粘土心墙坝除险加固技术方案及要点研究

秦俊辉

摘 要：我国水资源丰富，但河流湖泊空间、时间分布方面，各地区存在极大差异，且人均占有量远低于世界平均水平。为了起到防洪、供水、发电、灌溉等作用，我国从20世纪50年代起开始大兴水利，水利工程数量直线攀升。随着运行服役时间的增加，大量早期修建的水库大坝工程出现了不同程度的病害问题，甚至对水库功能的正常发挥造成了影响，不利于运行管理。为此，结合具体案例，在全面了解水库大坝病险问题的基础上，提出了两种不同的加固方案，最终确定拆除重建防浪墙，以此保证大坝运行正常、稳定、安全。

关键词：水库大坝；除险加固；粘土心墙坝；防浪墙

中图分类号：TV233.4                              文献标识码：A                                文章编号：2096-6903（2023）01-0121-03

1 工程概况

某水库工程兴建于20世纪60年代，水库主要组成包括拦河坝、溢洪道及输水洞。在运行服役过程中，因为汛期冲刷严重，大坝出现了病险问题，需进行水库加固施工。本文主要针对大坝坝体方面进行加固研究。经地质调查报告显示，案例水库地处中低山区，属于侵蚀山地，区域岩性以前震旦系Z2g3深灰色白云岩。根据中国地震动参数区划图相关标准，本地区地震动峰加速度为0.05 g，VI度为相应水库区域及坝址地震基本烈度[1]。

2 水库大坝病险问题

在本水库大坝工作当中，坝体以土石坝为准，属于粘土心墙坝，240 m长，坝顶高程98.80 m。防浪墙设于上部，分为上、下两部分，其中浆砌石结构为上部，混凝土结构为下部。防浪墙顶高程99.5 m，相比坝顶高度，防浪墙定高程多出0.7 m，坝顶宽度4 m，坝顶设土道。经检验，当前大坝上下游坡比分别为1∶2.7、1∶2.0，粘土心墙底宽、上宽分别为3.5 m、1.0 m，当前坝顶高程97.1 m。根据病险调查研究发现，目前主要存在的问题包括以下6方面。

第一，大坝设防浪墙，且其下部属于混凝土结构，1.7 m为防浪墙下部墙高，并有齿槽插入心墙设置，其尺寸为0.5×0.5 m。根据上述分析，防浪墙属于两个不同结构设置，浆砌石结构为上部，墙高0.7 m。在施工过程中，布设时需要错开进行上下两部分墙体布设，因此，在结合方面，紧密性不足，防浪墙占坝顶1.5 m，坝顶有效宽度较小，仅为2.5 m。

第二，原有设计当中，98.8 m为坝顶高程，但目前来看，部分坝顶高程有所下降，仅为97.1 m。

第三，上游坝坡属于块石护坡，在施工过程中，多数块石直径不足，规整性较差，无法达到设计要求，且当前垫层不完整，差不多已被掏空。正常水位时，很多块石松散、外翻严重。

第四，坝坡下游部分，属于碎石护坡，水流长期冲刷，将会影响坝坡质量，甚至会出现水土流失，导致坡面起伏大。

第五，局部存在渗漏情况，大坝左岸坝坡与溢洪道右边墩结合位置最为严重。

第六，下游坝脚位置未见排水体，对于渗流稳定不利，将会对坝坡稳定性造成不利影响。

经病险复核计算与分析，在本大坝坝体工程当中，存在以下问题：防浪墙位置不当，上下游坝坡存在块石风化、碎石厚度不均等问题，局部渗漏[2]。

3水库大坝坝体加固方案

针对本工程拦河坝病险加固施工，结合工程量、工程投资两大因素，制定了两种不同的加固施工方案，以此择优利用。

方案1是将原防浪墙拆除，并新建防浪墙于接近上游坝肩位置。具体施工方案当中，先全部拆除大坝坝体的原有防浪墙，随后将新的防浪墙建设到接近大坝上游坝肩位置，4 m为坝顶宽度。表1为坝体加固方案具体工程量及投资情况。

方案2是进行大坝加宽培厚施工。根据大坝实际情况，对于坝顶部位加宽处理，加宽至1.5 m，随后进行下游坝坡培厚处理。表2为坝体加固方案具体工程量及投资情况。

根据上述表1、表2可知，在加固方案1当中，拆除工程和新建工程的总投资额为15.41万元，加固方案2当中，总投资额为28.75万元，相差较大。同时，在工程量方面，方案1工程量也远远低于方案2。因此，在大坝除险加固施工中，应选择方案1。

根据大坝病险调查发现，局部存有渗漏现象，且大坝左岸坝坡与溢洪道右边墩结合位置最为严重，因此，在施工方案制定时，注重溢洪道右边墩到大坝桩号（0+040.00）断面开挖情况，应开挖到强风化岩层，同时，将混凝土插入墙设于中间，顶宽、底宽分别为400、700 mm。下面位置进行帷幕灌浆，6 m为灌浆深度，2 m为相邻灌浆孔间距。

4 水库大坝坝体加固要点

4.1 坝顶高程

根据相应公式，在确定及计算出静水位、壅水高、波浪爬高、安全加高、坝顶超高等参数后，针对设计加正常运用超高（A）、正常加正常运用超高（B）、正常加非正常运用超高（C）、校核加非正常运用超高（D）四种情况下，进行坝顶高程及防浪墙高程的确定，如表3所示。

根据上述分析，设计以最大值为准，98.73 m为防浪墙顶高程，相比原设计当中，98.80 m为坝顶高程，为了保证施工质量，想要满足设计要求，最终以99.50 m为防浪墙顶高程，方可达到设计高程标准规定。

4.2 坝体稳定性

在本大坝工程当中，原设计以粘土心墙坝为准，其中坝顶高程、坝顶宽及坝长分别为98.80 m、2.57 m、240 m。在设计中，为了确保坝体稳定，需要了解筑坝材料的强度大小，根据要求，本工程中所采用的筑坝材料包括黏土心墻、坝体风化砂、坝基砂质粉土及砂砾石等。主要技术参数情况如表4所示。

针对渗流稳定，计算时应严格按照达西定律，根据达西定律建立方程式确定透水地基上心墙土坝正常高水位稳定渗流秦润线[3]。基岩计算时，可根据不透水层分析，由于具有偏高的浸润线，安全较高。

在计算时，下游坝坡逸出点的情况中渗透系数及各层厚度如表5所示。经达西定律建立方程计算，可获取浸润线和大坝单宽河槽渗流量等结果，在心墙下游侧浸润线高程及排水建筑物的逸流高程分别为90.35 m、86.56 m，根据计算可得，坝体日渗流量为8.4 m?/d。通过坝体浸润线计算分析，在排水棱体内的下游坝坡逸点，能够符合渗流稳定规定。

4.3 边坡稳定性

按照土坝规定，坝体边坡稳定计算时，坝体抗滑稳定可通过瑞典圆弧法进行计算分析。根据方案1要求，新加固方案当中，大坝断面是在原有基础上，加快坝顶至4 m，上下游坡比分别为1∶2.7、1∶2.0。当坝坡稳定的工况条件中，结合正常蓄水位，可得出设计和校核蓄水位，如表6所示。

按照瑞典圆弧法计算坝体坝坡稳定，分为正常运用和非正常运用两种工况条件，所得结果如下。

正常运用工况分为4类，一类设计供水位上游坝坡稳定，经计算该工况下安全系数为1.46；二类正常高水位条件下，所形成的浸润线下游坝坡稳定时，通过计算可得安全系数为1.48；三类设计洪水位，下降到堰顶上游坝坡，且稳定，可得安全系数为1.39；四类设计洪水位与下游尾水位相对应时，下游边坡稳定工况下，可得安全系数为1.45。针对上述四类正常运用工况条件，安全系数在1.39～1.48之间，相比规范要求≥1.25，不同工况下坝坡稳定性良好，均可满足规范要求。

非正常运用工况同样分为4类，一类校核水位上游坝坡稳定，经计算分析，安全系数为1.55；二类校核水位下降，降到堰顶上游坝坡，且稳定，经计算安全系数为1.26；三类校核洪水位条件下，下游最高水位情况下下游坝坡稳定，其安全系数为1.39，上述三类非正常运用工况下，安全系数范围为1.26～1.55，相比规范要求≥1.15，均可满足规定。四类为正常运用条件下，下游坡遇到地震时，可得安全系数为1.35，相比规定要求≥1.10，可满足要求。

4.4 大坝护坡拆除

由于坝体沉降、水位变化、水流冲刷等因素，大坝上游块石护坡平整度较差，正常蓄水位上方，经常会产生块石翻动、风化等问题。此次大坝加固施工，需要先清除坝坡上严重风化的块石，随后进行混凝土浇筑，厚度约100 mm，并合理控制浇筑范围。

4.5 下游碎石护坡

本水库大坝工程运行服役时间较长，针对下游坝坡存在的问题，加固时可铺设一层碎石护坡，厚度为10 cm。

4.6 防浪墙

拆除原有防浪墙之后，根据设计规定，需重新进行防浪墙施工。要求新建防浪墙的顶高程、底高程及墻厚分别设置为99.5 m、97.10 m、0.25 m，并以L型挡墙为防浪墙结构形式。

4.7 下游排水体

针对下游排水体设置，可采用卵砾石暗排水体，通过土工反滤布（300 g/m2）反滤，并填筑块石与砂垫层，厚度均为200 mm。

4.8 上坝路

根据以往经验及工程实际情况，原有工程上坝路设计已无法满足规定要求，无法确保汛期抢险的安全性[4]。针对这种情况，要求重新在大坝右端进行道路修建，结合工程建设实际，道路长度及路面宽度分别为1.7 km、6 m，并设碎石路面150 mm，为保证道路施工安全及排水畅通，可将混凝土排水沟设于道路接近山侧。

5结语

水是最不可或缺的物质基础，是生命之源，是其他产业及人民大众生活的基础物资。本文以水库粘土心墙坝除险加固为研究对象，在全面了解病险问题的基础上，提出了先拆除原防浪墙，后重新建设的加固方案，经计算及检验分析，该方案施工效果良好，可满足加固施工要求。

参考文献

[1] 曾小芳.基于大坝综合评价指标的中型水库除险加固设计方案优化[J].内蒙古水利，2021（4）：35-37.

[2] 鲁娜.浅析加马铁热克水库大坝除险加固设计与施工分析[J].黑龙江水利科技，2019，47（7）：256-258.

[3] 费强.上年水库除险加固工程设计[D].沈阳：沈阳农业大学.2021.

[4] 杨杰，江德军，郑成成，等.病险水库除险加固方案决策研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2014（11）：213-219.