淺談小型水庫土石壩大壩除險加固設計

李丕清 湯躍武

【摘 要】結合紅星水庫病險水庫工程大壩的缺陷和隱患,分析了小型水庫土石壩除險加固的原則,加固設計的原理及方法,并提出了適宜該工程的除險加固設計方案。

【關鍵詞】水庫大壩;除險;加固

中圖分類號： P334 文獻標識碼： A

1設計依據

南華縣紅星水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水涵洞等建筑物組成。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252—2000）規定，樞紐工程為Ⅴ等，主要建筑物為5級，次要建筑物為5級。樞紐工程洪水標準采用20年一遇（P＝5.0%）洪水設計，200年一遇（P＝0.5%）洪水校核，消能防沖設施洪水標準按10年一遇（P＝10%）設計。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2001），紅星水庫地區地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.45s，相應地震基本烈度為Ⅶ度，按《水工建筑物抗震設計規范》（SL203—97）規定，本工程地震設防烈度為Ⅶ度。

2工程總體布置

現樞紐工程主要由大壩、溢洪道和輸水涵洞組成。本次除險加固對大壩、輸水涵洞等建筑物在原工程布置的基礎上進行加固處理。溢洪道結構完好，由調洪計算可知紅星水庫保持原有調度方案（空庫度汛），可滿足200年一遇洪水標準，因此本次加固可不對溢洪道進行擴建。

經地勘查明，庫區、壩址區無不良地質體存在、庫岸穩定，針對地質勘探及安全鑒定揭露出來的工程病害，本著技術與實際相結合的原則及本次除險加固的資金情況，以大壩穩定和輸水涵洞加固為主，并對現有輸泄水建筑物進行加固、除險等工程處理，故本次除險加固推薦方案的工程項目為：

1）將壩體加高0.4m，壩頂寬設為7m，在壩頂面兩側設置路肩石，路面采用泥結石路面厚30cm，下設10cm碎石墊層。大壩下游壩坡削緩，下游壩1993.54至1985.54高程放緩為1:2.0，1985.54至1972.71高程放緩為1:2.5。下游壩坡填筑前需進行清理，清理厚度0.2—0.5m。新老壩體間的結合部采用中細砂做過渡層后再進行風化料培厚碾壓回填，壓實度大于97%，新建棱體排水。

2）結合已鋪設的上游防浪石將上游護坡從1992.04鋪設至壩頂。

3）封堵原有輸水涵洞，在水庫右岸新建輸水隧洞及豎井。

4）更換溢洪道閘門及啟閉設施。

5）完善觀測設施及管理設施。

3.大壩現狀情況

1設計基本資料

（1）水文、水利

根據水文水利分析計算，紅星水庫總庫容44.2萬m3(本次復核值)，調洪演算成果為設計洪水1991.32m，校核洪水位1993.11m，正常蓄水位1991.54m，汛前限制水位1978.2（死水位）。

(2)大壩壩體、壩基地質情況

大壩壩型為均質土壩，筑壩土料按就近取材的原則取料，成分為第四系殘坡積層及砂泥巖的全—強風化物。據本次探坑資料，壩體土料主要為褐黃色、褐紅色粉質粘土、含角礫粘土。

2大壩現狀分析

根據地勘提供的壩址地質剖面和各層基礎物理力學指標及水文分析計算成果進行滲流計算，壩體土料滲透系數采用室內實驗成果，計算滲透流量時土層滲透系數采用大值平均值，計算水位降落時的浸潤線采用小值平均值，設計采用的大壩滲流計算參數見表3－1。

表3－1大壩滲流計算參數表

壩體材料各參數采用地勘提供的建議值，各種材料的力學指標采用情況見表3－2。

表3－2壩體材料主要物理力學計算指標

根據地質資料，壩基全風化基巖J允基＝0.6～0.7，不易產生滲透變形破壞。但是壩基為強、弱風化泥巖，透水率（q）屬中等-弱透水層，存在一定的壩基滲漏問題。壩基雖不易產生滲透變形破壞，但是存在滲漏的可能。

根據《水利水電工程地質勘查規范》壩體土滲透變形判別，滲透變形類型為流土。流土型臨界水力坡降計算公式為Jcr=（Gs-1）(1-n）=(1.85-1)(1-0.418)=0.495

式中：Jcr——土的臨界水力坡降；

Gs——土顆粒密度與水的密度之比

n——土的孔隙率（%）

根據工程級別，取安全系數K(1.5-2.0),取1.5，故J允壩=0.495/1.5=0.33。

3大壩滲流穩定復核

1、滲流穩定復核

滲透量按有限透水地基上的均質土壩分段計算。滲透變形破壞的發生，不僅取決于水力坡降，而且與土的不均勻系數，土粒粒徑和級配、密度、滲透性能有關。紅星水庫大壩壩體（均質防滲體）土料為低液限粘土，土料顆粒大部分為細粒粘粒，其可能的滲透破壞形式為流土，根據《水利工程地質勘察規范》GB50287-99錄M.0.3流土臨界水力比降計算公式。據本次地質資料和現場勘察看，壩體可能的滲透破壞為流土，壩基接觸面允許水力坡降與壩體區允許水力坡降取相同標準。

壩體土料物理力學指標成果分析計算臨界水力比降，公式：

Jcr=(Gs-1)(1-N)

式中：Jcr—土的臨界水力比降

Gs—土的比重

N—土的孔隙率（%）

壩土：Jcr= (1.85-1)(1-0.418) =0.495

壩基：Jcr=0.65 (參考本次地質資料)

根據工程級別，確定相應的安全系數為1.5，求出允許水力坡降J允，結合滲流計算水力坡降計算值J實，進行滲透穩定判別。滲透穩定分析見表3—3。

表3—3 滲流計算關鍵部位滲流要素統計表

注：校核洪水位、設計洪水位均漫壩

根據滲流計算結果，在正常水位下壩體及壩基（計算深度8m）每晝夜單寬滲漏量合計為3.23m3/d.m，大壩壩體、壩基每年滲漏總量為3.55萬m3。占設計總庫容44.2萬m3的8.04％。

滲流計算有限元模型圖：

正常蓄水位流線與等壓線圖：

正常蓄水位可能發生滲透破壞位置圖：（與實測情況基本符合）

2、壩體防滲方案

本次針對壩體浸潤線過高和下游壩坡逸出點滲透坡降過大的問題，采取在下游壩坡增加排水棱體的措施就行加固。采用排水棱體可以起到濾土排水的作用有效避免高水位時可能產生流土型破壞。排水棱體可以起到穩定下游回填風化料的作用，同時下游回填風化料可以起到增加下游壩坡蓋重的作用，二者起到相互支持的作用。

4大壩壩坡抗滑穩定分析

1、基本參數的確定

根據地質建議值，壩土、壩基土抗剪強度綜合分析選定土料物理力學性質指標計算值見表3-4。

表3-4壩體及壩基土的土料物理力學指標

2、穩定計算

計算斷面：據大壩目前現狀，地質探坑的試驗成果，并結合回填壩料的組成、施工碾壓質量等，采用大壩壩體實測最大橫斷面作為壩體穩定計算的標準斷面。

計算方法和計算軟件：大壩穩定計算根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001），原壩體上游壩坡穩定分析工況為穩定滲流期和庫水位降落期的各種工況，下游壩坡穩定分析工況為穩定滲流期的各種工況。壩體穩定復核計算采用簡化畢肖普法，地震作用力按《水工建筑物抗震設計規范》中規定進行計算，滑弧土體的地震荷載按擬靜力法考慮，在土條上直接作用其地震慣性力只考慮順河流方向的地震作用。邊坡抗滑穩定分析計算采用采用中國水利水電科學研究院陳祖煜教授編制的《土石壩邊坡穩定分析程序STAB2005》。按表3-2指標，各種工況穩定計算結果如表3-5。

表3—5原壩坡抗滑穩定復核計算成果表

3、大壩抗滑穩定評價

從表3-3各種工況上游壩坡抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，下游壩坡不能滿足規范要求，因此，本次設計主要對下游壩坡進行加固處理，對上游壩坡進行局部維修處理。

4、大壩加固除險設計

根據安全鑒定結論及本次復核結果，針對大壩現存主要病害，大壩除險加固設計如下:

1）壩頂高程

紅星水庫壩頂高程經復核取為1993.94，在原有壩頂高1993.54的基礎上加高0.4m，壩頂寬為7m。

2）壩軸線

本次將對壩體下游面進行少量削坡，削坡后壩頂寬度變為7m，壩軸線向上游移動，移動后的壩軸線距離上游面3.5m，壩軸線長度不變為79.8m。

3）壩頂寬度

因壩頂有交通要求，實測壩頂寬度為8.4m左右，由于下游壩坡要從壩頂部開始修整，壩頂寬度整修為7.0m，與現狀道路寬度相當，壩頂采用泥結石路面（結構為碎石墊層10cm、泥結石路面30cm）。

4）壩坡

上游壩坡按坡比1：2.5不做調整,從1992.04高程至壩頂段無砌石護坡，鋪設前線進行壩面清理平整，然后依次鋪10cm粗砂、10cm碎石及30cm塊石。

下游壩坡進行放緩調整，從1993.54至1985.54段壩坡放緩為1：2.0，在1985.54處設置1.5m寬馬道，從1985.54至1972.71段壩坡放緩為1：2.5，1972.71以下設置棱體排水?；靥畈糠滞亮锨?，下游壩坡填筑前需進行清理，清理厚度0.2—0.5m，壩坡放緩填筑時新老壩體間用20cm作過渡層。

5）棱體排水體

下游壩腳新建倒濾體，倒濾體頂高程1972.71m，底高程1968.71m，頂寬2m,內坡比1:1.0，外坡比1:1.5，倒濾體外腳設梯形排水溝。

6）排水溝

本次加固在大壩下游壩體與岸坡交接處、馬道內側、棱體排水體底部設置排水溝，排水溝斷面及建筑材料詳見附圖。

7）大壩加固后壩坡穩定復核

①土料物理力學指標的擬定

大壩加固培厚所用風化料來源于庫區，根據地質工作的成果，地質建議采用的風化料物理力學指標為：最大干密度1.91g/cm3、最優含水量17.2%、比重2.79、滲透系數3.81×10-4cm/s、內摩擦角19.60、粘聚力39.2kpa。

②計算成果

根據《碾壓式土石壩設計規范》SL274—2001的規定和大壩除險加固的設計斷面以及上壩材料物理力學指標，進行加固斷面的壩坡穩定分析，其成果均滿足規范要求，詳見表3-6。

表3--6加固后大壩壩坡穩定分析成果表

從大壩抗滑穩定復核計算結果可知：經大壩除險加固工程處理措施后，大壩上、下游壩坡各種工況下的抗滑穩定安全系數均滿足規范規定的數值。

5. 結論

通過分析該工程的隱患所在,依據規范對大壩壩坡穩定、滲透穩定行了壩體尺寸的重新設計,并采用碾壓試驗等方法確定各項施工填筑參數,在迎水坡工程、背水坡工程、壩頂工程施工中嚴格按施工填筑參數控制壓實質量、鋪筑厚度、材質級配等各項指標。工程加固后至今運行良好,故實踐證明其所采取的除險加固措施取得了較好效果,值得推廣。