浅谈白梨坪水库土石坝除险加固设计

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【摘要】结合白梨坪水库工程的缺陷和隐患,分析了小型水库土石坝除险加固的原则,加固设计的原理及方法,并提出了适宜该工程的除险加固设计方案。实践证明,该工程加固效果较好,有效发挥了其防洪、灌溉等综合效益。

【关键词】土石坝、水库、除险、加固

中图分类号： TV2文献标识码： A

工程概况：

根据《防洪标准》（GB50201-94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2009）的规定，白梨坪水库是一座以防洪为主，兼顾水产养殖、灌溉等综合利用的小(2)型水库，工程等级为Ⅴ等，主要建筑物为5级。该水库于1958年10月动工兴建，1968年10月复建，1970年5月竣工；校核洪水位277.18m，总库容11.30万m3，最大下泄流量42.42m3/s；20年一遇设计洪水位276.65m，相应库容10.35万m3，最大下泄流量25.85m3/s；兴利水位275.30m，兴利库容6.03万m3，相应库容8.05万m3；死水位269.35m，死库容2.02万m3。水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道、输水洞三部分组成。大坝为均质土坝，现状坝顶高程278.60m~279.30m，坝顶宽2.6~3.0m左右，土路面。溢洪道位于左岸，开敞式，底宽约10m，长约95m，进口高程275.55m左右。输水洞位于大坝桩号0+057，洞长约35m，矩形浆砌无压涵洞，断面尺寸0.70×1.20m（高×宽），输水洞进口底高程269.35m。

工程存在问题

经现场检查，水库主要存在的问题有：

2.1 大坝

坝顶高低不平，无防浪墙及路沿石；上游坝坡不平整，高程275.5m以下为块石护坡，干砌石护坡粒径小，松动、脱落严重；背水坡为自然杂草护坡，坡面不平整，局部凹陷隆起；河槽段0+023～0+045坝体与坝基接触部位存在接触渗漏问题；右坝肩桩号0+096～0+126段下游坝基土形成临空面，高程271m以下坝基土潮湿。无排水沟、无上坝踏步、无水位等观测设施。

2.2 溢洪道

左岸边坡及底板岩性为弱风化花岗岩，岩石裂隙发育，边坡岩石破碎、松动，局部坍塌，底板上部有厚0.6～1.0m的石碴。右岸为干砌石挡墙，基础座于弱风化花岗岩上，挡墙裂缝，下游约20m坍塌。

2.3 输水洞

输水洞进口为斜卧管，碳化剥落严重，结构变形，有漏水现象，出口损坏。

除险加固方法的选用原则 ：土石坝虽然坝型常见, 但由于其工程情形复杂,机具、材料等条件多变,并且各项具体的除险加固方法很多都有其特定的适用范围和局限性,因此,对每一具体工程病害都应进行仔细分析。应从工程病害情况、除险加固要求(包括加固后工程应达到的各项指标、加固范围、加固进度等)、工程费用以及材料、机具来源等各方面进行综合考虑。确定土石坝加固方法时,应根据工程病害的具体情况对几种加固方法进行技术、经济、施工比较,选择技术上可靠,经济上合理,且能满足施工要求的除险加固方法。

工程的除险加固设计：

4.1 坝顶工程

本次除险加固，大坝全长134m（0-002~0+132），坝顶高程278.80m，坝顶宽3m。沿坝顶上、下游两侧新建路沿石。路沿石为C20砼矩形结构，宽20cm，高60cm，埋深40cm。坝顶为厚20cm的泥结碎石路面，路面倾向下游2%。

4.2 上游护坡工程

本次除险加固工程对大坝原有干砌石护坡全部拆除，坝坡整修坡比为1:2，将大坝迎水坡整修至设计断面，迎水坡高程270.15m以上至坝顶278.80m采用现浇C20混凝土护坡，坡比同坝坡坡比。

4.2.1 大坝迎水坡混凝土护坡厚度计算

波浪的平均波高和平均波周期采用莆田试验站公式计算

式中：hm——平均波高，m；

Tm——平均波周期，s；

W——计算风速，m/s；

D——风区长度，m；

Hm——水域平均深度，m；

g——重力加速度，9.81m/s2。

平均波长Lm计算公式：

混凝土护面板计算厚度公式为：

式中：t——混凝土护面板厚度，m；

η——系数，对整体式大块护面板取1.0；

Hp——累计频率为1%的波高，m；

b——沿坝坡向板长，m；

ρc——板的密度，t/m3；

Lm——平均波长，m。

计算t=0.089m，根据大坝护坡设计经验，并考虑施工等因素，混凝土护坡厚度采用12cm。

4.2.2 现浇混凝土护坡型式

现浇混凝土厚12cm，设计尺寸为1.9×1.9m，四周设置10cm宽无砂砼填缝。砼面板每隔8m设伸缩缝一道，填缝材料为聚乙烯闭孔泡沫板。在护坡坡脚及两侧岸坡处设宽0.6m，高0.8m的浆砌石齿墙，坡脚齿墙底高程269.35m，浆砌石齿墙每隔10m设伸缩缝，填缝材料为聚乙烯闭孔泡沫板。

背水坡整修工程

5.1 下游坝坡培厚工程

经坝坡稳定计算，下游坝坡稳定安全系数不能满足规范要求。本次除险加固对下游坝坡进行培厚，在高程267.00m处设3m-7.5m宽平台，平台以上坝坡整修坡比为1:2，植草护坡；平台以下坝坡整修坡比为1:2，新建贴坡排水体。坝坡整修时应先清除坝体表面的草皮、石渣、块石，清理厚度不低于0.3m，坝面清理干净，老土和新土拌合后，夯实第一层。然后按设计边坡回填，粘性土压实度不小于0.96，非粘性土相对密度不小于0.72；回填时严格控制含水率和铺筑土层厚度。

坝坡整平后，表面采用草皮护坡。草籽种类应选择低茎蔓延的爬根草。按照整理坝坡、播撒草籽和洒水养殖的工艺流程进行施工。草皮种类应选择低茎蔓延的爬根草，不得选用茎高叶疏的草种。

5.2 坝坡排水沟工程

本次除险加固工程共新建排水沟6条，总长305m。其中：横向排水沟2条，总长34m；纵向排水沟1条，长38m；岸坡排水沟2条，总长165m；坡脚排水沟1条，长68m。排水沟均采用Mu60M7.5浆砌石砌筑，外用2cm厚1:2砂浆抹面。纵向排水沟采用矩形断面，底宽40cm，深40cm；横向排水沟底宽30cm，深30cm；岸坡排水沟为梯形结构，底宽40cm，深40cm两侧坡比均为1：0.3；浆砌块石每隔10m设横向伸缩缝一道，填缝材料为聚乙烯闭孔泡沫板。

5.3 贴坡排水体工程

针对河槽段存在的接触渗漏问题，采用贴坡排水体导渗方式进行加固处理。本次除险加固工程在桩号0+030~0+071段新建贴坡排水体导渗工程，排水体顶部高程267.00m，顶宽3.0-7.5m，坡比1:2；贴坡排水体下设粗砂碎石混合料30cm，上部为干砌块石厚30cm。排水体末端设排水沟，沟底宽40cm，高40cm，外侧坡比为1:0.3。

5.4 上坝踏步

为便于工程管理，在下游坝坡平台以上桩号0+050处新建上坝踏步一条。平台一下踏步采用C20砼结构，总宽2.5m，净宽2.0m，厚度0.12m。踏步两侧挡块高出大坝坡面0.1m。

大坝除险加固后结构稳定及渗流计算

坝体及坝基采用防渗处理以及大坝坝坡修整以后，对原坝体的渗流的和稳定均产生影响。计算断面采用大坝0+032，0+046断面进行计算。按除险加固后情况建立计算模型。

计算工况：

A．库水位为兴利水位275.30m，下游无水；

B．库水位为设计洪水位276.65m，下游无水。

坝体及坝基渗透系数建议采用值为：

A．坝体 Ks=7.84×10-5cm/s

B．风化砂 Ks=3.85×10-4cm/s

C．坝基土 Ks=5.01×10-5cm/s

典型断面渗流计算采用《堤防工程设计规范》GB 50286-98附录E.3透水堤基均质土堤渗流计算公式。

经计算，兴利水位稳定渗流浸润线出逸点高程266.02m，下游坝坡出逸点坡降0.38。设计洪水位稳定渗流工况浸润线出逸点高程266.58m，出逸点坡降0.38。两种工况下，下游坝坡及坝基靠近坡脚处出逸坡降0.42左右，设计在贴坡排水体下设反滤层，所以认为出渗流满足规范要求。

结论 通过分析该工程的隐患所在,依据规范对大坝坝坡稳定、渗透稳定行了坝体尺寸的重新设计,并采用碾压试验等方法确定各项施工填筑参数,在迎水坡工程、背水坡工程、坝顶工程施工中严格按施工填筑参数控制压实质量、铺筑厚度、材质级配等各项指标。工程加固后至今运行良好,故实践证明其所采取的除险加固措施取得了较好效果。

参考文献：

［1］中华人民共和国水利部 . 《防洪标准》（GB50201-94） . 北京：中国计划出版社，1994

［2］长江水利委员会长江勘测规划设计研究院 .《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2009） .北京 . 中国水利水电出版社，

2000

［3］西北勘测设计研究院 . 《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)；

［4］黄河水利委员会勘测规划设计研究院 . 《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001) . 北京：中国水利水电出版社，2002

［5］水利部天津水利水电勘测设计研究院 . 《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-96)；

［6］水利部水利管理司 . 《水库工程管理设计规范》(SL106-96)；

［7］中华人民共和国水利部 . 《堤防工程设计规范》(GB 50286-98) . 北京：中国计划出版社，1998