗流稳定计算成果表

4 大坝稳定复核

4.1 筑坝材料各项指标

刘口水库始建于大跃进年代，施工前未做全面规划和完整设计。由于当时施工技术力量薄弱，条件限制，施工质检资料基本没有。大坝稳定分析计算所需要的筑坝材料相关指标，主要根据地质勘探成果中各项指标分析选用，见表3。

表3 刘口水库大坝稳定计算主要参数表

4.2 大坝抗滑稳定计算条件

根据规范要求，分别对大坝正常工作条件及非常工作条件下的各种危险组合进行稳定计算分析。计算工况分以下几种：正常工作条件。①水库水位处于正常蓄水位(55.35 m)与下游相应水位之间的稳定渗流期。②水库水位处于设计水位(56.16 m)与下游相应水位之间的稳定渗流期。非常工作条件。①水库水位的非常降落(由校核洪水位56.95 m降落至正常蓄水位55.35 m)。②正常水位+地震。由于刘口水库位于Ⅵ度地震区，不再复核抗震稳定。

大坝抗滑稳定计算。刘口大坝抗滑稳定计算采用《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)中介绍的不计条块之间作用力的瑞典圆弧法。计算简图见图1。

图1 抗滑稳定计算图

稳定渗流期的安全因数，由下式确定：

(8)

式中：b—条块宽度；W1—在坝坡外水位以上的条块实重；W2—在坝坡外水位以下的条块实重；Z—坝坡外水位高出条块底面中点的距离；u—稳定渗流期或水库水位降落期坝体或地基中的孔隙压力；β—条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；γW—水的密度；C—有效强度指标，土体粘聚力；φ—有效强度指标，土体内摩擦角。

通过计算，两种坝坡抗滑稳定系数见表4、表5。

表4 大坝稳定计算成果表(上下游坝坡分别为1∶4、1∶3)

表5 大坝稳定计算成果表(上下游坝坡分别为1∶4.50、1∶3.50)

由计算结果表4和表5可见，当上下游坝坡分别为1∶4.50、1∶3.50时，大坝抗滑稳定系数在正常运用期及非常运用期均大于规范要求的抗滑安全系数；当上下游坝坡分别为1∶4、1∶3时，大坝抗滑稳定系数不满足规范要求。因此，大坝坝坡选用上游坝坡1∶4.50，下游坝坡1∶3.50。

5 大坝加固设计

5.1 坝顶工程设计

坝顶宽度的确定。大坝坝顶作为防洪抢险的主要通道，现状坝顶宽5 m。根据《碾压土石坝设计规范》，中、低坝坝顶宽5～10 m，坝顶宽满足要求。

现状大坝残缺不全，坝顶道路作为大坝防洪抢险的主要通道，现路面宽5 m，土质路面，现有坝顶路面高程不能满足设计要求，设计需覆土筑坝至坝顶高程56.95 m，并在上游坝肩增设防浪墙至墙顶高程57.60 m，墙厚0.20 m。加固后坝顶宽5 m，铺筑0.20 m厚的泥结碎石路面，路面宽3 m，路面横坡为2%，单面向下游排水。下游坝肩处布置路沿石，路沿石断面尺寸为0.15 m×0.50 m，单块长度0.80 m。

5.2 上游护坡工程设计

上游护坡工程设计采用现浇混凝土板护坡。

护坡厚度计算按下式计算:

(9)

式中：η—系数，整体式大块护坡板取1；hp—累积频率为1%的波高，m；Lm—平均波长，m；m—上游坝坡坡率；b—沿坝坡向板长，m；ρc—板的密度，ρc=2.40 t/m3；ρw—水的密度，ρw=1 t/m3。计算结果见表6。

表6 现浇混凝土护坡厚度计算表

根据以上计算结果，确定现浇混凝土护坡厚t=0.10 m。

现浇混凝土板护坡施工较为简单，质量易保证，工期短、维修管理较方便，优点与干砌混凝土块基本相同，工程造价低于干砌混凝土块和干砌块石造价。

5.3 大坝防渗设计

刘口水库大坝无防渗体，下游无反滤设施。本次除险加固需覆土筑坝，筑坝土料主要为轻粉质壤土，由土料重塑土物理力学实验成果知，坝体渗透系数平均值为6.93×10-5cm/s，坝体粘粒含量为4.40%～9.00%，平均值为6.70%，和规范要求粘粒含量10%～30%相比偏低。坝基为粉砂，属中等透水层，渗透系数平均值达8.06×10-3cm/s，不满足《规范》规定均质坝防渗土料渗透系数≤1.00×10-4cm/s的要求。因此需对大坝坝体及坝基进行垂直防渗处理，根据刘口水库大坝坝体及坝基的土质，大坝防渗采用聚氨酯防渗墙。

聚氨酯防渗墙是一种新型防渗材料。它的技术原理是根据堤坝防渗设计要求，在需要防渗加固的堤坝段内，利用静力压入设备，将特制成孔钻具压入堤坝中，形成连续的超薄型孔模。按照一定高聚物浆液配比，通过注浆管向孔模内注射双组份高聚物材料。高聚物材料发生化学反应后体积迅速膨胀，填充满孔模并固化，高聚物材料与孔模周围土体紧密胶结在一起，将相邻孔模交叉搭接或连续搭接，注浆后形成连续超薄高聚物防渗帷幕或防渗墙，从而达到提高堤坝防渗性能的目的。

5.4 下游坝坡工程设计

下游坝坡高程54.50～56.80 m采用草皮护坡，高程54.50 m至坝脚采用贴坡排水，贴坡排水优化方案选择干砌块石和干砌混凝土预制块两种类型，从经济和技术上进行比选后，最终确定下游坝体护坡材料的类型。

干砌混凝土预制块结构。干砌混凝土预制块0.12 m厚，下铺0.15 m厚碎石垫层和250 g/m2土工布。

经计算，大坝干砌混凝土预制块护坡每平方米工程量为：混凝土预制块0.12 m3，碎石垫层0.15 m3，土工布1 m2，投资为：126.35元。

干砌混凝土预制块方案施工简单，质量易保证，工期短、维修管理方便，但造价高于干砌块石护坡。

5.5 排水设施设计

现状大坝下游没有纵横向排水沟，雨水在下游形成面流，对坝坡的冲蚀较为严重。刘口大坝除险加固在坝脚设纵向排水沟一道；横向排水沟每间隔50 m设1道，大坝两端各设1道，高程自坝顶至坝脚，纵横排水沟连通。排水沟断面为0.20 m×0.50 m，采用现浇C20混凝土0.20 m厚。

6 结语

刘口大坝除险加固设计为彻底解决渗透问题，截断渗透通道，设置大坝防渗墙来解决大坝的防渗问题。防渗墙采用聚氨酯注浆方式，底部深入相对不透水层以下≥2 m。防渗墙顶高程55.55 m，底高程42.85 m，墙深12.70 m。