小型水庫大壩除險加固設計方案優化研究

王立彬 遲興 劉紅喜 佟敬魯

摘要：土石壩普遍存在壩體斷面尺寸不足、壩坡或壩體抗滑不穩定等問題。以石河流域王鐵莊水庫均質土壩為例，該大壩壩體斷面尺寸不足導致大壩上、下游壩坡抗滑穩定不滿足規范要求。針對此，結合大壩工程地質條件，對壩體加固方案進行了優化。結果表明：采取了上、下游壩坡加固措施后的壩體滿足穩定性要求，壩體加固設計方案合理。研究成果可為同類病險水庫加固提供參考。

關鍵詞：土石壩; 除險加固; 病險水庫; 王鐵莊水庫; 石河流域

中圖法分類號：TV698.23文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.011

文章編號：1006 - 0081（2022）05 - 0063 - 04

0 引 言

水庫對防汛減災、供水保障和農業灌溉等至關重要，而中國現有水庫大多數修建于20世紀50～70年代，雖然近年來已對近7.2萬座病險水庫進行除險加固，但仍有許多水庫陸續進入病險行列。“十四五”期間水庫除險加固和運行管護的總體要求是：堅持建管并重，加快推進水庫除險加固，消除存量隱患，建立健全常態化管理機制，提升運行管護能力和水平，實現水庫安全良性運行[1]，截至2025年底，對現有病險水庫要全部完成除險加固，并對新出現的病險水庫及時除險加固[2]。大量病險水庫的存在，不但影響水庫效益的發揮，而且還嚴重威脅下游人民生命財產及設施的安全，病險水庫已日益成為防洪體系中最為薄弱的環節和防洪安全的最大隱患，因此迫切需要對病險水庫進行除險加固[3]。病險水庫大壩以土石壩為主，而均質土壩和心墻壩又是病險土石壩中的主要壩型[4]。土石壩普遍存在壩體斷面尺寸不足、壩坡或壩體抗滑不穩定等問題[5-7]。土石壩壩坡的穩定加固方法主要有培土放緩壩坡和削坡放緩壩坡法，或加強壩體防滲和排水以增強壩坡抗滑能力[8-13]。本文以石河流域王鐵莊水庫的均質土壩為實例，開展病險水庫加固措施研究。

1 水庫概況

王鐵莊水庫位于河北省秦皇島市海港區，屬石河流域，是一座以防洪、灌溉為主的小（2）型水庫，工程等級為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級，次要建筑物級別為5級。壩址以上控制流域面積1.2 km2，主河道長度1.7 km，河道比降52.5‰。水庫總庫容10.2萬m3，興利庫容4.8萬m3，死庫容0.5萬m3。水庫設計洪水標準為20 a一遇，相應庫水位為28.31 m;校核洪水標準為200 a一遇，相應庫水位為29.95 m。該水庫于1974年開始興建，1975年建成蓄水。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、放水洞三大部分組成。大壩為均質土壩，壩頂高程為30.0 m，最大壩高12.0 m，壩頂寬4.0 m，壩頂軸線長80 m。溢洪道位于大壩左岸，為開敞式寬頂堰，堰頂高程27.0 m，堰頂寬度10.6 m，最大泄流量91 m3/s。放水洞位于大壩左岸，為涵管型式，涵管直徑為 0.3 m，最大泄流量0.2 m3/s。大壩壩體土層主要為：填土（Q4ml）、低液限黏土（Q4ml）。壩基土層為：寒武系強風化白云質灰巖、寒武系中風化白云質灰巖。根據區域地質資料、鉆探和物探結果可知：壩址一帶無大的地質構造和塌滑體，無活動斷層，區域地質構造相對穩定，對王鐵莊水庫壩體無危害性影響。

2 大壩存在的主要問題

王鐵莊水庫現狀大壩為均質土壩，現狀壩頂高程30.0 m，壩底高程18.0 m，壩高12.0 m，壩頂軸線長72 m，現狀壩頂寬度2.5～3.5 m。上游壩坡坡比為1∶1.2，設有干砌石護坡（圖1）;下游壩坡坡比為1∶1.2，也設有干砌石護坡（圖2）。經過多年沖刷，壩體上、下游壩坡巖石均有不同程度的風化，干砌石多處松動、部分塊石脫落，但基本完好，局部長有低矮灌木。壩頂無護砌，高低不平，雜草叢生。2017年8月，對王鐵莊水庫大壩進行安全鑒定，鑒定結果如下：大壩運行中，下游壩坡及壩腳無滲漏現象，大壩下游壩坡滲透穩定，壩體滲流安全性評定為A級;大壩現狀抗洪能力不滿足設計要求，防洪安全性評定為C級;大壩上、下游壩坡抗滑穩定條件不滿足規范要求，大壩結構安全性評定為C級;大壩安全鑒定為三類壩。2017年12月，河北省大壩安全管理中心對安全鑒定成果進行了核查，同意三類壩的鑒定結論。因此，亟需對王鐵莊水庫大壩進行穩定復核與加固設計。

3 壩體加固方案分析

針對王鐵莊水庫現狀大壩抗洪能力不足問題，可采取加高大壩、改擴建或增建泄水建筑物以及兩者相結合的工程措施。根據水庫實測地形圖，壩頂右岸鄉間道路與壩頂齊平，水庫右岸有民房及羊圈等，所處地面標高為30.7 m及以上，若加高大壩將增加移民搬遷費用，不符合實際條件。水庫現狀溢洪道緊鄰左岸大壩，在巖體中開挖而成，未襯砌。溢洪道左岸巖石堅硬、完整，擴挖難度大。若單一降低溢洪道堰頂標高加大泄流能力，將影響水庫興利庫容及相關效益，同時對下游淹沒影響也較大。綜合考慮，在現狀壩頂增設防浪墻。依據SL 189-2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》[14]，當壩頂上游側設防浪墻時，壩頂超高可改為對防浪墻頂的要求，但在正常運用條件下，壩頂應高出靜水位0.5 m;在非常運用條件，壩頂應不低于靜水位。經反復試算及調洪演算，確定當溢洪道堰頂標高降至26.5 m時，水庫的校核洪水位為29.95 m，低于現狀壩頂標高30.0 m，達到技術經濟條件。此時，壩頂超高經計算為0.84 m，由此確定防浪墻頂標高為30.8 m，即防浪墻在壩頂以上部分高度為0.8 m。

針對王鐵莊水庫現狀大壩上、下游壩坡抗滑穩定不滿足規范要求問題，可采取培土放緩壩坡、削坡放緩壩坡的工程措施。現狀壩頂寬度較小，無法滿足削坡放緩壩坡要求，故只能采取培土放緩壩坡措施。上游壩坡培土放緩加固，一般采用黏土、壤土料，可增加壩體防滲效果，降低壩體浸潤線及滲漏量;下游壩坡培土放緩加固，其下部培土應采用透水性好的材料，以降低下游壩體浸潤線。下游壩坡培土放緩加固勢必會向壩外擴充占地，增加征占費用。因此，在培土放緩壩坡加固時以現狀壩頂外邊緣線為準，在滿足壩頂寬度的條件下，以向上游壩坡培土放緩為主，同時為滿足下游壩坡抗滑穩定要求，在下游壩坡增設反壓平臺。

4 壩體加固方案設計

4.1 壩頂加固設計

在王鐵莊水庫大壩壩頂設置高0.8 m漿砌石防浪墻，頂寬0.5 m，基礎埋深1.0 m。防浪墻采用M10F200水泥砂漿砌筑，外露面采用M12.5F200水泥砂漿抹面，每10 m設一道伸縮縫，縫內填充聚乙烯閉孔泡沫板。壩頂無護砌，高低不平，雜草叢生，在壩頂修建泥結碎石路面，路面高程30.0 m，路面寬度3.5 m，厚度20 cm，長72 m。泥結碎石路面上游側為防浪墻，下游側設路緣石，厚度15 cm，高度40 cm，頂面與壩頂路面齊平。壩頂路面采用單側向下游排水，坡度為1.5%。

4.2 上游壩坡加固設計

王鐵莊水庫大壩上游壩坡采用壤土料培厚加固處理，培厚加固后壩頂寬4.0 m，外坡比為1∶2.0，外坡設0.1 m厚碎石墊層、0.3 m厚干砌石護坡。回填壤土要求塑性指數Ip為10～15，滲透系數不大于1×10-5? cm/s，壤土中大于5 mm的礫石粗料含量不超50%，黏粒含量為15%～25%。分層碾壓，分層厚度為30 cm，壓實度不小于96%。壩前淤泥土采用換土墊層法、預壓砂井法、拋石擠淤法等措施進行處理，以提高施工區域淤泥地基土的抗剪強度與穩定性，降低土的滲透性，使地基沉降在施工允許范圍之內。

4.3 下游壩坡加固設計

王鐵莊水庫大壩下游壩坡設置反壓平臺，經穩定試算分析，確定反壓平臺頂標高為24.0 m，頂寬為4.5 m。反壓平臺采用塊石堆筑，外坡比為1∶2.0。壩腳設置漿砌石排水溝，在最低處設出口排除滲水，排水溝底寬0.5 m，深0.5 m。后經現場確認，壩下游可利用空間不足，因此在保證下游壩坡抗滑穩定的條件下，將放坡加固體材料改為漿砌石，頂標高不變，頂寬變為3.2 m，坡比變為1∶1.5，取消壩腳排水溝。加固體改為漿砌石后，為排出壩體及壩基的滲水，沿現狀壩坡每隔 5 m設置一道直徑300 mm的無砂混凝土管，沿現狀壩腳設置一道碎石排水體，混凝土管及碎石排水體外包一層400 g/m2的土工布。

5 壩體加固后穩定分析

壩體加固后斷面見圖3。壩坡穩定計算采用剛體極限平衡法中的瑞典圓弧法進行分析。工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級，根據SL 189-2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》[14]要求，壩坡抗滑穩定最小安全系數在正常運用條件下應不小于 1.15，非常運用條件下應不小于 1.05。采用河海大學工程力學研究所開發的水工結構有限元分析系統軟件中的穩定分析模塊進行計算分析。壩坡穩定計算采用優選法找出最危險滑動面及最小安全系數。壩體主要土層物理力學指標依據王鐵莊水庫大壩地質勘察報告中建議數據選取，見表1。不同荷載組合工況條件下大壩上、下游壩坡抗滑穩定計算成果見表2和圖4～7。

通過計算分析可知，水庫大壩壩體加固后在各種運用工況下，大壩上、下游壩坡抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，表明壩體加固設計方案合理。

6 結 語

王鐵莊水庫土石壩因壩體斷面尺寸不足導致大壩上、下游壩坡抗滑穩定不滿足規范要求，結合大壩工程地質條件，針對大壩壩體存在的主要問題，對壩體加固方案進行了優化設計。加固后壩體穩定分析結果表明：大壩上、下游壩坡抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，壩體加固設計方案合理。

參考文獻：

[1] 2025年全面完成現有病險水庫除險加固[EB/OL].（2020-11-30）[2021-05-05].http：//www.scio.gov.cn/32344/32345/42294/44378/zy44382/Document/1693557/1693557.htm

[2] 李克強主持召開國務院常務會 要求按時間表抓緊做好區域全面經濟伙伴關系協定落地實施國內相關工作等[EB/OL].（2020-11-18）[2021-05-05].http：//www.gov.cn/premier/2020-11/18/content_5562388.htm

[3] 鈕新強.水庫病害特點及除險加固技術[J].巖土工程學報，2010，32（1）：153-157.

[4] 童學衛，趙春.大中型病險水庫典型病害原因初步分析[J].水利建設與管理，2015，32 （12）：66-70.

[5] 王萍，夏仲平.病險水庫除險加固中的主要技術措施[J].人民長江，2006，37 （8）：87-88.

[6] 盛金保，李雷，王昭升.我國小型水庫大壩安全問題探討[J].中國水利，2006 （2）：41-43.

[7] 馬志強.我國水庫大壩病險類型和成因機制分析[J].人民長江，2013，44 （增1）：171-173，181.

[8] 陳衛國.病險土石壩加固工程主要方案確定方法及處理措施[J].水科學與工程技術，2009 （5）：28-31.

[9] 王春山.水磨溝水庫壩體除險加固設計分析[J].內蒙古水利，2019 （6）：26-27.

[10] 劉玲玲.曲靖市越州鎮煞盤溝壩塘壩體除險加固設計分析[J].云南水力發電，2020，36（2）：91-96.

[11] 陳 輝.水庫工程中壩體加寬培厚的施工技術[J].陜西水利，2015 （增1）：54-55.

[12] 項瓊.某水庫除險加固工程壩體方案比選[J].云南水力發電，2014，30（6）：82-83，177.

[13] 李棟. 某土石壩加固設計與有限元計算研究[J].水利規劃與設計，2018 （9）：174-176.

[14] SL 189-2013? 小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范[S].

（編輯：江 文）

Optimization of danger remove and reinforcement design scheme for dam?in Wangtiezhuang Reservoir， Shihe River Basin

WANG Libin1 ， CHI Xing2 ， LIU Hongxi1 ， TONG Jinglu1

（1. Shenkan Qinhuangdao General Engineering Design & Research Institute Corporation， MCC， Qinhuangdao 066004，China;

2. Water Affairs Bureau of Haigang District， Qinhuangdao 066000，China）

Abstract：There are some problems in the earth -rock dam in general， such as the insufficient dam cross-section size and the anti-sliding instability of dam slope or dam body. The dam of Wang Tiezhuang Reservoir in the Shihe River Basin is a homogeneous earth one，? the anti-sliding stability of upstream and downstream dam slopes did not meet the code requirements due to the insufficient dam cross-section size. Therefore，combining with the engineering geological conditions of the dam， the dam reinforcement scheme was optimized. The results showed that the dam body met the stability requirements after the reinforcement measures of upstream and downstream dam slopes were taken. The reinforcement design scheme was reasonable， which could provide technical guidance and reference for the study of similar reinforcement measures.

Key words： earth-rock dam; danger remove and reinforcement; dangerous reservoir ; Wangtiezhuang Reservoir;Shihe River Basin

收稿日期：2021-07-08

作者簡介：王立彬，男，高級工程師，主要從事水工結構設計方面的工作。E-mail：18003351983@163.com