葦子溝水庫大壩除險加固設計

陳延生

(海城市水利工程建設質量安全監督站，遼寧 海城 114200)

葦子溝水庫大壩除險加固設計

陳延生

(海城市水利工程建設質量安全監督站，遼寧 海城 114200)

我國的水利建設處于快速發展的時期，水庫的使用也越來越多。修建水庫大壩成為人們現在關注的問題。水庫壩體的防滲加固問題一直是水庫除險加固施工中尤為重要的環節。當水庫大壩的基礎地質較差滲透性較強時，在水流的作用下對大壩體及基礎的危害很大。文章就海城市葦子溝水庫為例介紹了水庫大壩除險加固設計及分析計算，為大家提供參考。

除險加固；安全評價；穩定分析；大壩

1 概 況

1.1 工程建筑物級別及防洪標準

葦子溝水庫位于海城市南部距市內32 km之遠的山區，英落鎮葦子溝村的前溝口，該水庫屬于大清河支流。

工程主要功能是以灌溉為主，結合防洪、養殖、供水等綜合利用的水庫。根據水庫洪水調節計算，正常蓄水位19.17 m，相應庫容為50.22 萬 m3；死水位13.8 m，相應庫容為4 萬 m3；設計洪水位20.42 m，相應庫容為74.4 萬 m3；校核洪水位20.76 m，相應庫容為81.88 萬 m3。確定水庫工程規模為小(2)型水庫。

葦子溝水庫現工程規模：工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級。樞紐工程主要建筑物防洪標準見表1。

表1 主要建筑物防洪標準

1.2 工程現狀及存在問題

大壩壩型為黏土心墻，壩頂高程22.45 m，壩頂寬3.5 m，上游壩坡坡比為1∶2.8，下游壩坡坡比為1∶2.7，大壩長290 m。在水庫上游山上有青山懷鎂礦，山坡多為雜草，少有松樹，植被情況較差，水土流失較重[1]。

大壩迎水坡護坡石已有局部變形，損壞嚴重，背水坡碎石護破損嚴重，覆蓋不好。排水棱體破損嚴重。防浪墻局部破損，防浪墻上的照明燈已全部壞損。

2 除險加固設計方案

大壩上游采用干砌石護坡，壩頂砂石路面，維修防浪墻，對下游壩坡采用碎石護坡，重修排水棱體[2]。入庫公路長度1.5 km，寬4 m。

3 設計與計算分析

3.1 壩頂高程

3.1.1 大壩高程現狀與水位

大壩壩頂高程現狀與本次加固設計水位見表2。

表2 加固設計方案特征水位

3.1.2 壩頂高程確定

葦子溝水庫為黏土心墻壩，壩長290 m，壩頂高程22.45 m。心墻頂高程21.45 m，心墻頂寬3 m。防浪墻頂高程23.45 m。

大壩壩頂高程按《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)規定等于水庫靜水位與壩頂超高之和，并按以下運用條件計算，取其最大值：設計洪水位加正常運用情況的壩頂超高；校核洪水位加非常運用情況的壩頂超高[3]。

計算公式為：

y=R+e+A

(1)

式中：y為壩頂超高，m；R為最大波浪在壩坡上的爬高，m；e為最大風壅水面高度，m；A為安全加高，m。

波浪爬高R計算：

本次壩頂超高復核風浪要素的計算采用莆田試驗站公式。

1)平均波高hm計算公式為：

(2)

式中：hm為平均波高，m；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；Hm為水域平均水深，m；D為風區長度，m；W為計算風速，m/s，設計洪水位取1.5倍的多年平均年最大風速，校核洪水位取多年平均年最大風速。

2)平均波長Lm按計算公式為：

(3)

式中：Lm為平均波長，m；Tm為平均波周期，按公式Tm=4.438hm0.5計算；H為壩迎水面前水深，m。

3)波浪爬高RP計算：

平均波浪爬高Rm采用計算公式為：

(4)

式中：Rm為坡前波浪的平均波高，m；m為單坡的坡度系數，若坡角為α，即等于cotα；m=2.5；K△為斜坡的糙率滲透性系數；護面類型為砌石護坡，K△=0.77；KW為經驗系數；設計波浪爬高RP，按爬高分布進行換算，該工程為4級建筑物，確定波高累積頻率P=5%。

風壅水面高度e計算公式為：

(5)

式中：e為計算點處的風壅水面高度，m；D為風區長度，m；取1 000 m；K為綜合摩阻系數，取3.6×10-6；β為風向與水域中線的夾角，取β=0°；W為計算風速，m/s；Hm為水域的平均水深，m。

安全加高A：

根據《碾壓式土石壩設計規范》(S274—2001)表5.3.1取用：設計水位時，A=0.5 m,校核水位時，A=0.3 m。各計算工況壩頂高程計算成果見表3。

表3 各計算工況壩頂高程計算成果表

《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)規定當壩頂上游側設有防浪墻時，壩頂超高可改為對防浪墻頂的要求。但此時在正常運用條件下，壩頂應高出靜水位0.50 m；在非常運用下，壩頂應不低于靜水位[4-5]。

加固設計繼續采用防浪墻擋水，大壩現有壩頂高程22.45 m，防浪墻頂高程為23.45 m。從計算結果可以看出，壩頂高程理論計算值為21.91 m，小于現有防浪墻頂高程；校核洪水位20.76 m，低于現有壩頂高程；設計水位20.42 m，低于壩頂高程2.03 m。

3.2 防滲體尺寸確定與復核

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)對防滲體結構規定，當防滲體頂部高程設有防浪墻時，防滲體頂部高程可不受超高限制，但不得低于正常運用的靜水位。葦子溝水庫大壩防滲體頂高程21.45 m，大于設計洪水位20.42 m，滿足本次加固設計要求[6]。

葦子溝水庫地區最大凍結1.18 m。

黏土心墻頂保護層厚度1.0 m，不滿足規范防凍要求，本次加固設計不對現有防滲體高程進行調整，壩頂增加20 cm厚，滿足規范防凍要求，設計壩頂高程22.65 m。

3.3 壩體滲流及穩定分析

土壩整體質量良好，黏土心墻性狀較好，未見大范圍軟塑狀態黏土層，黏土的塑性狀態沒有突變性分層情況，不排除局部存在小規模軟塑黏土夾層，但不影響心墻的防滲效果，仍具有良好的防滲性[7-8]。

黏土心墻與壩基基巖結合部位比較緊密，壩基巖性為絹云母片巖，夾有薄層石英巖，巖石片理、節理發育，強風化巖體中節理裂隙一般為張開狀，節理密集帶一般較發育。

水庫水可能通過心墻下方基巖裂隙帶向下游產生滲漏。

上游干砌石護坡與壩殼之間沒有鋪設過渡層，兩層顆粒大小相差懸殊，孔隙率相差極大，在庫水位變動及波浪作用下，極易發生接觸沖刷破壞，進而造成護坡塌陷變形或產生滑塌[9]。

綜合以上分析結果，葦子溝水庫的滲漏主要與壩基下方基巖裂隙發育程度及連通情況有關；上游壩坡塌陷變形與護坡下部缺少反濾層及水位變動沖蝕壩殼有關系，另外可能與當時設計的壩坡坡度大小及壩殼填筑質量有關。

3.3.1 大壩填筑材料評價

葦子溝水庫為典型的“三邊”工程，建設時無地質勘察資料。

2011年5月海城市水務局委托遼寧省水利水電勘測設計研究院對葦子溝水庫大壩的黏土心墻和壩殼砂礫料進行質量檢測，大壩土料檢測結果見表4。

表4 壩體土體物理力學參數建議值表

3.3.2 壩體滲流及壩坡穩定分析基本資料

擋水建筑物級別為5級，本次加固設計洪水標準為10 a一遇，校核洪水標準為20 a一遇。壩體滲流及壩坡穩定計算斷面選取最大壩高作為典型計算斷面[10]。

壩基巖體風化強烈，強度相對較低，節理裂隙發育，局部節理密集，順河床可能存在節理密集帶。鉆孔壓水試驗結果表明：壩基巖體大部分透水性較弱，一般透水率<10 Lu，局部存在中等透水性條帶，透水率可達30～50 Lu。

3.3.3 滲流計算

因水庫沒有成型的滲流觀測資料，無法進行滲流觀測分析，現采用理論計算的方法進行滲流分析。計算工況為正常水位19.17 m，設計洪水位20.42 m、校核洪水位20.76 m。對上述2種工況進行滲流穩定分析。

1)滲流穩定分析

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)規定，對土壩采用流體力學有限元法進行數值計算。

求解拉普拉斯方程：

(6)

式中：H為滲流平面域內水頭；Kx、Ky為土體x、y向滲透系數。

計算采用理正巖土計算5.0版《滲流分析計算》進行滲流分析計算。滲流穩定計算結果見表5。

表5 滲流穩定計算結果

滲流穩定分析結論：由計算成果表5可以看出，在各種工況下壩坡均滿足滲流穩定要求。

3.3.4 抗滑穩定分析

穩定計算方法根據規范(SL274—2001)規定，采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法計算壩坡抗滑穩定安全系數。

(7)

式中：c′、φ′為有效強度指標；b為條塊寬度；W1為在壩坡外水位以上的條塊實重；W2為在壩坡外水位以下的條塊浮重；Z為壩坡外水庫高出條塊底面中點的距離；u為穩定滲流期或水庫水位降落期壩體的孔隙水壓力；γW為水的容重；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中心點的半徑之間的夾角。

穩定計算方法根據規范(SL274—2001)規定，采用考慮條塊間作用力的簡化畢肖普法計算壩坡抗滑穩定安全系數。

邊坡穩定計算采用理正巖土計算5.0版《邊坡穩定分析》中的簡化畢肖普法，壩體邊坡穩定計算成果見表6。

表6 壩體邊坡穩定計算成果

3.4 大壩加固設計分析

大壩現狀壩頂高程、滲流穩定、壩坡穩定及沉降均滿足現行規范要求，因此，本次加固工程僅對大壩局部結構缺陷進行改造。

3.4.1 迎水面護坡改造

本次除險加固設計迎水坡干砌石護坡厚度為300 mm。本次加固增設20 cm厚粒徑20.00～40.00 mm碎石墊層。

經現場調查，原上游坡面塊石利用率為30%，用于排水棱體砌石維修及溢洪道下游拋石護坦。

考慮到能夠充分利用廢棄塊石量，減少外運運距并節省投資，將其剩余的大部分干砌石石料拋在死水位以下，拋石施工應在水庫放水后，進行水下勘察確定拋石位置。

根據大壩上游護坡破壞情況，本次加固設計對死水位13.8 m以上大壩迎水面護坡石進行更換。

3.4.2 壩頂改造

保持原壩頂寬度3.5 m，將原漿砌石防浪墻拆除5處共100 m長用于護坡材料運輸上料口，完工后恢復。

增設壩頂砂石路面,砂石厚度0.38 m，寬3.5 m，增設路緣石，尺寸為高35 cm×寬15 cm×長100 cm。

3.4.3 下游護坡改造

由于背水坡碎石護坡破損嚴重，覆蓋不好，根據實際情況，決定采用碎石護坡。下游清除0.1 m厚腐殖土，回填0.1 m厚碎石；下游坡腳排水棱體已年久失效，本次設計下游排水棱體外部塊石拆除重建。

[1]吳曉娟.淺談水庫大壩除險加固設計[J].城市建設理論研究，2012(12)：67-69.

[2]周磊.水庫大壩除險加固設計中的大壩穩定及沈流計算[J].南水北調與水利科技，2010(07)：137-138.

[3]曾旭.七里壩水庫大壩除險加固設計[J].貴州水力發電，2007，21(06)：47-48.

[4]鄒世平，陳小林，余曉燕.佳音塔拉水庫大壩除險加固技術[J].中國西部科技，2008(29)：1-3.

[5]王聰輝.水庫大壩除險加固工程設計分析[J].科技風，2014(13)：143.

[6]張大偉，李雷.水庫大壩除險加固體制機制問題與對策思考[J].工程建設與管理，中國水利，2013(10)：31-36.

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1007-7596(2014)12-0160-04

2014-07-26

陳延生(1979-)，男，遼寧鞍山人，工程師，研究方向為節水灌溉、水工、移民等。

TV698.23

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