小型水库大坝除险加固设计方案优化研究

王立彬 迟兴 刘红喜 佟敬鲁

摘要：土石坝普遍存在坝体断面尺寸不足、坝坡或坝体抗滑不稳定等问题。以石河流域王铁庄水库均质土坝为例，该大坝坝体断面尺寸不足导致大坝上、下游坝坡抗滑稳定不满足规范要求。针对此，结合大坝工程地质条件，对坝体加固方案进行了优化。结果表明：采取了上、下游坝坡加固措施后的坝体满足稳定性要求，坝体加固设计方案合理。研究成果可为同类病险水库加固提供参考。

关键词：土石坝; 除险加固; 病险水库; 王铁庄水库; 石河流域

中图法分类号：TV698.23文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.011

文章编号：1006 - 0081（2022）05 - 0063 - 04

0 引 言

水库对防汛减灾、供水保障和农业灌溉等至关重要，而中国现有水库大多数修建于20世纪50～70年代，虽然近年来已对近7.2万座病险水库进行除险加固，但仍有许多水库陆续进入病险行列。“十四五”期间水库除险加固和运行管护的总体要求是：坚持建管并重，加快推进水库除险加固，消除存量隐患，建立健全常态化管理机制，提升运行管护能力和水平，实现水库安全良性运行[1]，截至2025年底，对现有病险水库要全部完成除险加固，并对新出现的病险水库及时除险加固[2]。大量病险水库的存在，不但影响水库效益的发挥，而且还严重威胁下游人民生命财产及设施的安全，病险水库已日益成为防洪体系中最为薄弱的环节和防洪安全的最大隐患，因此迫切需要对病险水库进行除险加固[3]。病险水库大坝以土石坝为主，而均质土坝和心墙坝又是病险土石坝中的主要坝型[4]。土石坝普遍存在坝体断面尺寸不足、坝坡或坝体抗滑不稳定等问题[5-7]。土石坝坝坡的稳定加固方法主要有培土放缓坝坡和削坡放缓坝坡法，或加强坝体防渗和排水以增强坝坡抗滑能力[8-13]。本文以石河流域王铁庄水库的均质土坝为实例，开展病险水库加固措施研究。

1 水库概况

王铁庄水库位于河北省秦皇岛市海港区，属石河流域，是一座以防洪、灌溉为主的小（2）型水库，工程等级为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级，次要建筑物级别为5级。坝址以上控制流域面积1.2 km2，主河道长度1.7 km，河道比降52.5‰。水库总库容10.2万m3，兴利库容4.8万m3，死库容0.5万m3。水库设计洪水标准为20 a一遇，相应库水位为28.31 m;校核洪水标准为200 a一遇，相应库水位为29.95 m。该水库于1974年开始兴建，1975年建成蓄水。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、放水洞三大部分组成。大坝为均质土坝，坝顶高程为30.0 m，最大坝高12.0 m，坝顶宽4.0 m，坝顶轴线长80 m。溢洪道位于大坝左岸，为开敞式宽顶堰，堰顶高程27.0 m，堰顶宽度10.6 m，最大泄流量91 m3/s。放水洞位于大坝左岸，为涵管型式，涵管直径为 0.3 m，最大泄流量0.2 m3/s。大坝坝体土层主要为：填土（Q4ml）、低液限黏土（Q4ml）。坝基土层为：寒武系强风化白云质灰岩、寒武系中风化白云质灰岩。根据区域地质资料、钻探和物探结果可知：坝址一带无大的地质构造和塌滑体，无活动断层，区域地质构造相对稳定，对王铁庄水库坝体无危害性影响。

2 大坝存在的主要问题

王铁庄水库现状大坝为均质土坝，现状坝顶高程30.0 m，坝底高程18.0 m，坝高12.0 m，坝顶轴线长72 m，现状坝顶宽度2.5～3.5 m。上游坝坡坡比为1∶1.2，设有干砌石护坡（图1）;下游坝坡坡比为1∶1.2，也设有干砌石护坡（图2）。经过多年冲刷，坝体上、下游坝坡岩石均有不同程度的风化，干砌石多处松动、部分块石脱落，但基本完好，局部长有低矮灌木。坝顶无护砌，高低不平，杂草丛生。2017年8月，对王铁庄水库大坝进行安全鉴定，鉴定结果如下：大坝运行中，下游坝坡及坝脚无渗漏现象，大坝下游坝坡渗透稳定，坝体渗流安全性评定为A级;大坝现状抗洪能力不满足设计要求，防洪安全性评定为C级;大坝上、下游坝坡抗滑稳定条件不满足规范要求，大坝结构安全性评定为C级;大坝安全鉴定为三类坝。2017年12月，河北省大坝安全管理中心对安全鉴定成果进行了核查，同意三类坝的鉴定结论。因此，亟需对王铁庄水库大坝进行稳定复核与加固设计。

3 坝体加固方案分析

针对王铁庄水库现状大坝抗洪能力不足问题，可采取加高大坝、改扩建或增建泄水建筑物以及两者相结合的工程措施。根据水库实测地形图，坝顶右岸乡间道路与坝顶齐平，水库右岸有民房及羊圈等，所处地面标高为30.7 m及以上，若加高大坝将增加移民搬迁费用，不符合实际条件。水库现状溢洪道紧邻左岸大坝，在岩体中开挖而成，未衬砌。溢洪道左岸岩石坚硬、完整，扩挖难度大。若单一降低溢洪道堰頂标高加大泄流能力，将影响水库兴利库容及相关效益，同时对下游淹没影响也较大。综合考虑，在现状坝顶增设防浪墙。依据SL 189-2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》[14]，当坝顶上游侧设防浪墙时，坝顶超高可改为对防浪墙顶的要求，但在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5 m;在非常运用条件，坝顶应不低于静水位。经反复试算及调洪演算，确定当溢洪道堰顶标高降至26.5 m时，水库的校核洪水位为29.95 m，低于现状坝顶标高30.0 m，达到技术经济条件。此时，坝顶超高经计算为0.84 m，由此确定防浪墙顶标高为30.8 m，即防浪墙在坝顶以上部分高度为0.8 m。

针对王铁庄水库现状大坝上、下游坝坡抗滑稳定不满足规范要求问题，可采取培土放缓坝坡、削坡放缓坝坡的工程措施。现状坝顶宽度较小，无法满足削坡放缓坝坡要求，故只能采取培土放缓坝坡措施。上游坝坡培土放缓加固，一般采用黏土、壤土料，可增加坝体防渗效果，降低坝体浸润线及渗漏量;下游坝坡培土放缓加固，其下部培土应采用透水性好的材料，以降低下游坝体浸润线。下游坝坡培土放缓加固势必会向坝外扩充占地，增加征占费用。因此，在培土放缓坝坡加固时以现状坝顶外边缘线为准，在满足坝顶宽度的条件下，以向上游坝坡培土放缓为主，同时为满足下游坝坡抗滑稳定要求，在下游坝坡增设反压平台。

4 坝体加固方案设计

4.1 坝顶加固设计

在王铁庄水库大坝坝顶设置高0.8 m浆砌石防浪墙，顶宽0.5 m，基础埋深1.0 m。防浪墙采用M10F200水泥砂浆砌筑，外露面采用M12.5F200水泥砂浆抹面，每10 m设一道伸缩缝，缝内填充聚乙烯闭孔泡沫板。坝顶无护砌，高低不平，杂草丛生，在坝顶修建泥结碎石路面，路面高程30.0 m，路面宽度3.5 m，厚度20 cm，长72 m。泥结碎石路面上游侧为防浪墙，下游侧设路缘石，厚度15 cm，高度40 cm，顶面与坝顶路面齐平。坝顶路面采用单侧向下游排水，坡度为1.5%。

4.2 上游坝坡加固设计

王铁庄水库大坝上游坝坡采用壤土料培厚加固处理，培厚加固后坝顶宽4.0 m，外坡比为1∶2.0，外坡设0.1 m厚碎石垫层、0.3 m厚干砌石护坡。回填壤土要求塑性指数Ip为10～15，渗透系数不大于1×10-5  cm/s，壤土中大于5 mm的砾石粗料含量不超50%，黏粒含量为15%～25%。分层碾压，分层厚度为30 cm，压实度不小于96%。坝前淤泥土采用换土垫层法、预压砂井法、抛石挤淤法等措施进行处理，以提高施工区域淤泥地基土的抗剪强度与稳定性，降低土的渗透性，使地基沉降在施工允许范围之内。

4.3 下游坝坡加固设计

王铁庄水库大坝下游坝坡设置反压平台，经稳定试算分析，确定反压平台顶标高为24.0 m，顶宽为4.5 m。反压平台采用块石堆筑，外坡比为1∶2.0。坝脚设置浆砌石排水沟，在最低处设出口排除渗水，排水沟底宽0.5 m，深0.5 m。后经现场确认，坝下游可利用空间不足，因此在保证下游坝坡抗滑稳定的条件下，将放坡加固体材料改为浆砌石，顶标高不变，顶宽变为3.2 m，坡比变为1∶1.5，取消坝脚排水沟。加固体改为浆砌石后，为排出坝体及坝基的渗水，沿现状坝坡每隔 5 m设置一道直径300 mm的无砂混凝土管，沿现状坝脚设置一道碎石排水体，混凝土管及碎石排水体外包一层400 g/m2的土工布。

5 坝体加固后稳定分析

坝体加固后断面见图3。坝坡稳定计算采用刚体极限平衡法中的瑞典圆弧法进行分析。工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级，根据SL 189-2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》[14]要求，坝坡抗滑稳定最小安全系数在正常运用条件下应不小于 1.15，非常运用条件下应不小于 1.05。采用河海大学工程力学研究所开发的水工结构有限元分析系统软件中的稳定分析模块进行计算分析。坝坡稳定计算采用优选法找出最危险滑动面及最小安全系数。坝体主要土层物理力学指标依据王铁庄水库大坝地质勘察报告中建议数据选取，见表1。不同荷载组合工况条件下大坝上、下游坝坡抗滑稳定计算成果见表2和图4～7。

通过计算分析可知，水库大坝坝体加固后在各种运用工况下，大坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求，表明坝体加固设计方案合理。

6 结 语

王铁庄水库土石坝因坝体断面尺寸不足导致大坝上、下游坝坡抗滑稳定不满足规范要求，结合大坝工程地质条件，针对大坝坝体存在的主要问题，对坝体加固方案进行了优化设计。加固后坝体稳定分析结果表明：大坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求，坝体加固设计方案合理。

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[14] SL 189-2013  小型水利水電工程碾压式土石坝设计规范[S].

（编辑：江 文）

Optimization of danger remove and reinforcement design scheme for dam in Wangtiezhuang Reservoir， Shihe River Basin

WANG Libin1 ， CHI Xing2 ， LIU Hongxi1 ， TONG Jinglu1

（1. Shenkan Qinhuangdao General Engineering Design & Research Institute Corporation， MCC， Qinhuangdao 066004，China;

2. Water Affairs Bureau of Haigang District， Qinhuangdao 066000，China）

Abstract：There are some problems in the earth -rock dam in general， such as the insufficient dam cross-section size and the anti-sliding instability of dam slope or dam body. The dam of Wang Tiezhuang Reservoir in the Shihe River Basin is a homogeneous earth one，  the anti-sliding stability of upstream and downstream dam slopes did not meet the code requirements due to the insufficient dam cross-section size. Therefore，combining with the engineering geological conditions of the dam， the dam reinforcement scheme was optimized. The results showed that the dam body met the stability requirements after the reinforcement measures of upstream and downstream dam slopes were taken. The reinforcement design scheme was reasonable， which could provide technical guidance and reference for the study of similar reinforcement measures.

Key words： earth-rock dam; danger remove and reinforcement; dangerous reservoir ; Wangtiezhuang Reservoir;Shihe River Basin

收稿日期：2021-07-08

作者簡介：王立彬，男，高级工程师，主要从事水工结构设计方面的工作。E-mail：18003351983@163.com