水库大坝除险加固设计

　　1.工程概况
　　潘村水库位于湄潭县黄家坝镇，距县城19km，距黄家坝镇9km。所在河流属乌江水系湘江河一级支流湄江牛场河，坝址以上集水面积5.88km2。
　　潘村水库是以农业灌溉为主的小（1）型水库。设计灌溉面积4260亩，实际现有保灌面积2500亩。主要由水库枢纽和灌区渠系建筑物组成。水库枢纽包括大坝、溢洪道、放水涵洞等建筑物。
　　大坝为均质土坝，采用塑料薄膜防渗，坝顶高程833.5m，最大坝高33m。坝顶宽6m，坝顶长90m，坝顶无防浪墙。上游为厚30cm的块石护坡，坝坡为1:2、1:2.3、1:3.19，在818.0m高程处设有宽2m的一级马道；下游为厚50cm的块石护坡，坡度为1:1.43、1:1.85、1:2.42、1:2.4，设有三级马道，宽度分别为2m、5m、2m，在马道内边和坝面与左、右坝肩连接处设0.3m×0.4m的排水沟；下游坝趾处设有顶宽2m的排水棱体。
　　2.大坝现状描述
　　由于该大坝未设置安全监测设施，也未进行过大坝表面变形观测，只能由现场检查情况来分析评价坝体变形。现场检查结果如下：
　　在库水位处于低水位时(现场检查时库水位816.8m)，下游坝脚见有渗流现象，渗量约1L/s。分析存在大坝与基岩接触面，以及坝基裂隙渗漏问题。据安全复核阶段钻孔压水试验资料，坝基岩体透水率大，为9～29.2Lu。
　　右坝肩虽经帷幕灌浆处理，但大坝右坝肩与岸坡接触带漏水严重，渗漏出流点主要有3处，位于下游坝坡右上裂隙、右坝肩与岸坡接触带。下游排水棱体旁坝基也存在2处渗漏出水点。库水位为825.5m时，漏水点渗漏量达57.02L/s。当库水位超过放水涵顶部(高程808.0m)时，下游左坝肩绕渗出流点亦可见多处，渗漏量随上游水位增加而增大。由于绕渗通道距坝体太近，极有可能影响土坝坝体。经现场调查发现排水棱体马道以上有小型凹坑，怀疑绕坝渗漏已波及坝体接触带。渗水经右坝肩与坝体接触带出露后，直接冲刷下游坝面，危及大坝安全。2007年4月20日，潘村水库进行了大坝现场检查及大坝安全鉴定，通过对该水库大坝安全各方面综合评价，鉴定潘村水库大坝安全类别为“三类坝”。
　　3．大坝除险加固设计
　　3.1工程等别、建筑物级别及洪水标准
　　根据GB50201－94《防洪标准》及SL252－2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》有关规定:水库为小（1）型水利工程，工程等别Ⅳ等，大坝为4级建筑物，设计洪水标准采用50年一遇，校核洪水标准采用500年一遇，溢洪道消能防冲建筑物设计洪水标准采用20年一遇。
　　3.2设计采用参数
　　3.2.1坝体材料物理力学参数
　　坝体材料的物理力学参数是在试验成果的基础上综合取值，采用参数见表4－2。
　　表4-2基岩、坝体材料物理力学指标表
　　部位 材料 天然容重
　　(t/m3) 饱和容重(t/m3) 水下摩擦角(°) 水下粘结力(KPa) 渗透系数
　　(cm/s)
　　坝体 粘土 1.80 1.85 19 25 1×10-5
　　坝基 砂砾石 2.0 2.1 35 15 1×10-3
　　排水棱体  2.0 2.1 35 10 1×10-3
　　干砌块石  2.3 2.45 25 10-20 1×10-3
　　强风化料  2.4 2.45 23 30 1×10-3
　　3.2.2坝坡稳定计算方法
　　根据SL274－2001《碾压式土石坝设计规范》之规定，大坝坝坡抗滑稳定计算采用计及土条间作用力的简化毕肖普法和不计条块间作用力的瑞典法两种方法联合进行成果控制。工程拦河大坝为4级水工建筑物，正常运用条件毕肖普法K≥1.25，瑞典法K≥1.15；非常运用条件毕肖普法K≥1.15，瑞典法K≥1.06。
　　3.3坝体稳定复核
　　本次坝坡稳定计算的目的是分析大坝经过除险加固后坝坡的抗滑稳定性。根据SL274－2001《碾压式土石坝设计规范》规定，大坝坝坡抗滑稳定计算采用计及土条间作用力的简化毕肖普法和不计条块间作用力的瑞典法两种方法联合进行成果控制。具体采用北京理正软件设计研究所《边坡稳定设计软件》计算。
　　3.3.1渗流计算
　　（1）渗流计算的目的是：
　　①确定坝体浸润线；
　　②计算坝体和地基渗漏量；
　　③计算渗透稳定；
　　④确定坝体在一定水位时的浸润线，供上、下游坝坡稳定分析。
　　（2）计算方法为有限元数值分析法。
　　3.3.2稳定计算
　　(1)、计算目的及要求
　　计算根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）及《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）进行。
　　论证大坝在自重、各种情况的孔隙水压力和外荷载的作用下，具有足够的稳定性，不致发生通过坝体（或坝体地基的整体）剪切破坏。
　　水库大坝为4级建筑物，规范要求坝坡抗滑稳定最小安全系数查表《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）中表8.3.10
　　(2)、计算方法
　　计算方法为刚体极限平衡法，采用北京理正软件设计研究所《边坡稳定设计软件》计算。
　　坝体强度计算方法为有效应力法，设计抗剪强度指标按试验值饱和固结慢剪试验平均值的折减系数指标的取用。
　　3.3.3除险加固后各工况情况下坝坡稳定分析
　　在对坝体进行综合处理后，经过对坝体正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位的稳定渗流期上、下游边坡稳定及1/3坝高水位稳定渗流期期上游边坡稳定和水位降落期（正常水位到死水位高程）上游边坡稳定进行计算后，坝体稳定安全系数均能满足规范要求。
　　3.4坝体除险加固设计
　　3.4.1坝顶改造
　　现状坝顶凹凸不平，采用泥结石路面整平，清除坝顶表面土体后，铺筑0.2m厚泥结石路面，路面高程即坝顶高程833.50m。坝顶下游侧设200mm×200mm的排水沟，排入右岸下游坝坡排水沟内。
　　3.4.2坝坡改造
　　1、上游坝面整治
　　现状上游坝面干砌块石护坡厚约30cm，满足规范要求。故对上游干砌块石护坡局部质量不满足设计要求的护坡翻新即可。
　　1）护坡计算
　　根据前述计算成果，正常运用条件波高h5%＝0.582m，平均波长lm＝6.776m，lm/h5%＝11.64；非常运用条件下h5%＝0.351m，平均波长lm＝4.515m，lm/h5%＝12.86。lm与h5%之比值均小于15。按SL274－2001《碾压式土石坝设计规范》附录相关规定，可按下式计算砌石护坡厚度：
　　
　　式中:t—块石最小厚度；
　　ρK—块石密度，取2.6t/m3；
　　ρw—水的密度，取1.0t/m3；
　　m—上游坝坡坡度系数，m＝2.0
　　经计算，正常运用条件下t=0.173m，非常运用条件下t=0.104m。
　　上游坝面整治为：对上游坝坡干砌块石护坡818m以下施工时未达到设计要求的拆除后更换为厚30cm灰岩护坡，同时对818m以上局部坍塌和块石错动部位局部拆除后更换为厚30cm灰岩护坡。整治后的上游坝坡与原坝坡完全相同。
　　2、下游坝坡加固
　　根据安全鉴定报告可知，下游坡稳定安全系数不满足规范要求，经过本次除险加固设计下游坡需要加固到1：2.7，满足规范要求。因此设计采用不拆除已有的原下游坝坡厚50cm的干砌块石，直接在上面采用风化料加固坝坡，再在表层铺土用于草皮护坡。
　　3、坝体反滤排水设施、坝面排水系统整治
　　排水棱体上游沿原排水棱体1：1的坡度延伸至808.608m高程，并设2m宽的马道，下游坡度1：1.66，延伸部份基础应清至基岩。对原排水棱体外表面拆除杂草、积土和部分棱体，以便新老排水棱体排水顺畅。排水棱体主体为人工堆石，粒径初拟为18～30cm。棱体堆石与坝体、基岩接触带依次为：人工堆石（粒径初拟为180～300mm）、碎石厚30cm（粒径初拟为5～20mm）、粗砂厚30cm(粒径初拟为1～15mm)、细砂厚20cm（粒径初拟为0.25～1mm)。
　　4、坝体防渗处理
　　经10多年的运行，坝体防渗薄膜存在一定程度的老化，但没有完全失效。对于坝体渗漏拟选坝体充填灌浆，同样起到防渗作用。坝体充填灌浆沿坝轴线布置，共两排，排距2m，间距3m。
　　坝身防渗和坝基防渗是紧密结合在一起的，采用坝基防渗孔进行坝身充填防渗灌浆，，灌浆压力0.05～0.2Mpa，灌浆压力可在灌浆试验的基础进行适当调整。灌浆工艺与坝基灌浆相同。采用粘土和水泥混合浆进行坝身充填灌浆，补强坝体。
　　
　　3.5坝基坝肩防渗处理
　　针对坝基、坝肩渗漏情况及漏水原因分析，本次除险加固采取对坝基和左、右坝肩岩体采取帷幕灌浆防渗治理。
　　3.5.1防渗边界及标准
　　经大坝安全复核现场观测及相关资料，下游坝坡右侧与办破接触带有塌方点，坝基存在渗漏，影响大坝安全，应对大坝和坝基、坝肩岩体进行帷幕灌浆处理，以提高坝体、坝基、坝肩的防渗能力。
　　防渗边界：本次设计右岸帷幕端点右坝端以外30m，左岸帷幕端点为溢洪道左侧边墙位置往山体延伸31m。
　　防渗帷幕标准：帷幕上限以校核洪水位832.43m高程控制，帷幕下限按0.75倍坝高及深入弱风化岩体内15～20m联合控制，坝基接触带作接触灌浆后，向下深入弱风化岩体15～20m，防渗标准q≤5Lu，防渗帷幕线按单排孔，孔距3m布置。
　　3.5.2帷幕线布置
　　防渗帷幕线沿坝轴线布置，坝肩沿坝轴线往两岸山体延伸。单排孔，孔距3.0m，上限为校核水位高程832.43m，帷幕线长261m，共87孔。左岸超过溢洪道10个孔，下限至817.72m高程，右岸超过坝体10个孔，至805.745m高程。
　　3.5.3帷幕深度与型式
　　此次帷幕设计深度按0.75倍坝高及深入弱风化岩体内15～20m联合控制，坝基接触带作接触灌浆后，向下深入弱风化岩体15～20m，防渗标准q≤5Lu，右岸帷幕底界高程805.745m，右岸至河床帷幕底界高程771.793m，河床至左岸帷幕底界高程804.066m～817.720，帷幕孔深20～30m，总进尺2740m，有效进尺2597m，无效进尺143m。
　　4.结论
　　（1）从分析坝体稳定分析及渗漏原因入手，揭露了坝体险情的原因，为出险加固提供可靠依据。
　　（2）针对坝体缺陷的具体情况及地质条件，提出了可靠具体的除险加固方案，针对性强。
　　（3）按此完成除险加固后潘村水库已完成竣工验收并正常运行，、险情得到根治，效果良好，效益得到了正常发挥。

《水库大坝除险加固设计》

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