西潭水库大坝除险加固设计研究

刘文明

(南昌市中水科技发展有限公司，江西 南昌 330029)

1 大坝除险加固设计

1.1 顶部加固

大坝在实际运行中需要坝顶做好排水工作，因此，在进行坝顶除险加固时，为保证坝顶除险加固工作顺利实施，需要重视排水设计工作，使得大坝能够将积水有效的排出。在此过程中，需要保持坝顶和路面具有科学的倾斜角，坡度控制在3%左右为宜，能够有效保证大坝排水顺利的同时，承担一部分交通运输工作。坝顶的高度是保证大坝除险加固设计有效性的重要因素。大坝高度是影响拦截水位的主要指标，更是提高大坝安全性的必要保证。因此，需要做好坝顶高度的合理判定，确保数据的精确度[1]。

1.2 放水洞与溢洪道加固

相关设计人员在进行放水洞与溢洪道设计时，需要以除险加固补强为中心，对涵洞内部进行有效的修补。除此之外，需要在涵洞内部及时加入PE管以及玻璃管等设施，从而有效提升放水洞的质量。对于溢洪道除险加固技术来说，其施工重点在于合理控制段与泄槽段部位，做好整个坝体的结构设计工作。在进行坝坡抗滑性确认时，首先需要对风速进行确认，一般情况下的正常运用条件风速为13.28 m/s，而非运用条件9.1 m/s。地震动反应谱特征周期一般在0.3～0.5之间，加速度则小于0.03 g。正常情况下的风浪浪高为0.35 h/m，非正常情况下的风浪浪高为0.25 h/m。

1.3 输水涵洞加固

输水涵洞通常采取回填灌浆以及固结灌浆相结合的方式，但通常情况下，由于涵洞内径小于1.5 m，人工作业较为困难，且施工机械设备进入涵洞也较为困难时，为保证施工效果，需要引入输水涵洞的设计方案。为保证施工效果，可将输水涵洞放置在坝体的右岸，为提高坝体的安全性和稳定性，无须将隧洞通过坝体，而直接采用在右侧山体下新建的方式。隧洞进口段有两种方案，一种是在隧洞的进口位置采取塔式进水方案，另一种是在隧洞中设置检修井的方式，能够最大程度降低工作负荷，且施工方便、简单[2]。

2 大坝除险加固技术应用实例分析

2.1 工程概况

以西潭水库为例。该水库主要是由大坝、泄洪灌溉闸共同组成。以灌溉为主，同时具有防洪和养殖等功能的水利工程。其中，大坝属于均质土坝，最高高度为8.1 m，顶坝高程在18.20～19.02 m，坝顶宽度在5.8 m左右，坝顶长度为457 m，坝体上游的坡度比例为1：2.01，上游并无护坡设施，下游的护坡比例为1：2.06，属于杂草坡面。与此同时，在下游坝脚设置了相应的贴坡排水设施，但由于风化严重，因而反滤排水功能较差。泄洪灌溉管为现浇钢筋混凝土平斜管结构，内径为0.9 m，进口的底板高程为12.57 m，出口的底板高程为13.14 m，全长41 m。通过斜管进行取水，其孔径在1.1 m×1.1 m，属于结合泄洪方式。最高处的进水口底高程为16.23 m，并未设置闸门，取水口使用木质闸门挡水，由人工进行控制。当水库的整体水位高于正常水位16.23 m时，从斜管流入到平管泄洪的位置上。当前，该水坝工程面临的问题主要包括：涵管出口位置长期有水流流出，导致沿管发生泄漏，闸身混凝土老化问题严重，甚至出现骨料暴露问题，少部分混凝土破损严重。进口木质闸腐烂，无法进行有效的启闭，同时由于该项工作长期需要人工操作，因而存在一定的危险性。在大坝的坝底位置，还存在渗漏问题，坝体填筑土料为低液限黏土，坝体质量基本满足实际需要。当前，坝体上游、下游都为杂草坡面，其中上游受到水体、风浪的侵蚀较为严重，导致上游和下游坝坡出现凹凸不平等问题。通过实际调研与计算，得知该坝下游坝坡的渗透坡降计算值已超过允许渗透坡降最大值，加之缺少出口保护设施，因而容易在下游破坝出现损坏、渗漏等问题，对大坝安全造成不良影响[3]。

2.2 填筑土料质量分析

依据实地勘察得出，西潭水库的坝体填筑土由低液限黏土构成。其中，砾石的含量在0～5.42%之间，平均值为1.35%，砂砾的含量数值变化在0.3%～25.8%之间，平均值为6.2%，粉粒的含量数值为21.23%～56.25%，平均值为43.26%。黏粒含量数值在24.32%～68.46%之间，平均值为51.23%。从中可以得出，颗粒含量数值变化幅度较大，且土料存在较为明显的不一致性。同时，砂、砾的含量较低，粉粒含量较高。坝体填筑土颗粒组成如表1所示。

表1 坝体填筑土颗粒组成统计情况 %

2.3 大坝除险加固技术布置

2.3.1 坝顶设计

当前，大坝的顶坝高程在18.20～19.02 m，坝顶宽度在5.8 m左右。通过实际测算得知，坝顶高程为18.35 m，因此，得出现有的大坝坝顶高程无法满足实际需求，需要进行科学的坝顶设计。在除险加固过程中，首先需要保证坝顶和路面的坡度控制在3%左右，一方面保证大坝排水顺利，另一方面则能够有效承担部分交通运输工作。其次，将坝顶高程设置为19.21 m，坝顶长度为634 m。采用先平整后浇筑混凝土路面的方式进行作业。最后，路面需要铺设厚度为16 cm的碾压混凝土基层后，铺设厚度为22 cm的C30混凝土面板，将坝顶的宽度设置在4.5～5.5 m之间。在沿坝顶上游以均匀的方式设置防汛照明灯。

2.3.2 坝坡与护坡设计

为保证大坝的稳定性，做好护坡工作尤为重要，涵洞能力的增强有助于险情处理和排水棱体的处理，提升泄洪洞的排水能力，达到大坝改造除险加固的目的。通过现场的实际勘察发现，大坝的上游并未设置护坡，因而受到风浪影响较大，因此，本次工程中对上游进行了相应的护坡保护工作。其中，上游的坝坡比例为1∶2.3，能够从坝脚位置保护到坝顶。对上游已经塌陷、凹陷位置进行合理修整后，采用铺筑厚度为22 cm的砂垫层以及12 cm厚的C20混凝土预制块进行护坡工作。为保证居民的生活不受影响，选择在上游位置设置两个浆石台阶的方式，其中，浆砌石台阶的宽度为4.8 m，两边为0.4 m的C20混凝土缘石，坡度和坡面坡度相一致。

2.3.3 下游反滤排水设计

原有的大坝反滤排水设施功能不够完备，因而无法满足实际施工需求，依据设计要求进行贴坡反滤排水体的重新设计与建造，将贴坡反滤排水体长度设置为602 m，顶宽设置为1.2 m。依据渗流计算公式得出坝体浸润线高出逸点高程，将贴坡反滤排水体的高程设置在14.2～15.0 m之间，坡度比例为1∶2.8。其中，反滤层主要由土工布和砂砾构成，反滤层的第一层位置铺设280 g/m2土工布反滤布，第二层位置为厚度15 cm的粗砂垫层，第三层为22 cm的厚卵石垫层，最后为干砌石体[4]。

2.3.4 护坡与坝面排水设计

由于现有的大坝下游坡面不够平整，因此，在实际设计过程中需要将杂草铲除干净后再对下游坝坡进行夯实和加固，加入适当的透水料。坝坡坡比为1∶2.8，在实际设计过程中，综合考量坝坡坡面，当平整坡面后，及时进行铺设相应的网状草皮用来护坡。其中，草皮的护坡范围设置高于反滤排水体的整体高程。为避免发生下游坝坡雨水集中冲刷问题，依据相关政策要求，在大坝的下游进行坝面纵横排水沟的设置。其中，纵向的排水沟通常设置在马道内侧，横向排水沟则采用每间隔90 m设置一道的方式，总共设置了6道。排水沟的材料以M10水泥砂浆为主，横向的排水沟断面尺寸为0.3 m×0.4 m，纵向排水沟的断面尺寸为0.3 m×0.5 m，而岸坡的排水沟断面则为0.5 m×0.5 m。

2.4 泄洪灌溉涵除险加固设计

2.4.1 泄洪设施

泄洪灌溉管为钢筋混凝土箱涵结构，长度为40 m。依据本次除险加固设计，选择竖井型式，依靠在库区一面，其高程在15 m以上。合理控制段与泄槽段部位，做好整个坝体的结构设计。将闸门设置在竖井的前面，当无须灌溉时，闸门可以在关闭的状态下实现蓄水功能。当水位高于正常水位时，可以从竖井位置流入，借助涵管完成下泄工作。通过测算，得出西潭水库的入库和出库的数量变化公式(1)如下：

[(Q1+Q2)/2-(q1+q2)]×△t=V2-V1

(1)

式中：Q1和q1为初期入库和出库的流量；Q2和q2为末期入库和出库的流量；V1和V2为初期、末期的水库总蓄水量。

2.4.2 除险加固

将原有的混凝土斜管拆除后将水渠清理干净，为方便建立八字墙，需要对水渠尽可能扩宽。开挖涵管以上的坝体，边坡比例设置为1∶1.2，底宽设置为5.1 m，将进水口的底高程设置为13.14 m，出水口的高程则设置为12.08 m，将原涵管拆除。进口位置需要设置5 m长的M7.5浆砌石八字墙，利用重力式挡土的方式，将挡土墙的顶宽设置为0.3 m，采用迎水直上的方式，背水面坡度比例设置为1∶0.6，墙高设置在1.3～2.2 m左右。为提高水库的管理效率，用闸门控制灌溉用水的方式，保证在泄洪时无须进行闸门的控制。依据上述原则，八字墙建立完成后需要建立新的闸井，将挡水面积设置为1.3 m×1.1 m的铁闸门。而闸井则采取竖井式，其高程需要高于15.23 m。竖井前面设置闸门，当无须灌溉时，则可以将闸门关闭，水库可以正常蓄水。在闸井的上方设置相应的启闭房，同时配备了两用螺杆式的启闭机。其中闸井的材料为C15混凝土，其防冲刷能力较强，启闭平台的材料也为C15混凝土，启闭房以砖混合结构为主。对混凝土涵管进行重新浇筑，涵管的长度为40 m，进口高程为13.12 m，出口高程为13.25 m，坡度设置为0.004，横断面尺寸为1.1 m×1.1 m，选择的是钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C15。将涵管分为两段进行分别浇筑，在中间位置设置相应的水环。对于八字墙和闸井来说，都需要做好土方回填工作，整个回填过程需要保证分层进行碾压。在出口位置需要设置长度为6.8 m的出水渠，以梯形为主，底板选用C15混凝土进行衬护，衬砌厚度保持在0.25 m左右，边坡比例设置为1∶1。

3 结 论

在实际的应用中，受到时间、气候条件以及其他因素的影响，使得大坝容易发生老化或失修问题，甚至发生泄漏，影响水库的正常运行。因此，为进一步提高水库运行的稳定性，需要定期对大坝进行检查和维修，面对大坝除险的问题能够及时采取除险加固技术予以解决，实现大坝的可持续发展。