更鼓楼水库大坝除险加固设计分析

朱家威

（江门市科禹水利规划设计咨询有限公司,广东 江门 529000）

1 工程概况

更鼓楼水库位于开平市苍城镇南部潭碧村委会,属潭江镇海水支流开平水,距离开平市政府约35 km,水库三面环山,西北面为丘陵,总体属低山丘陵区。坝址以上控制集雨面积为1.8 km2,设计灌溉面积为0.185 万亩,正常蓄水位42.00 m,设计洪水位43.57 m,校核洪水位44.1 m,水库的总库容为105×104m3,捍卫着下游耕地0.3 万亩、人口0.033 万人。该水库建于1993年,至今已运行了二十多年,主要由2 座均质土坝,1 座溢洪道和1 座输水涵管所组成,是一座以灌溉为主、兼顾防洪的小型水库,工程等别为Ⅳ等,建筑物为5 级。

2 大坝现状及存在问题

2.1 大坝现状

水库主、副坝为均质土坝,坝顶为石渣路面；主坝顶宽5.0 m（不含防浪墙）,坝顶路面高程44.50 m～45.00 m,最大坝高20.21 m,坝顶长198 m。坝顶上游设约0.5 m 宽C20 砼防浪墙,防浪墙顶高程约为45.10 m～45.41 m。上游迎水坡坡比约为1∶2.55,在高程40.50 m 至坝顶设C20 砼六角块护坡,在高程40.50 m 以下设干砌石护坡。下游坝坡为草皮护坡,在34.59 m～35.00 m 高程处设有0.7 m～1.1 m 宽平台,平台以上坡比为1∶2.25,平台以下坡比为1∶2.5。坝脚设有干砌石贴坡式排水体及集水沟, 大坝左侧排水体顶部高程27.42 m～27.79 m,外边坡坡比为1∶3.15～1∶3.85；大坝右侧排水体顶部高程35.00 m,外边坡坡比为1∶2.5。下游坝坡与岸坡连接处设有排水沟,与下游集水沟接通。

副坝坝顶宽5.5 m～6.0 m（不含防浪墙）,坝顶路面高程44.05 m～44.25 m,最大坝高12.00 m,坝顶长68 m。坝顶上游设约0.3 m宽C20砼防浪墙,防浪墙顶高程约为44.33 m～44.61 m。上游坝坡为干砌石护坡,在高程38.36 m 以上坡比约为1∶2.8,在高程38.36 m 以下坡比约为1∶3.75。下游坝坡为草皮护坡,在39.04 m～39.89 m 高程处设有约2.5 m 宽平台,平台以上坡比约为1∶2.35,平台以下坡比为1∶3.0。坝脚设有干砌石排水棱体及集水沟,排水棱体顶部高程33.80 m～34.03 m,外边坡坡比为1∶1.60。

2.2 存在的问题

经过对更鼓楼水库现场勘察复核发现,水库经过二十多年的运行,其主、副坝均存在不同程度的安全隐患,如：主坝排水体浸润线偏高,背水坡排水系统不完善,主坝上游坝坡原出现散乱、松动现象；副坝防浪墙顶高程不满足现行规范的要求；主、副坝的坝顶石渣路面出现破损、坝体局部填土密实度较差,含水率较高,且与坝基接触异常,可能存在渗漏；主、副坝在高水位运行时,排水棱体渗漏严重,已严重危及水库安全运行,需尽快采取措施消除大坝隐患。

3 大坝除险加固设计

3.1 坝顶重建设计

为了确保坝坡的稳定性,本次对主、副坝坝顶石渣路面进行重建。平整主坝坝顶路面表层碎石,并采用C25 砼厚0.2 m铺设,底铺6%水泥石粉稳定层厚0.1 m,坝顶路面高程设为44.50 m,坝顶总宽度设为5.00 m（不含防浪墙和排水沟）,坝顶路面横向坡度为2%,倾向背水坡侧。

清理副坝坝顶路面表层杂草,重建坝顶路面及加高原防浪墙。坝顶路面采用C25 砼厚0.2 m 铺设,底铺6%水泥石粉稳定层厚0.1 m,坝顶路面高程设为44.50 m,坝顶总宽度设为5.00 m（不含防浪墙）,坝顶路面横向坡度为2%,倾向背水坡侧；原防浪墙采用C25 砼加高,墙200 mm 厚。

3.2 边坡加固设计

主坝迎水坡40.5 m 高程以下铺设C25 砼护坡100 mm 厚,在40.50 m 高程设0.8 m 宽的砼平台；主坝背水坡均重铺草皮护坡,并在主坝马道34.60 m 高程设2.5 m 宽的石渣路面100 mm 厚,重建排水棱体,采用干砌石棱体,顶部高程为28.00 m,设C20 砼排水沟及压顶,副坝背水坡均重铺草皮护坡。

3.3 坝体防渗设计

根据钻探结果,大坝坝体填筑土多由粉砂岩风化残积土回填而成,局部夹含风化碎石,黄色、黄褐色,多呈硬塑状态,以粉粒、粘粒为主,夹含碎石块,不均匀,较松散,存在渗漏问题。为了提高坝体防渗性能,本次拟对坝体进行高压喷射灌浆,主要在主坝、副坝沿距原坝轴线上游1.0 m 处布置一排灌浆孔,终孔孔距1.5 m,主坝灌浆范围为桩号0+010～0+178,共布置112 孔,副坝灌浆范围为桩号0+008～0+053,共布置31 孔,每孔钻孔深度比灌浆深度多0.3 m。高压喷射灌浆采用三管高压摆喷折线搭接灌浆,折角120°,摆喷角为30°。高压喷射灌浆分2 序进行,待第一序孔灌浆结束后,再进行第二序孔灌浆。灌浆施工参数灌浆压力、提升速度、气压、气量均参照《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》（DL/T 5200-2019）给定范围取值,并结合现场试验确定。

在高压喷射灌浆过程中,如果发生压力突降或骤增、孔口回浆密度或回浆量出现异常等现象,需查清问题所在,并立即进行处理。如若孔内出现严重漏浆、串浆等特殊情况时,应按照《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》（DL/T 5200-2019）的相关规定处理。

高压喷射灌浆防渗墙的防渗性能应用围井检查法进行检查,将围井开挖一定深度,然后在围井内进行注水试验,要求渗透系数 k＜1×10-5cm/s。检查孔注水试验结束后,按技术要求进行灌浆和封孔,如果发现质量不合格应及时处理。

4 加固后大坝安全复核

4.1 渗流计算

更鼓楼水库大坝加固有新建的干砌石排水体及水泥防渗墙,根据水库实际加固情况,本次渗流计算选择水库大坝最大坝高断面进行渗流分析[1],计算断面见图1。

图1 大坝渗流计算土质分层示意图（加固后）

本次将渗透系数K 的建议值作为计算参数,具体计算参数见表1。

表1 渗透系数的选取

表2 渗流计算工况

更鼓楼水库大坝除险加固后,根据大坝加固情况,其渗流计算按下列工况进行计算[2]：

当校核洪水位降落到正常水位时,水位降落曲线采用500年一遇调洪过程线[3]。校核洪水位为44.10 m,相应库容为105 万m3；正常蓄水位42.00 m,相应库容为82.13 万m3,库容差22.87 万m3。根据水库运行控制和调洪演算资料,整个降落时间大约为3 小时。

本次采用南京水准科技有限公司研发的“AutoBANK7.7”软件进行土坝渗流分析,加固后的坝体浸润线采用有限元法进行计算,计算采用单元格划分见图2。

图2 大坝渗流有限元计算模型（加固后）

经计算,大坝加固后各工况计算结果见表3。

表3 大坝渗流计算成果表

从表3 计算结果可以看出,大坝加固后各工况出逸点高程均位于坝体反滤排水体内,浸润线正常,逸出段的渗透比降均小于允许水力比降,排水体顶高程满足要求,因此采取坝体高喷灌浆的加固措施可以满足设计规范要求。

4.2 坝坡稳定计算

本次坝坡稳定计算选择大坝最大坝高断面,计算参数采用同一土层内土样试验统计的建议值（见表4）。

表4 土层物理力学参数表

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）,坝体抗滑稳定复核采用简化毕肖普法,本次坝坡稳定计算按下列公式：

式中：W 为土条重量,kN；V 为垂直地震惯性力（向上为负,向下为正）,kN；u 为作用于土条底面的孔隙压力,kN；α 为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角,（°）；b 为土条宽度,m；R 为圆弧半径,m；c′、φ′ 为土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩,N·m。

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）,水库大坝坝坡稳定分析计算主要复核以下工况：

1）正常运用条件：上游正常蓄水位42.00 m（相应下游无水）稳定渗流下的上下游坝坡；

2）正常运用条件：上游设计洪水位43.57 m（相应下游无水）稳定渗流下的上下游坝坡；

3）正常运用条件：上游1/3 坝高水位31.20 m（相应下游无水）稳定渗流下的上游坡；

4）非常运用条件I：上游校核洪水位44.10 m（相应下游无水）稳定渗流下的下游坝坡；

5）非常运用条件I：库水位从校核洪水位44.10 m 按正常泄洪降至正常蓄水位42.00 m 的现状坝体非稳定渗流的上游坡[4]。

本次坝坡稳定计算采用南京水准科技有限公司研发的“AutoBANK7.7”软件,用简化毕肖普法计算稳定渗流期以及非稳定渗流期坝坡最小抗滑稳定安全系数。土体的抗剪强度指标根据规范要求进行选取,大坝稳定渗流期采用有效应力法,水库水位降落期采用总应力法。经计算,大坝坝坡稳定计算成果见表5。

表5 坝坡稳定安全系数成果表

由表5 计算结果看出,加固后大坝的迎水坡和背水坡在各种工况下,其抗滑安全系数均大于规范允许最小安全系数,因此,更鼓楼水库大坝坝坡抗滑稳定安全系数均满足现行设计规范的要求[5]。

5 结论

更鼓楼水库大坝除险加固主要根据大坝实际情况进行设计,对主、副坝坝顶路面进行重建,主坝排水棱体拆除重建,坝体进行高压喷射灌浆,副坝原防浪墙采用C25 砼加高等。大坝除险加固工程完工后,大坝存在的安全隐患得以消除,不仅满足现行设计规范要求,同时,水库安全稳定性得到提高。