水库除险加固设计研究

◇临沂市兰山区刘庄水库管理中心 姚殿福

基于某水库工程，通过实地调研结合理论分析的方式，采用AutoBANK软件进行建模分析，对比了水库在加固前后的质量，并对水库渗流稳定进行分析，基于该水库存在的坝身压实度低、渗漏稳定以及抗滑稳定等问题，对相应的除险加固设计进行探讨，为工程方案的设计理论及实践奠定基础，也为后续类似工程提供参考。

1 引言

水库项目在防洪、供水、农业灌溉、民生和改善生态环境等多方面都有重要作用，能够有力推动社会经济发展。关于水库这类水工建筑物的安全性已有较多研究，国外主要从风险值概念入手分析水工建筑的安全性[1]，如D.E.Plate通过离散系统性能对水工结构设计方案进行研究[2]，国内主要通过安全系数K对水工建筑物的安全性进行评价[3]，如刘辉等人通过应变空间表征法探讨评价指标[4]。基于病险水库开展除险加固不仅能使其防洪保障能力提升，还能使其风险程度大幅下降，对病险水库进行研究，并提出相应除险加固方法有重大意义[5]。

2 工程概况

某小型水库主要用于灌溉，并兼具防洪等需要。该水库有1.03km2汇水面积，原有约19.82×104m3的总库容。水库工程等级为V级，主要的水工建筑物等级为5级。采用均质土建设大坝，约有200m长度，4m高度，坝顶约有4.5m宽。在迎水坡未设护坡，坝顶约有45m高程，迎水侧坡约有1:1.5的坡度比，背水侧坡约有1.25的坡度比。大坝西侧设置0.5m直径的两座并排圆管涵作为溢洪道，涵底板约有44m的高程。

当前，该水库放水涵共有两座，其中，东侧的圬工涵有42m的底部高程，0.5m×0.6m的尺寸。西侧为0.3m直径的混凝土简易圆管涵。两涵进水口未设置各项控制设施，出口未设置消能设施。当前，两座放水涵已经严重老化，涵身出现漏水。该水库建设以来，上游护坡有严重的土体塌陷，大坝坝脚的中部位置有渗漏现象存在，经调研发现，主要存在如下问题：坝身压实度低、坝身防渗性不足、坝身抗滑稳定不足。

针对以上分析，建议对大坝边坡进行加固，以解决坝身防渗性不足以及抗滑稳定等问题。

3 安全复核

图1 渗流复核计算断面

基于现场地质调研结果，对坝体及坝基防渗情况进行验算。为对渗漏情况进行复核，以0+160.7桩号典型剖面作为计算断面。

基于相关设计规范，以下表1所示组合作为工况进行计算。

表1 计算工况及相应水位组合表

通过AutoBANK软件分析水库坝体在除险加固前后质量，所建模型如图2所示。

图2 模型网格划分示意图

计算结果如表2所示。

表2 大坝渗流计算主要成果表

从计算结果可知，坝体和坝基的接触面在典型断面上有0.086的水平比降最大值，比粉质黏土的临界比降要小得多，即渗透稳定符合条件。在校核水位条件时，下游坝坡渗出段出现有约0.489的出逸比降最大值，比粉质粘土允许值小。因此，该位置在渗流方面较为安全。

图3 稳定渗流期大坝渗流计算示意图

4 加固方案

4.1 坝顶设计

该水库蓄水位在此次设计时的正常值为44m，洪水位经校核后为45m，坝顶现高程约为45.30m，经调查发现，该大坝填筑施工质量较差，为使其得到提升，确保坝顶交通要求能得到满足，复核坝顶高程可知其需满足：坝顶高程统一整平到46m，土体压实度应在0.95以上。当前，大坝坝顶有不同的宽度，有较多沉陷且不平，为确保坝顶交通能够符合要求，需统一将坝顶宽度加宽到4m，并铺设3.5m宽的泥结石路面；道路结构从上到下分别为：泥结石层100mm、砂砾层200mm，路面采用单向排水，有1.5%坡度。

4.2 防渗加固方案比选

该水库存在较差的填筑质量，部分部位渗水，部分坝身存在较高出逸点。基于所出现的问题，结合相关经验，比选如下两个方案：粘土斜墙方案及多头小直径防渗墙方案。

在粘土斜墙方案中，其防渗设施主要通过在坝体上游位置斜筑有着较低渗透系数的粘性土体[6]。本方案所用斜墙应具备1×10-5cm/s的渗透系数，且自上而下防渗材料应该逐层加厚，顶部应具备1.5m以上宽度。在该方案中，因为施工时为机械化施工，施工时较为简单，仅需投入较小的劳动力，且成型后较容易进行检修补强。但该种方案在较缓的上游坡中，需要较大的粘土和工程量，容易出现较差的抗震性以及不均匀沉降性，有较高的粘土参数要求。

图4 粘土斜墙方案

在多头小直径防渗墙方案中，是指结合单头和双头小直径深层搅拌技术的一种防渗技术，将水泥浆通过高压泥浆泵输送到钻杆中，并经埋设在叶片中的孔洞喷射到土体内，搅拌土体及水泥浆后形成一个连续墙体，以发挥防渗作用[7]。该种方案适宜在粘土、砂土以及淤泥等土层环境中使用，适宜的处理深度在18m以下。但该种方案有较高的土层地质条件要求，施工过程容易遇到各项障碍物，相比之下较难施工，成墙效果所受影响也较大。

图5 多头小直径防渗墙方案

出于对该水库具体情况的考量，结合上述方案的优缺点，认为通过粘土斜墙方案进行加固有更好的防渗效果，施工较为简便，且投入较小，加固后能有效避免大坝出现渗漏。因此决定采用粘土斜墙的方式进行加固。

通过粘土斜墙对大坝迎水测进行加固。粘土斜墙设计有2m的顶部宽度，暂定以1.5m作为截渗槽的开挖深度。斜墙顶部高程决定以0.5m加设计水位，即45.30m进行设计。

4.3 坝坡设计

当前大坝迎水坡缺少护坡砌筑，存在较大的浪坎和塌坡情况，对大坝安全而言较为不利。

（1）上游坝坡加固。当前坝坡护坡砌筑主要包括干砌块石、格埂混凝土块以及现浇混凝土三种护坡方式。[8]因格埂混凝土块护坡的方式有较差的变形适应性能，在长时间运营后容易断裂，因此此次设计不考虑该种方案。在干砌石护坡方式中，其有着较强的沉降变形适应能力以及较好的抗风浪效果，但块石厚度在制作时存在较大的偏差，经计算大约需投入53元/m3。在现浇混凝土护坡方式中，因为有着较为规则的尺寸，故浇筑较为简单，且外观整齐较为美观，有较强的抗风浪能力，但抗冻性能较差，经计算需投入46元/m2。经比较，认为采用现浇混凝土的方式进行护坡能够起到更好的加固效果，且所需投入资金较少，建成后也有较为美观的坡面。故决定通过现浇混凝土护坡的方式加固迎水侧护坡。具体施工时应从坝顶到坡脚设置护砌，但出于经济性的考虑，此次设计的护坡在进行清基以及坝坡整治之后，有1:2.5的坡比，决定通过现浇混凝土的方式对上游坝脚到45.30m高程进行护坡，而自45.30m高程起到坝顶则通过草皮进行护坡，将混凝土镇脚设置到坝脚中。采用10cm碎石以及10cm现浇混凝土自下而上铺设护坡。

（2）下游坝坡加固。经现场调研可知，背水坡未设置护坡衬砌，存在塌坡情况。因此，为避免渗漏水对坝坡造成冲刷，基于大坝防渗要求，需布置排水沟兼作灌溉渠。当前主要通过草皮护坡的方式进行下游的护坡，因大坝施工需要，需先开展清基工作，加固之后再栽种草皮以进行护坡。当前，大坝设置有排水沟，且有较大的断面，为防止坝坡被雨水冲刷，将重新在下游坝脚位置设置排水沟以将水引流到下游渠道中。以梯形断面设计排水沟，沟底约有1m宽度以及1m深度。

4.4 加固后大坝标准断面

综合上述分析，需整平大坝顶部，约有46m设计高程以及4m宽度；大坝顶部设置有3.5m宽度的泥结石道路，道路结构从上到下划分为：泥结石层100mm厚度、砂砾石基层200mm厚，0.95以上压实度，单向排水，1.5%排水坡度。通过将粘土斜墙设置到迎水侧的方式作为大坝截渗方案。粘土斜墙有2m的顶部宽度，截渗槽暂定设置为1.5m的深度。斜墙顶部设计为45.30m高程。

图6 加固后大坝标准断面图

新建的上游护坡在进行清基之后，需整治迎水侧坝坡，使用100mm厚度的C20现浇混凝土进行坡脚到45.30m高程的护坡，并在下面设置100mm厚度的碎石垫层。45.30m高程到坝顶处通过种植草皮的方式进行护坡，并设置1:2.5的坡度比。考虑到交通问题，在背水坡处设置三道2m宽度的泥结石路面的上坝踏步。重新在坝脚位置修建排水沟，并兼用于灌溉渠，以1m深、1m底宽、1:1边坡的梯形断面作为排水沟的设计断面，全长180m以C20混凝土预制板进行设计。

5 结束语

本文基于某水库大坝所存在的安全问题，对其除险加固设计方案进行设计，确保该水库的安全。经调研可知，该水库在加固前存在坝身压实度低，坝身渗漏问题。且溢洪道结构对泄洪较为不利，放水涵已严重老化，出口处缺少效能结构等问题。经除险加固分析，决定通过粘土斜墙的方式进行加固。此次设计的粘土斜墙有2m顶部宽度，并暂定以1.5m作为截流槽的开挖深度。斜墙顶高程为45.30m。分析其渗流情况可知，该水库水平比降最大值为0.086，比粉质粘土临界值小，能够满足渗透稳定的要求。