论扎西水库大坝除险加固设计

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摘要: 根据笔者多年的工作经验,文章阐述了在查明扎西水库病害现状及病害成因后,结合其特点,对主堤坝和副堤坝进行除险加固的设计及施工,通过处理后蓄水观测证明该方案达到了除险加固的目的。且提出了对大坝出险加固设计的具体措施,可供同行参考。

关键词: 扎西水库；工程；大坝；病害水库；除险；加固措施；设计及施工；主坝；副坝

中图分类号：P343.3 文献标识码：A 文章编号：

病险水库除险加固项目具有很大的经济效益和社会效益。除险加固工程，可以改善大坝防洪体系、确保防洪安全，消除大坝安全隐患，从而提高洪水驱控制系统，使得河道防洪能力提高。除险加固工程也提高了水资源的监管，以确保供水安全。加固后主要是恢复原来的大中型水库的蓄水供水功能，提高农业灌溉的工作效率，改善农村用水和城市供水。此外，病险水库除险加固工程带来了显着的环境效益，修建水库后可以凭借崭新的面貌形成完美的景观。

工程概况

扎西水库位于威信县城扎西东北部小坝办事处境内的玉锡沟下游，距县城驻地1.5公里，坝址位置东经105°03'30"，北纬27°51′35″，扎西水库属长江流域水系赤水河支流—扎西河源头的一条小溪，发源于山羊坳，水库控制流域面积2.6平方公里，流域平均高程1516.5米。扎西水库是一座以防洪、灌溉为主，结合供水、养殖、旅游等综合利用的小型水利枢纽工程，是威信县的水利骨干工程之一。

水库挡水坝属单曲砌石拱坝，坝顶高程1227米，坝顶宽3米，坝底宽10米，坝基基础砌体的最大宽度12米，坝顶轴线长112米，坝底最大弧长35米，最大坝高44米，溢流堰顶高程1225.6米，采用消力池消能。在大坝1192米高程设φ600冲沙管冲沙，并设有工作闸阀一道，检修闸阀一道，在1213米高程设φ300放水管2根，在1220米高程设5孔泄洪道泄洪，泄洪道长16米。扎西水库副坝为砌石重力坝，高9米，坝顶高程为1192米，顶宽1.5米，底宽6米，其泄洪方式采用坝顶泄流。输水隧洞长312米，断面为1.5×1.8米的圆拱直墙型。

扎西水库主要是解决小坝、观音、田坝、石龙、桂花五个办事处的灌溉用水，设计灌溉面积4572亩。同时解决县城35092人和7689头牲畜的生活用水及工农业生产用水。目前，城镇年供水约140万立方米。年供水收入

大坝工程存在的问题

建设期间的主要问题：

①坝身1220.1米高程以上仍有渗漏现象；②上坝道路未修通；③未埋设沉陷位移桩；④坝顶细部工程未完善；⑤副坝坝身及坝基有渗漏现象；⑥150平方米工程管理房未修建完工；⑦输水隧洞衬砌外形和质量较差。

运行期间存在的主要问题：

①扎西水库蓄水至1208米后发现左坝肩出现绕坝渗漏现象，渗漏水量约为0.002立方米/秒，据初步分析漏水的原因是由于左坝肩岩层较坚硬，但节理裂隙发育，岩层完整性较差，充填不好，加之左坝肩下游形成一临空面，渗径较短，建坝时，由于受资金的限制，岩基未做帷幕灌浆截渗处理，造成水库蓄水后裂隙内充填物长期受冲刷而逐渐减少，故而出现绕坝渗漏，成为影响水库安全的主要隐患。② 冲沙管管线长度不够。水库冲沙管进口高程为1192米，管径为600毫米，靠近左岸布置，目前的冲沙管出口仅离主体大坝基础12米，沿消力池左岸边墙布置。使用冲沙管冲沙或放空水库时，将会对主体大坝基础造成危害，同时冲毁消力池的左岸边墙，影响消力池正常使用。

以上存在的运行期间问题由于没有足够的维修资金至今仍未进行处理。

现场安全检查及存在的主要问题：

① 坝体，包括主、副坝。

主要检查主坝坝顶有无裂缝等异常现象，副坝有无裂缝及其他异常情况；副坝是否渗漏,消能防冲设施是否可靠,取水阀门是否开关自如,输水隧洞运行是否正常。

大坝外观总体质量较好，坝顶及坝体外露面未发现裂缝和渗水，坝体基本平整，两岸坝肩与山体结合部及下游坝脚未发现明显渗漏。坝段之间没有明显的错动位移及不均匀沉降位移、沉陷变形，大坝运行正常。

上、下游坝体外露表面已显得粗糙陈旧，坝面勾缝裂纹纵横。坝顶栏杆完好,坝顶已进行水磨石处理。

副坝坝体完好,无裂缝,无渗漏现象。

② 坝基和接触带

经检查,坝基坝端接触带工作正常,无任何裂缝及渗漏等异常情况。

③ 输、泄水建筑物

经外观检查,坝顶溢流堰混凝土无裂缝及冲刷磨损现象,溢流堰运行正常。安装输水管道的隧洞结构稳定,安全可靠。

④ 闸门及启闭机等金属结构

取水闸阀开启自如,启闭灵活,已进行了防锈处理。

⑤ 绕坝渗漏

左坝肩出现绕坝渗漏现象,经观测,渗漏水量约2公斤/秒,经技术人员调查分析,渗漏的原因是由于左坝肩岩层较坚硬,加之节里裂隙发育,岩层完整性较差,冲填不好,并且下游刚好有一个临空面,地下水渗径较短,建坝时由于受资金的限制,岩基未作帷幕灌浆处理而造成绕坝渗漏。

⑥ 冲砂管

由于冲砂管长度不够,冲砂管不能正常运行,冲砂闸阀不能正常启闭。

三、大坝加固措施

按现行国家《防洪标准》规定本次除险加固采用30年一遇洪水设计,500年一遇洪水校核。调洪演算结果:500年一遇校核洪水位98.86m,相应库容239万m3；30年一遇设计洪水位98.6m,相应库容234万m3。正常水位98.17,相应库容225万m3。

1、对主坝基础进行帷幕灌浆,降低坝基扬压力及防止发生渗透破坏。针对坝体混凝土质量差、裂缝较多、渗透严重的现象,对坝体前坡浇筑砼防渗面板并对坝体及坝肩进行固结灌浆。

2、副坝后坡修整后拆除原不规则反滤,重建棱体反滤以降低坝体浸润线,反滤体高为2.5m。建反滤体计划采用棱体反滤体,根据前面的坝体浸润线计算成果和坝高,确定棱体反滤体高度为2.5m,棱体反滤用干砌石砌筑,设砂石反滤层三层,第一层采用碎石,其厚度30cm；第二层同第一层接触,采用粗砂,其厚度为30cm,第三层采用细砂,其厚度为30cm。土坝坝体进行白蚁防治,并对坝体进行充填灌浆。培厚坝后坡,并种植草皮,设置坝坡和坝肩排水沟及行人步级。对后坡平台及两肩布置排水沟,排水沟高×宽为40cm×30cm,排水沟及步级采用Ｍ7.5浆砌石砌结,1:2水泥砂浆批挡。

四、大坝加固设计

1、大坝高度复核计算

（1）波浪爬高计算。该水库正常洪水位为98.17m,设计洪水位（P=3.33%）为98.60m,最大库前水深17.93m,校核洪水位（P=0.2%）为98.86m,最大库前水深18.19m。有效吹程D=171m,上游坡率m=0,应用“土石坝波浪爬高计算程序”计算超高:B=1.08(m)

（2）安全超高。根据国家《防洪标准》（GB50201-94）水利工程标准,4级建筑物非常运用情况安全超高为0.3 m,正常运用情况安全超高为0.5 m。

2、坝顶高程计算

(1)坝顶高程计算。正常运用情况下,坝顶高程应高出静水位0.5m98.6+0.5=99.10m

非常运用情况下,土坝顶高程应不低于静水位。原坝顶高程99.67m高于校核洪水位98.86m。所以不需加高原坝顶,坝顶高程仍为99.67m。

（2）防浪墙顶高程计算。经计算,不需设置防浪墙,但考虑到交通安全的要求,在坝顶前后坡设置高120㎝的不锈钢拦杆。

3、浸润线计算

参照《水工设计手册》中有关渗流计算的方法,对水库大坝加固前:(1)30年一遇设计洪水位98.60m时；(2) 正常水位98.17m时。

加固后增设棱体反滤后以降低浸润线,并计算其在:(1)30年一遇设计洪水位98.60m时；(2)正常水位98.17m时。

结果显示加固前坝体浸润线过高,如用贴坡反滤贴坡高度过高,不符合要求,加固后采用棱体反滤以降低浸润线,满足坝坡稳定要求。

4、大坝坝坡稳定分析计算

(1)主坝稳定分析计算

① 大坝抗滑稳定复核。根据工程地质勘察报告结论“钻孔揭示坝体砼与坝基基岩结合不良,接触带未胶结成整体,基本不存在抗剪断强度”,故大坝抗滑稳定计算采用抗剪强度公式进行复核计算。

大坝稳定计算按现状坝高的设计、校核洪水位进行大坝稳定复核,主坝抗滑稳定复核计算,计算成果表明,不考虑扬压力折减,三个坝段荷载组合为基本组合及特殊组合情况下,按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数K均满足规范要求。

② 坝基应力复核计算。坝基应力计算采用水利水电工程设计计算程序集中的重力坝设计软件包中的混凝土实体重力坝材料力学方法应力分析,荷载组合仍然采用上节大坝抗滑稳定的工况。

坝基面坝踵、坝趾垂直应力计算成果（见表1）。

表1坝基坝踵、坝趾垂直应力值单位:kPa

计算成果表明重力坝三个坝段在荷载组合为基本组合及特殊组合情况下坝趾垂直应力小于坝基容许压应力,坝踵垂直应力无出现拉应力,满足规范要求。

(2)副坝稳定复核

① 计算参数:粘土层渗透系数3.77×10-5cm/s,粘聚力22.2kPa,内摩擦角14.2°,重度17.9kN/m?；强风化岩渗透系数1×10-4cm/s,粘聚力100kPa,内摩擦角35°,重度22kN/m?；弱风化岩渗透系数1×10-6cm/s,粘聚力300kPa,内摩擦角35°,重度23kN/m?。荷载组合采用主坝抗滑稳定的工况。计算时选取桩号0+000的坝体断面。

② 对于上游坡,厚度2m混凝土面板按重力式挡土墙计算其稳定,求得的混凝土面板抗滑稳定系数KC＝1.298,抗倾稳定系数 K0= 1.346,墙趾处基底应力CX=34.753 ,墙踵处基底应力CN=49.424,可见上游坡是稳定的。（见表2）

表2 副坝坝坡抗滑稳定安全系数成果表 单位:kPa

计算成果表明,加固后副坝的坝坡抗滑稳定安全系数满足规范要求。

五、坝体灌浆设计

1、主坝基础帷幕、固结灌浆及坝体固结灌浆

（1）坝基帷幕。针对大坝坝基为强风化砂岩和坝基渗漏较大的问题,本加固设计采取对坝基进行帷幕和固结灌浆的措施:先进行坝基帷幕灌浆,坝基帷幕灌浆距离水库迎水坡之前1米钻孔,设置单排布孔,孔距2 米,钻孔深至坝基强风化带以下3米,以降低坝基扬压力;坝体固结灌浆在大坝坝顶平行坝轴线设置2排布孔（梅花形布置）,距上游坝坡3米,孔距4米,排距2米,钻孔深至强风化带以下3米。坝基帷幕灌浆布置灌浆孔共76孔,总钻孔进尺809.63米。

（2）坝体、坝基固结灌浆。针对大坝坝体混凝土质量差、渗透严重的问题,采取对坝体进行固结灌浆的措施:坝体、坝基固结灌浆在大坝坝顶平行坝轴线设置2排布孔（梅花形布置）,距上游坝坡3米,孔距4米,排距2米,钻孔深至强风化带以下3米。固结灌浆布置灌浆孔共76孔,总深1678.13米,其中坝体孔深868.5米,岩基孔深809.63米。

2、副坝固结灌浆

该水库副坝坝体白蚁侵害严重,发现多处蚁巢,坝后坡出现多处漏水点,坝体渗漏严重,严重破坏了坝体固有的稳定性和防渗能力,根据以上问题,除白蚁后对大坝进行充填灌浆处理。

3、灌浆布置及灌浆设计

（1）灌浆布置。大坝计划沿坝顶轴线方向布设2排灌浆孔,排距为1.0m,灌浆孔布置在坝顶轴线稍偏上游,第一排距离前坡砼面板0.5m,孔距为5m,2排钻孔呈梅花形布置,钻孔灌浆至坝基以下5.6m,布置灌浆孔共42孔,孔深共计644.92m。

（2）灌浆设计

① 灌浆材料。灌浆材料采用粘土拌水泥混合浆,要求水泥粘土比例为1:9,浆液容重为1.3~1.6g/cm3。配制水泥粘土浆所用的粘土要求遇水以后,能迅速崩解分散,吸水膨胀,具有一定的稳定性和粘结力,选择粘土时要注意以下两点:①粘土塑性指数应为10～20；②粘粒含量30～50％；③粉粒含量40～60％,砂粒含量小于10％。

② 造孔设计。采用XJ100—A型钻机造孔,钻孔直径为90mm,采用干法造孔或少量注水湿钻、造孔应保持铅直,偏斜率不得大于孔深的2％。钻孔深度要求钻至坝基以下1.0m。

灌浆孔造孔顺序为:先坝中后坝肩,先坝顶轴线上游排再下游排,先深后浅的施工方法。

六、结语

病险水库除险加固项目具有很大的经济效益和社会效益。除险加固工程，可以改善大坝防洪体系、确保防洪安全，消除大坝安全隐患。加固后主要是恢复原来水库的蓄水供水功能，提高农业灌溉的工作效率，改善农村用水和城市供水。此外，病险水库除险加固工程带来了显着的环境效益。要有效地促进我国的大中型坝加固项目工作，就应当高度重视险库对国民经济和人民生命财产安全的威胁，并进一步增加投资于大型和中型水坝，加强大中型水库大坝安全管理和监督，应严格控制大型和中型病险水库除险加固工程施工质量。加固工程中有很多的复杂性，要仔细识别危险的原因，施工管理要做到对症下药，应严格控制。在除险加固工程中注重新工艺、 新材料和新技术的运用，最大限度的降低成本并提高产品质量。

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