北坑水库除险加固工程中土石坝加固设计方案分析

李 丹

(抚州市水电勘测设计院，江西 抚州 344000)

1 工程概况

北坑水库位于崇仁县郭圩乡东边村，坝址坐落于崇仁河支流六家桥水支流上，原设计灌溉面积200 hm2，实际灌溉面积133.33 hm2，是一座以灌溉为主，兼顾防洪等综合利用的小(1)型水库。

水库正常蓄水位为87.5 m，相应库容130.9万m3；死水位为78.0 m，相应库容为11.6万m3；设计洪水标准为30年一遇，相应洪水位88.07 m，库容143.7万m3，相应下泄流量16.9 m3/s；校核洪水标准为300年一遇，相应洪水位88.28 m，库容148.2万m3，相应下泄流量27.0 m3/s。

大坝为均质土坝，坝顶高程90.54～90.82 m，最大坝高15.0 m，坝顶长度245.0 m，坝顶宽度4.0～5.0 m。上游坝坡坡比为1∶2.5，正常高水位87.5 m以下采用干砌块石护坡，块石厚度0.2～0.3 m，无垫层，高程87.5 m以上为草皮护坡；下游坝坡85.40 m高程处设有1.5 m宽马道，马道上下坡比均为1∶2.0，采用草皮护坡。坝脚贴坡排水体顶高程78.60 m，顶宽1.0 m，边坡为1∶2.0，块石层厚度约为0.4 m，无反滤层。

2 大坝存在问题

通过组织管理及施工人员回忆，并组织有关人员现场进行勘探检查，北坑水库大坝存在的主要问题有： 大坝土填筑质量差，夹较多风化碎石，且碾压不密实。坝基清基不彻底，坝基存在渗漏问题。上游护坡块石局部缺失、粒径偏小，无垫层；坝脚贴坡排水体淤堵、无反滤层，坝脚有渗漏。

3 大坝加固设计

3.1 大坝防渗处理

根据大坝渗漏情况，设计拟采用三种大坝坝身防渗处理方案进行方案比选,各方案具体设计如下：

3.1.1 方案Ⅰ：黏土斜墙方案

本方案是采用 “上截”的防渗工程措施，在坝体上游面筑防渗斜墙，降低浸润线位置，达到渗流与结构稳定的目的。

(1)黏土斜墙布置。 即在大坝上游坡加做黏土斜墙，处理时要求拆除护坡后整坡，清除坝身表层含水量过大部分，耙松坡面10～15 cm，进行黏土回填，使得新旧填土良好结合。

(2)黏土斜墙有效厚度。 黏土斜墙顶厚3.0 m，基础厚不小于水头的1/5 取为3.0 m，外边坡1：3.0，下设黏土截水槽，斜墙有效厚度能达到防渗要求。

(3)黏土斜墙深度。 黏土斜墙的铺设须放空水库，并加做施工围堰，斜墙顶高程为88.57 m，底高程深入基岩层0.5 m。

(4)防渗斜墙材料。 斜墙土料要求采用黏土，黏粒含量在25%～40%，渗透系数小于5×10-6cm/s，干密度要大于1.5 g/cm3，含水量在20%～30%，干密度与含水量须通过现场实验控制在设计要求范围内[1]。

3.1.2 方案Ⅱ：射水法造混凝土防渗墙方案

(1)射水法造混凝土防渗墙布置。 射水法造混凝土防渗墙轴线布置在大坝中心线上游1.0 m处，射水槽孔布置在坝顶，造孔桩号自坝左0+000至坝右0+245，全长245 m，总成墙面积4210 m2。

(2)射水造孔防渗墙参数及技术指标。 渗透系数：K≤5.0×10-7cm/s，墙体厚度：t=0.22 m，渗透坡降：J<200，抗压强度：15 MPa，抗渗标号：大于W4。

(3)墙体深度。防渗墙设计深度既要满足防渗要求，又要做到经济合理和便于施工，选定全封闭式深墙设计，成墙顶高程88.57 m，墙底伸至基岩面以下0.5 m，防渗墙底最低高程为73.6 m，最大深度14.97 m。

(4)混凝土配合比。为保证防渗墙的浇筑质量，混凝土配合比应根据现场试验确定。主要建材要求：水泥标号采用P.O.42.5水泥，卵石粒径为10～20 mm，砂料为中粗砂，坍落度为18～22 cm，扩散控制在34～40 cm。

(5)固壁泥浆。泥浆比重为1.1～1.2,静切力为2.0～5.0 N/m2，黏度为18～25 MPa·s，含砂量小于5%，失水量小于30 mL/30 min，泥饼厚度为2～4 mm，稳定性为0.03 kN/(m3·d)，胶体率为96%。槽孔内泥浆面应高于地下水位1.8 m以上，并不得低于孔口高程0.3～0.5 m以上[2]。

3.1.3 方案Ⅲ：冲抓套井回填黏土防渗墙方案

(1)冲抓套井回填黏土防渗心墙布置。 冲抓心墙墙顶高程为校核洪水位88.57 m，底部深入基岩0.3 m。冲抓心墙轴线位于坝轴线上游侧1.0 m处，布孔单排，按主、套井相间布置，一主一套相交成井墙，套井直径为1.1 m，套井中心距为0.75 m，有效厚度T=0.8 m。桩号自坝左0+000至坝右0+245，全长245 m，总进尺5170 m。

(2)防渗心墙的材料。 回填土料要求是非分散性土料，黏粒含量在25%～40%，渗透系数<5.0×10-6cm/s，干密度要大于1.5 g/cm3，含水量在20%～30%，干密度与含水量须通过现场实验控制在设计要求范围内[3]。

三种方案工程量及造价见表1。

表1 三种方案工程量及造价比较

从表1中看出，方案Ⅰ投资最小，投资比较合理，且施工简单，施工进度快，施工质量容易控制，缺点是需要做施工围堰，水下部分施工不便；方案Ⅱ投资最大，在坝体内能形成完整的混凝土防渗体系，防渗效果较好；方案Ⅲ投资居中，可在坝上游面施工，作业面方便，工艺简单，质量容易控制，但冲抓心墙死水位以下冲抓心墙难以施工，不能形成有效的整体防渗体系，给工程留下隐患。因此，本次设计本着技术可行、经济合理、安全可靠等方面综合考虑，并参照类似工程择优选取方案Ⅰ黏土斜墙方案对大坝坝体进行加固处理，此方案已经积累丰富的施工经验，且效果显著。

3.2 大坝上游护坡加固处理

大坝上游坝坡不平整，局部缺失，护坡块石风化、粒径偏小、无垫层。设计对上游坝坡全面进行整修加固。拆除原护坡块石，利用拆除块石料在上游坝脚堆填成固脚平台，平台宽3.0 m，平台顶高程为78.5 m，平台以下坡比为1∶3.0。上游面新建黏土斜墙，斜墙临水面坡比为1∶3.0，待黏土斜墙填筑密实后，先在斜墙表面铺筑0.10 m 厚砂卵石混合料，再进行C15混凝土预制块护坡，C15混凝土预制块护坡厚度为0.1 m，护坡范围下至78.50 m，上至88.57 m，高程88.57 m以上草皮护坡，固脚平台处C15混凝土固脚尺寸为：0.6 m×0.6 m。

C15混凝土预制块为六边形，边长为0.30 m，缝间用高标号砂浆勾凹缝，板块预留φ0.05 m排水孔，孔距2.7 m，梅花形布置，排水孔孔口设置双层土工布(规格300 g/m2)[4]。

根据水库管理需要，上游坝坡桩号0+100处设置C20混凝土踏步，踏步宽3.6 m。

3.3 大坝坝顶加固处理

考虑坝顶有防汛交通要求，本次设计有必要在坝顶新建混凝土路面，因此,要求平整压实坝顶路基，设计坝顶高程为90.8 m，坝顶宽5.0 m(包括路肩)，在路基与基层之间设置水泥水稳层，厚度为0.2 m；路面为水泥路面，混凝土标号为C25，厚度为0.2 m；坝顶公路两侧设C15混凝土路肩，路肩尺寸为0.3 m×0.4 m。

3.4 大坝下游加固处理

本次加固设计将大坝下游坡面局部塌陷处进行整平，清除杂草，重新采用草皮护坡。草皮护坡范围从坝顶至贴坡排水体顶部，贴坡排水体顶高程为80.0 m。为防止下游坝坡面雨水集中冲刷而形成雨淋沟，根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2020)的要求，在下游坝面设置纵横向排水沟和岸坡排水沟。

坝端与两岸山坡接合处设置岸坡排水沟，排水沟采用C15混凝土结构，过流断面为0.4 m×0.4 m，厚度为0.15 m。贴坡排水体顶部设置纵向排水沟，过流断面为0.3 m×0.3 m，厚度为0.15 m。下游坝坡桩号0+100处设置C15混凝土踏步，踏步宽3.6 m。

大坝下游现状排水体淤堵，块石风化，无反滤层。故本次加固设计将原贴坡排水体拆除重建，贴坡全长210 m，顶部高程80.0 m，顶宽2.0 m，边坡1∶2.5。块石与坝坡接触部位设置反滤层，反滤层的材料分为三层，即砂：厚0.15 m；砾石：粒径5～20 mm，厚度0.15 m；卵石：粒径20～80 mm，厚度0.15 m。砌筑贴坡块石料要求为新鲜、致密、耐风化石块。坝脚设置C15混凝土排水沟，宽0.5 m，深0.5 m。

在坝后贴坡排水体下设一集水系统，并设置三角量水堰量测系统进行渗水量观测[5]。

3.5 大坝加固后渗流与坝坡稳定复核

3.5.1 大坝渗流复核计算

加固后渗流复核计算断面渗透分区、坝体及黏土斜墙的渗透系数见表2，大坝稳定渗流期坡降值及渗流量见表3。各水位组合工况大坝浸润线见图1，图1(a)为上游正常蓄水位87.50 m与下游最低水位组合工况大坝浸润线；图1(b)为上游设计水位88.07 m与下游最高水位组合工况大坝浸润线；图1(c)上游校核洪水88.28 m与下游最高水位组合工况大坝浸润线。

从大坝渗流计算来看，坝体浸润线已大大降低，日渗流量也急速下降。

表3 主坝稳定渗流期坡降值及渗流量

3.5.2 坝坡稳定复核计算

大坝加固后，坝体下游坝坡的最小安全系数计算对于采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法，安全系数取为：正常运行条件时为1.150，非常运行条件时为1.058。加固后下游坝坡稳定计算结果见表4，加固后各工况大坝下游坝坡稳定计算见图2。

(1)水库水位为正常高水位(87.5 m)稳定渗流期的下游坝坡，下游无水，如图2(a)。

表4 加固后坝坡稳定计算结果

(2)库水位为设计水位(88.07 m)稳定渗流期的下游坝坡，下游有水，如图2(b)。

(a)上游正常蓄水位与下游最低水位

(b)上游设计水位与下游最高水位

(c)上游校核洪水与下游最高水位图1 各水位组合工况大坝浸润线

(a) 正常水位，k=1.313

(b) 设计水位，k=1.224

(c) 校核水位，k=1.152图2 稳定渗流期的下游坝坡，瑞典圆弧法

(3)库水位为校核洪水位(88.28 m)稳定渗流期的下游坝坡，下游有水，如图2(c)。

坝体加固后，各种工况下下游坝坡的稳定安全系数都得到明显的提高，大坝能够正常和安全运行。

4 结 语

北坑水库大坝存在坝体、坝基渗漏，校核洪水位时下游坝坡抗滑稳定不满足规范要求，上游坝坡护坡块石风化、无垫层、局部缺失，下游坝脚贴坡排水体淤堵、无反滤层等问题。文章以此为依据，对北坑水库大坝除险加固展开设计，经过方案比选，大坝防渗采用上游坝坡新建黏土斜墙方案进行坝体、坝基防渗；大坝上游坝坡护坡采用混凝土预制块护坡方案；大坝下游坝脚贴坡排水体进行拆除重建。经过对加固后的大坝进行渗流稳定分析，复核结果均满足规范要求，设计方案合理，可供类似水库土石坝除险加固工程参考。