三河口水庫大壩工程除險加固設計要點分析

李澤英

摘 要：大壩是中小型水庫除險加固的主體工程，在保障水庫安全運行中發揮著重要作用。文章基于工程實際，對小型水庫的大壩工程加固設計進行分析，旨在豐富病險水庫設計經驗，指導類似工程設計。

關鍵詞：三河口水庫，大壩工程，滲流分析，加固設計

中圖分類號：TV698.243 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0165-02

1 工程概況

三河口水庫地處聞喜縣后宮鄉三河口村，位于涑水河流域沙渠河支流上，控制流域面積41.5 km2， 清水基流0.08 m3/s。水庫原設計防洪標準為：五十年一遇洪水設計，百年一遇洪水校核，總庫容325.7萬m3，設計灌溉面積1.5萬畝。下游保護范圍包括汾村、下院等13個村莊1.2萬多口人、1萬畝耕地及25家企業，是一座以防洪、灌溉為主的?。?）型水庫。三河口水庫大壩為碾壓均質土壩，最大壩高32.3 m，壩頂長260 m，壩頂寬4.0 m，壩頂高程739.3 m，防浪墻高1.2 m?？値烊?25.7萬m3，調洪庫容138.7萬m3，興利庫容167萬m3，死庫容20萬m3。水庫樞紐工程由大壩、灌溉洞、溢洪道三部分組成。2008年6月，大壩被鑒定為三類壩，屬病險水庫。

2 大壩工程加固設計

2.1 滲流計算及滲透穩定分析

2.1.1 滲流水位組合及典型斷面

由于校核情況泄空排沙歷時很短，庫水位降落后，浸潤線才開始變動，可作為恒定滲流處理，所以滲流計算中不考慮庫水位下降的情況。因此水位組合考慮以下三種情況：興利水位（733.2 m）與下游相應的最低水位；設計洪水位（736.56 m）與下游相應的水位；校核洪水位（737.2 m）與下游相應的水位。選擇壩體高度最大斷面作為典型斷面進行分析計算，典型斷面選取大壩0+130斷面。

2.1.2 滲流計算方法

滲流計算采用北京理正軟件設計研究院編制的《滲流分析軟件》進行。滲流計算采用平面有限元計算方法，有限元滲流分析是對大壩的滲流場進行模擬，分析典型斷面的滲透穩定性。

滲流有限元分析基本方程式如下：

KH+M■=Q

其中，K為透水系數矩陣，H為總水頭向量，M為單元儲量水量矩陣，Q為流量向量，t為時間。

大壩滲流場的假定條件：滲流場計算按平面場問題考慮。

2.1.3 滲流計算成果

滲流計算成果表，見表1。

滲流計算結果表明，滲透穩定，但滲流量偏大，需要進行防滲處理。

2.2 穩定分析

根據《碾壓土石壩設計規范》（SL 274-2001）的要求，大壩穩定計算應包括正常和非常兩種情況：

正常運用工況，興利水位時，下游壩坡穩定，庫水位在興利水位驟降時，上游壩坡穩定；

非常運用工況，在校核洪水位，壩體形成穩定滲流時下游壩坡穩定，在校核洪水位驟降時，上游壩坡穩定，在興利水位遇地震時，上、下游壩坡穩定。

2.2.1 計算方法

穩定分析采用簡化畢肖普法，按有效應力法進行計算，計算公式為：

K=■

式中：W—分別為水平和垂直地震慣性力，（向上為負，向下為正），（kN）；

u—作用于土條底面的孔隙壓力，（kN）；

a—條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，（°）；

b—土條寬度，（m）；

c、φ—土條底面的有效應力抗剪強度指標，（kPa，°）

Mc—水平地震慣性力對圓心的力矩，（MN·m）。

2.2.2 計算成果

由土石壩邊坡穩定分析程序計算，可得各種工況下的上、下游壩坡穩定系數，見表2。由計算結果可知，在正常和非常條件下，大壩的上游壩坡的穩定安全系數均大于規范允許值，滿足要求，但下游壩坡安全系數均小于規范允許值，需進行加固處理。

2.3 壩頂及下游壩坡加固

根據《碾壓土石壩設計規范》SL 274-2001第5.4.1條，壩頂寬度應根據構造、施工、運行和抗震等因素確定，如無特殊要求，中、低壩頂部寬度可選為5～10 m，三河口水庫大壩32.3 m高為中壩，現壩頂寬為4 m，本次培厚至5 m，以滿足穩定及交通要求。

2.3.1 壩 頂

根據調洪演算和壩頂高程復核，本次不需設置防浪墻。但三河口水庫大壩壩頂沉陷，現有防浪墻已局部拉裂傾斜，結合本次防滲加固處理，考慮到美觀及安全，對拉裂傾斜的防浪墻拆除重建。防浪墻墻高1.0 m，頂寬0.5 m，底寬1.5 m，采用M7.5水泥砂漿砌石，墻頂為現澆C15混凝土壓頂，厚0.15m。壩頂路面鋪設厚0.25 m厚的泥結石路面，從上游至下游放1%的橫坡。

2.3.2 下游壩坡培厚

下游壩坡1：2～1：2.5，壩坡抗滑穩定不滿足規范要求，進行培厚放緩處理，由原來的1：2變為1：2.5、1：2.5變為1：2.75，培厚部分鋪底厚11.2 m，收頂厚1.0 m，分層碾壓，馬道寬分別為1.5 m、2.0 m；壩腳增設棱體排水，反濾層頂寬2.0 m，高4.4 m，分三層，依次為0.2 m砂礫石層、0.2 m碎石層、0.4 m塊石層。下游壩坡設排水溝，縱向排水溝設在馬道內側，采用現澆C15混凝土結構，溝深30 cm，寬30 cm，側墻與底板均為10 cm厚。為檢修方便，下游壩坡增設預制C15混凝土臺階一道，臺階高12～15 cm，寬 100 cm。

2.3.3 大壩上游壩坡陷坑處理

大壩上游陷坑位于灌溉洞頂部，樁號0+105～0+150段，高程在729～732.3 m之間，沿壩軸線走向呈長條形，長45 m，寬 10 m，沉陷深0.7 m，面積315 m2；首先清除壩體上的雜草，拆除原有的干砌石護坡及反濾層，對陷坑周邊進行開挖，深0.7 m，開挖邊坡不小于1：1.5，對坑底夯實后分層回填，使其壓實度不小于96%，然后整修至設計斷面，再進行反濾層及干砌石護坡。護坡從上至下為干砌石厚0.3 m、砂礫石0.15 m（d=10～40 mm）、粗砂0.15 m（d=1～20 mm）。護坡塊石每塊重量為10～15 kg，鋪砌時，盡量利用原有合乎要求的護坡塊石。塊石間應接合緊密，空隙處用小石塊嵌緊。

2.3.4 大壩防滲加固設計

大壩為均質壩，上游邊坡為1：2.5和1：3，庫區淤積面高程為721 m，厚度已達14 m，本次拆除上游護坡，并對上游壩面進行整修后，重新進行護砌防滲，范圍為現狀淤積面721m以下1.0m至壩頂736.8 m。坡面采用0.3 m厚干砌石護面，干砌石下部為0.15 m厚碎石和0.15 m粗砂墊層，粗砂墊層下部為滌綸長絲復合土工膜。在壩坡腳處設干砌石護腳，底寬1.0 m，邊坡1：1，深1.15 m。大壩防滲加固的目的是改善壩體的透水性。

通過加固減少壩體的透水性，阻止滲水，防止流土的發生，設計選用復合土工膜。復合土工膜具有較好的防滲效果，一方面將復合土工膜鋪設在上游壩坡面上，利用自身的連接形成完整的防滲體，另一方面使坡面鋪設的復合土工膜的下部平鋪后與壩前淤土組成防滲面層，可以有效延長壩前淤土滲徑，降低壩體浸潤線，達到防滲效果。

另外，復合土工膜上部與防浪墻的上游基礎連接，壩體與溢洪道、輸水洞連接處將復合土工膜與建筑物混凝土連接，使坡面復合土工膜形成一個整體封閉的防滲體系。

2.3.5 大壩加固后穩定分析

大壩現狀抗滑穩定分析說明大壩上游壩坡穩定是安全的，防滲加固后的大壩只進行下游壩坡穩定分析，結果見表3，計算結果表明加固后下游壩坡安全系數均大于安全允許值，滿足規范要求。

3 結 語

大壩的滲流穩定性分析是水庫大壩設計的關鍵。另考慮該碾壓式均質土壩，最大壩高32.3 m，現狀沒有任何觀測設施，工程還需要根據本工程的特點和地質條件，進行大壩觀測進行合理的工程設置。

參考文獻：

[1] SL 274-2001，碾壓土石壩設計規范[S].

[2] 林繼鏞.水工建筑物（第五版）[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

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[4] 吳持恭.水力學（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2010.