四川某水库大坝除险加固设计
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摘要:针对某水库大坝存在的安全问题，采用复合土工膜对其进行防渗整治，完善坝坡防护、排水设施等设计，并对整治后的大坝进行了防洪标准、渗流安全和抗滑稳定安全复核，验证了除险加固设计方案的可行性。
关键词:水库整治 复合土工膜 渗流安全 防洪安全
中图分类号：TV5文献标识码： A
1 工程概况
水库控制集雨面积0.4km2，总库容27.47万m3，正常库容24.94万m3，死库容0.8万m3，设计灌溉面积2000亩，实际灌面1500亩，是一座以灌溉、防洪为主兼有水产养殖等综合效益的小（2）型水利工程。枢纽工程等级为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级，次要建筑物级别为5级。设计洪水标准采用20年一遇（P=5.0），校核洪水标准采用200年一遇（P=0.5）。
水库大坝为均质土坝，坝顶长134.0m，现坝高11.1m。坝底宽62.2m，顶宽3.4m，坝顶高程438.10m，坝底高程为427.00m，防浪墙顶高程438.35m；内坡为两级坝坡，高程435.30m以下坡比为1:2.54，无防护，以上坡比为1:2.15，预制混凝土块护坡，无马道；外坡共三级坝坡，高程434.00m以上坡比为1:2.27，高程430.80以上坡比为1:2.59，以下坡比为1:3.77，草皮护坡。
根据水库大坝安全鉴定报告书，水库大坝主要存在以下问题：大坝坝顶高程不满足防洪标准要求，坝顶无防护，侵蚀严重；外坝坡杂草丛生，坡面凹凸不平，高程431.00m以下坝面全线散浸；无坝体排水设施，坝脚无排水沟，积水严重；内坝坡435.30m以下未防护；有白蚁活动迹象。
2 除险加固设计
根据水库大坝存在的安全问题，确定大坝整治内容包括：①内坡复合土工膜防渗，砼框格+预制砼块护坡；②外坡建贴坡排水，砼框格+草皮护坡；③坝顶加固；④白蚁整治。
根据安全评价报告，现有坝坡抗滑稳定安全系数满足规范要求，无需放缓处理。将库水位放空至死水位428.32m，拆除原防浪墙和砼块护面，按原坡比清除坝面淤泥和杂土厚0.25m。距坝脚1.5m开挖土工膜锚固槽，槽深1.5m，宽0.6m，浇筑一期混凝土。平整坝面，铺设200g/0.5mmPE/200g复合土工膜，浇筑锚固槽二期混凝土，复合土工膜伸入防浪墙底座压牢。立模浇筑C20砼框架，断面尺寸0.2×0.25m（宽×高），配4B16主筋和A8@200箍筋，纵向（顺坝轴线方向）净距5.4m，横向净距4.8m，每两格分纵、横逢，缝宽2cm，沥青砂浆充填。于框架内人工铺筑砂砾石垫层0.15m，其上铺设40×30×10cm（宽×高×厚）C20砼预制板。
外坡现有坡比抗滑稳定安全系数满足规范要求，不作调整。自上而下沿现状坡面挖除植根层不低于0.3m，修葺平整。库水位放空后，间隔10m分段开挖坝脚，开挖断面底宽3.0m，坡比1:3，建干砌块石贴坡排水，底宽3.0m，顶宽3.0m，过渡反滤层厚0.4m，根据整治后渗流计算成果，设计顶高程430.50m。立模浇筑C20砼框架，断面尺寸20×30cm（宽×高），配4B16主筋和A8@200箍筋，横向净距4.8m，纵向净距高程434.00m以下为4.5m，以上为4.8m，每两格分纵、横逢，缝宽2cm，沥青砂浆充填。框架内人工回填熟土厚30cm，上植草皮护坡。按原坡比左、右岸各建1处C15砼梯步至贴坡排水顶，宽2.0m，踏面高0.12m，两侧设10×35×50cm（宽×高×长）C20砼预制路肩石。左、右坝肩与岸坡交接处设C15砼排水沟，过流断面30×30cm。坝脚设C15砼排水沟，过流断面40×40cm。
坝顶上游侧设“L”型浆砌条石防浪墙，墙高0.5m，宽0.3m，底座宽0.6m，迎水面M7.5抹面处理，每10m分缝宽2cm，沥青砂浆填缝。防浪墙上设0.7m高预制砼护栏。挖除坝顶杂土至高程437.75m，填砂砾石垫层厚15cm，其上现浇C20砼路面厚20cm，下游侧设路肩石，尺寸为20×40×50cm（宽×高×长），M7.5砌筑并勾缝。整治后坝顶宽度为3.6m。
白蚁整治包括开沟截路、追挖主巢、毒土隔墙、诱杀白蚁等，应由专业白蚁整治单位设计并实施。
3 整治后复核
（1）防洪标准复核
整治后溢流堰型式为开敞式宽顶堰，堰顶高程为436.77m，堰顶净宽由2.7m扩宽至3.0m。采用四川省水文水资源勘测局2010年11月修订的《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》推求设计洪水。按宽顶堰流公式q=mbH3/2计算下泄流量q，根据溢洪道形式，参考《水力学计算手册》，综合流量系数m取0.34。调洪计算采用静库容法，结果见表1。
表1整治后调洪计算成果表
频率P（%） 最大下泄流量（m3/s） 最高库水位（m） 库容（万m3）
0.5 1.37 437.22 27.43
5.0 0.70 437.02 26.33
10.0 0.55 436.97 26.05
坝顶超高按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定的公式Y=R+e+A计算。波浪爬高R采用鹤地水库公式计算。正常运用情况下安全加高A=0.5m，非常运用情况下安全加高A=0.3m。库区多年平均年最大风速V=15m/s，正常运用情况计算风速W采用多年平均年最大风速的1.5倍；非常运用情况计算风速W采用多年平均年最大风速；有效吹程0.15km。坝顶超高计算结果见表2，整治后大坝防洪标准满足要求。
表2整治后坝顶超高计算成果表
名称 工况（1） 工况（2）
静水位Z静 (m) 437.02 437.22
坝顶超高Y (m) 1.34 0.77
计算坝顶高程Z坝 (m) 438.36 437.99
加固后防浪墙顶高程Z (m) 438.60
差值 (Z- Z坝)(m) 0.24 0.61
（2）渗流稳定复核
渗流有限元分析基本方程为：
（1）
式中，[K]―渗透系数矩阵；{H}―总水头向量；[M]―单元储水量矩阵；{Q}―流量向量；t―时间。
各土体渗透系数取值见表3，复合土工膜渗透系数取1×10-9cm/s。计算工况见表4，计算结果见表5。由表可见，整治后单宽渗流量和最大渗透比降明显减小，渗流出逸点高程降低，表明复合土工膜防渗效果显著。
经计算，大坝土体的允许渗透比降＝0.48，整治后各工况下最大渗透比降均小于，表明大坝不会发生渗流破坏。
表3各土体渗透系数取值
名称
指标 Q4s坝体粘土 粉砂质泥岩石碴 堆石（贴坡排水） 砂岩石碴
渗透系数（cm/s） 2.5×10-4 5.5×10-5 8.0×10-2 2.0×10-2
表4大坝渗流计算工况表
序号 工况 下游水位 运用条件 备 注
1 正常蓄水位436.77m稳定渗流 427.00m 正常运用
2 设计洪水位437.02m稳定渗流 正常运用
3 校核洪水位437.22m稳定渗流 非常运用I
4 由校核洪水位骤降至正常蓄水位 非常运用I 历时10h
5 由正常蓄水位降落至死水位 正常运用 历时136.8h
表5渗流计算成果表
工况
序号 单宽渗流量q
/L・s-1・m-1 最大渗透比降 出逸点高程
/m
整治前 整治后 整治前 整治后 整治前 整治后
1 7.05×10-3 8.03E-5 0.16 0.09 431.363 428.613
2 7.21×10-3 8.12E-5 0.17 0.09 431.455 428.616
3 7.37×10-3 8.20E-5 0.17 0.10 431.538 428.620
4 ―― ―― 0.23 0.14 431.483 428.619
5 ―― ―― 0.25 0.15 429.341 428.003
（3）坝坡稳定复核
根据大坝安全鉴定报告书，坝坡整治前稳定安全系数满足要求。整治后，设计、校核工况下库前水位略降低，同时由于增设复合土工膜和贴坡排水，坝体渗流浸润线降低明显，这些改善都有利于坝坡稳定，稳定计算结果也证明了这一点，故不再赘述。
复合土工膜须进行稳定验算，其稳定安全系数FS采用下式进行稳定复核：
（2）
式中，为上垫层土料与土工膜之间的摩擦角；为土工膜铺放坡角。计算得FSmin=1.24，满足规范要求。
4 结语
（1）通过适当拓宽溢洪道与加高防浪墙相结合的方式，解决了大坝防洪标准不满足要求的问题。
（2）通过设置复合土工膜防渗，解决坝体大面积散浸问题，结合新建贴坡排水，降低了坝体浸润线，提高了坝坡稳定性。
（3）结合土工膜铺设，对上游坝坡进行防护，整葺下游坝坡，完善排水沟系统，硬化坝顶，白蚁整治等，以使大坝外观规整、结构完善、稳定安全，更充分地发挥其工程效益。