中小型水库大坝除险加固方案的设计及其实施效果
时间：2023-04-15 13:50:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
鹿 阳
（山东省淮海建设管理集团有限公司，山东 济南 250100）
水库工程是同时兼具防洪、抗旱、发电、灌溉、航运等多种功能为一体的重要民生工程，中小型水库工程在我国各地区分布十分广泛，但部分中小型水库工程由于建设年限较长，安全系数大幅下降。应用科学的除险加固措施提高中小型水库工程的抗滑稳定能力，对保障民生具有重要意义。本文以河北省秦皇岛市某水库工程为例，介绍中小型水库大坝除险加固方案、设计及其实施后取得的效果。
1.1 水库概况
河北省秦皇岛市某水库工程属防洪灌溉水利工程性质，工程等级为V级，主要建筑物和次要建筑物级别都为5级。坝址以上控制流域面积1.2km2，主河道长度1.7km，河道比降52.5‰。该水库建设时间距今已有46年，水库枢纽工程主要包含溢洪道、大坝和放水洞三部分，其中溢洪道采用开敞式宽顶堰设计，堰顶高27.0m，顶宽10.6m，最大泄流量为91m³/s；
大坝坝高12.0m，坝顶高程30.0m，坝顶宽4.0m，坝顶轴线长80m。放水洞采用涵管形设计，涵管直径0.3m，最大泄流量为0.2m³/s。该水库工程中溢洪道和放水洞都建于大坝左侧，大坝采用土坝设计，坝体主要使用低液限黏土（Q4ml）和填土（Q4ml）进行建设，坝基主要使用寒武系强风化白云质灰岩、武系中风化白云质灰岩进行建设。在建设及后期维护性地质勘测活动中发现，该水利工程建设区域中无大型塌滑体、活动断层等地质构造，大坝在蓄水过程中可能受地质原因而发生垮塌的概率较低。
1.2 水库大坝存在的主要问题
该水库工程建设时间较久，上下游坝坡均设有干砌石护坡，护坡结构示意图如图1所示。但在多年蓄水使用过程中，大坝上下游干砌石护坡均有一定风化、石块松动或脱落情况，部分坝体间有灌木生长，坝顶年久失修，杂草丛生。2018年，该水库工程所在地区主管部门对其安全性进行鉴定中发现，大坝蓄水过程中坡脚、坝坡均无渗漏情况，下游坝坡具有稳定渗透能力，渗流安全性评级获得A级，但上下游坝坡抗滑稳定能力较差，评选等级为三级，综合抗洪能力不符合设计标准，评选等级为C级。为提高该水库工程的综合抗洪能力和抗滑稳定能力，亟须对大坝进行除险加固。
图1 大坝上下游坝坡示意图
目前可应用于中小型水库大坝加固的工程手段主要包含加高坝体、增加大坝泄洪渠道及综合改扩建等，还可根据实际情况结合两种工程手段共同对大坝进行加固[1]。该水库工程大坝仅左岸为坝坡设计，坝顶右岸直接连接乡道，邻近乡道周边有房屋建筑分布，坝顶原标高为30.7m，若采用加高坝体的工程加固方式，不仅需要对水库坝体进行加高，还需要拆除乡道周边房屋建筑，会增加额外的工程搬迁成本。水库工程溢洪道位于大坝左岸，无衬砌结构，建设时是通过直接开挖岩体成型，所在区域岩体综合属性较好，岩体硬度高，开挖难度大，若直接采用进一步开挖溢洪道堰顶岩体，扩大溢洪道直径，虽然能在一定程度上提高水库工程泄洪水平，但也会影响该水库工程的蓄水容量，在夏季涨水期可能会使下游受淹。在考虑各类坝体加固方案施工的可能性及加固效果后，最终决定以现有坝体为基础建设防浪墙，并依照《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）展开建设，以提高该水库工程的防洪能力[2]。设置防浪墙无需对坝顶结构进行更改，仅需防浪墙结构满足标准设计要求即可，一般情况下，大坝坝顶标高设计标准应高于最大蓄水水位0.5m，特殊情况下，坝顶标高至少应和静水位保持齐平。在设计防浪墙时，可直接应用大坝坝顶标高设计标准对防浪墙标高进行设计，通过实地调研和综合推演计算后发现，当将溢洪道堰顶标高向下开挖到26.5m标高时，水库校核洪水位高度为29.95m，未超过大坝当前坝顶高度，符合防浪墙建设标准，以此为基础计算出防浪墙标高应至少控制在30.8m，比大坝当前坝顶高0.8m。
同时，由于该水库工程大坝本身具有上、下游坝体抗滑稳定能力较差的情况，在建设防浪墙的同时，可通过工程手段减小坝体坡度，提高坝体的抗滑稳定水平[3]。由于大坝坡顶较窄，难以通过削坡方式减小坝体坡度，则本水库大坝除险加固工程采用培土方式减小坝坡坡度。坝坡培土施工中应用的土体种类需要根据大坝蓄水防洪使用需求进行调整，上游坝坡可使用黏土、壤土材料进行培土，以提高上游大坝坝体的防渗能力，减小大坝蓄水过程中的水土渗透情况；
下游坝坡则可使用具有良好透水能力的培土材料，避免下游需水量超出浸润线。对大坝坝体进行培土加固时，也需要同时考虑经济性原则，对下游坝体进行培土加固时，必然会导致大坝坝体整体向外侧偏移，需要征占更多农田，导致大坝除险加固整体成本上升[4]。因此，在采用培土加固坝体的工程手段时，可将上游坝坡作为主要培土目标，尽量避免对大坝坝顶现有宽度造成影响，下游大坝则可通过设置反压平台提高坝体的抗滑稳定能力[5]。
3.1 坝顶加固设计
通过计算，大坝下游坝顶防浪墙规格参数设为：墙体高0.8m，基础埋藏深度为1.0m，顶部宽度为0.5m。墙体施工材料选用M10F200水泥砂浆，墙体外露面使用M12.5F200水泥砂浆抹面，墙体伸缩缝设计间隔为10m，伸缩缝使用乙烯闭孔泡沫板进行填充。大坝坝顶因年久失修导致灌木、杂草丛生，坡顶道路破损较为严重，本次除险加固工程中对坝顶路面进行修复施工，采用泥结碎石路面施工方式，路面设计高程为30.0m，设计宽度为3.5m，总长度72.0m。坝顶路面上游和防浪墙相接，下游路面侧边设置路缘石。坡顶路面和大坝顶面高程一致，路面设计坡度为1.5%的单向排水结构。
3.2 上游坝坡加固设计
该水库工程大坝上游坝体需要通过培土方式进行加固，培土材料选用壤土，土壤塑性指数IP为10～15，渗透系数在1×10-5cm/s以内，土壤颗粒均匀，粒径超出5mm的砾石含量小于50%。培土后坝顶宽度不变，外坡比减小为1∶2.0，培土外侧建设厚度为0.3m的干砌石护坡及0.1m厚碎石垫层。培土施工采用分层碾压作业方式，每层碾压土壤厚度为30cm，压实率在96%以上。为保障坝体培土质量，还需在正式培土施工前清除坝体中潜藏的淤泥，可使用抛石挤淤法、换土垫层法等进行挤淤处理，保障坝体土壤压实效果，提高坝体的防渗透能力[6]。
3.3 下游坝坡加固设计
该水库工程下游通过建设反压平台提高大坝稳定性，对工程稳定性设计和计算，将反压平台顶部标高设为24.0m，顶部宽度设为4.5m。反压平台施工材料为优质块石，设计坡度比为1.0∶2.0，坝体底部开设规格为0.5m×0.5m（宽×深）浆砌石排水沟。但在工程实地考察中发现，由于大坝坝体下游可利用空间较小，难以在大坝下游设置排水沟，因此在实际施工中取消排水沟设计，并使用浆砌石替代原定放坡加固材料，下游坝坡加固设计参数更改为顶宽3.2m，坡度比更改为1.0∶1.5，大坝顶部标高数值不变[7]。另外，为确保大坝下游的排水能力，在大坝下游坝体中加设无砂混凝土管，设计间隔为5m，混凝土管直径为300mm，并在大坝底部增加随时排水体。
完成加固的水库大坝断面图如图2所示，《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）中要求水利工程大坝坝坡抗滑稳定系数应至少在1.15以上，非常运用条件下应至少在1.05以上，才能充分保障水利工程坝坡结构的安全性[8]。该工程在完成除险加固施工后，使用刚体极限平衡法中的瑞典圆弧法对大坝边坡稳定性进行验算，验算结果表明该水库工程等级为V级，主要建筑级别和次要建筑级别均为5级。使用国内某大学力学研究所研发的水工结构有限元分析系统软件，对大坝坝坡稳定性进行计算，验证大坝坝坡最小安全系数及是否存在不合规滑动面。在有限元分析中应用数据主要来自工程施工实际测量，详细数据如表1所示，该水库工程上、下游大坝抗滑稳定系数计算结果如表2和图3～图5所示。
图2 加固后大坝断面示意图
表1 大坝土层材料物理力学参数
表2 大坝上、下游坝体抗滑稳定安全系数计算值
图3 正常蓄水位下游坝坡滑动示意图
图4 设计洪水位下游坝坡滑动示意图
图5 校核洪水位下游坝坡滑动示意图
从表2和图3～图5可知，经除险加固施工后的水库大坝在不同蓄水、抗洪使用条件下，抗滑稳定安全系数均符合国家工程设计规定，说明本次除险加固施工工程设计及施工效果良好，综合抗洪能力和抗滑稳定能力得到提高。
本文针对河北省秦皇岛市某水库工程建设时间较久，综合抗洪能力不符合设计标准的情况，对坝顶、上游坝坡和下游坝坡按照加固方案进行设计。加固方案实施后，采取科学手段进行验证，结果表明：加固后水库大坝在不同蓄水、抗洪使用条件下，抗滑稳定安全系数均符合国家工程设计规定。这说明本次除险加固施工工程设计科学合理，施工效果良好，保证了大坝综合抗洪能力和抗滑稳定能力的提高，达到了预期的设计效果。
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