哨中安水库工程除险加固设计的探讨

　　摘要：哨中安水库是弥勒县朋普镇的一座重要的小（2）型水库，主要承担着下游800亩农田的灌溉任务，兼有下游村庄的防洪保护作用，保护着下游总人口700人及耕地面积300亩。但由于目前水库存在以上诸多问题，难以发挥其正常功能，因此，对哨中安水库进行除险加固是十分必要的，同时也是非常迫切的。本文对该水库的工程除险加固设计进行探讨。
　　关键词：水库；设计
　　
　　1、工程概况
　　哨中安水库位于红河州弥勒县朋普镇新车村委会白土凹村，地理位置东经103°23′22.8″，北纬24°00′40.3″。哨中安水库坝址距朋普镇约6.0km，距弥勒县城约45.0km。哨中安水库所在河流属属珠江流域南盘江支流的甸溪河。
　　2、大坝除险加固设计
　　2.1病害及病害分析
　　大坝坝型为均质土坝。由于受筑坝当时条件限制，坝体回填土料差，坝体压实度达不到标准，坝体出现不均匀沉降，加之经多年的风雨淘刷，顶部高矮不平，坝顶宽度在6～8m，上游坝坡风浪淘刷严重。下游坝坡面凹凸不平，坝坡长满杂草和灌木丛，下游坝坡没有设置上下坝踏步，上下坝坡较困难。由于建坝时清基不到位，没有对坝基进行相应的防渗处理，所以坝体与坝基、坝体与坝肩结合部位在水库蓄水后，坝脚与坝基结合部位就出现了渗漏，在坝脚形成集中水流和片状浸水潮湿区。在坝脚处，由于修建石蒙高速公路，施工方把公路弃土堆放在水库脚，土方量大，堆放不规则，且没有经过任何压实，土体松散，现平均高度有11m左右，平均宽40m。
　　2.2设计计算
　　2.2.1坝顶高程复核
　　1、基本资料：大坝按5级建筑物设计，地震设防烈度为Ⅶ度，多年平均最大风速为15.4m/s，大坝吹程为0.2km，主风向为西南风。根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001进行计算。
　　2、坝顶超高
　　按公式y=R+e+A计算坝顶超高
　　R——波浪爬高；
　　e——最大风壅水面高度；
　　A——安全加高。正常情况取0.5m，非常情况取0.3m。
　　3、坝顶高程取以下三种计算情况中的最大值：
　　（1）坝顶高程=设计洪水位+正常超高+风浪爬高
　　=1170.797+0.5+0.67
　　=1171.967m
　　式中，正常超高取0.5m，风浪爬高h浪高=3.2Kh波高tgθ，
　　K—坝坡坡面糙率系数，取0.85；
　　θ—坝迎水面与水平面的夹角，为26.6°；
　　h波高=0.0166V5/4D1/3（官厅水库公式）；
　　V—取多年平均最大风速值的1.5倍，V=23.1m/s；
　　D—吹程，为0.2km。
　　（2）坝顶高程=校核洪水位+非常超高+风浪爬高
　　=1171.29+0.3+0.41
　　=1172.00m
　　式中，非常超高取0.3m，风浪爬高h浪高=3.2Kh波高tgθ，
　　K—坝坡坡面糙率系数，取0.85；
　　θ—坝迎水面与水平面的夹角，为26.6°；
　　h波高=0.0166V5/4D1/3（官厅水库公式）；
　　V—多年平均最大风速值，V=15.4m/s；
　　D—吹程，为0.2km。
　　（3）坝顶高程=正常蓄水位+非常超高+风浪爬高+地震安全加高
　　=1169.954+0.3+0.41+1.2
　　=1171.864m
　　复核后的坝顶高程为1172.00m，低于实测坝顶高程（1172.18m）0.18m，故坝顶高程满足超高复核要求。
　　2.2.2大坝渗流及稳定复核
　　一、渗漏及渗透变形分析
　　1、坝体渗流计算
　　大坝进行防渗处理后，坝体及坝基渗流主要受防渗体系（灌浆）控制。按《碾压式土石坝设计手册》介绍的方法—采用透水地基上的土石坝渗流计算方法计算坝体和坝基的渗漏量，采用河海大学工程力学研究所编制的水工结构有限元分析系统（AutoBankv5.5）软件进行坝体渗流复核计算，并确定浸润线，本次成果采用本次复核的水位成果。
　　根据钻孔注水试验成果分析，坝体填筑料及坝基的计算渗透系数采用钻孔内压注水试验成果的加权平均值，根据钻孔注水试验成果分析，原坝土渗透系数为3.97×10-4～4.79×10-3cm/s，取值为7.656×10-4cm/s；坝基冲洪积层渗透系数1.19×10-3～3.59×10-3cm/s，取值为2.38×10-3cm/s；强风化全坝基基岩透水率为12.41～62.45Lu,取值为34.74Lu；排水棱体渗透系数1.0×10-2cm/s；灌浆渗透系数采用1×10-6cm/s；计算采用值及成果见表5.2-1、表5.2-2及图5.2-1。
　　表5.2-1坝体渗流计算采用值
　　名称 坝土渗
　　透系数
　　（cm/s） 冲洪积层
　　渗透系数
　　（cm/s） 基岩 排水棱体
　　（cm/s） 灌浆
　　（cm/s）
　　   强风化渗透系数
　　（Lu）  
　　渗透系数 7.656×10-4 2.38×10-3 34.7 1.0×10-2 1×10-6
　　
　　表5.2-2大坝渗流计算结果表
　　序号 水位(m) 单宽渗漏量
　　（m³/d•m） 年渗漏量
　　（万m³）
　　1 校核洪水位 1171.29 1.1 5.22
　　2 设计洪水位 1170.797 0.67 3.18
　　3 正常蓄水位（未灌浆前） 1169.954 1.59 7.54
　　4 正常蓄水位 1169.954 0.17 0.71
　　5 死水位 1162.690 0.03 0.14
　　
　　计算结果表明，防渗处理前正常水位下大坝坝体、坝基年渗漏量为7.54万m³，占正常库容的50.3%，防渗处理后正常水位下大坝坝体、坝基年渗漏量为0.71万m³，占正常库容的4.6%，可见采用的防渗方案效果较为明显，防渗体系可满足大坝坝体、坝基防渗要求。
　　图5.2-1大坝计算浸润线、等势线简图
　　
　　2、大坝稳定渗流复核
　　计算断面采用大坝实测最大横断面，按透水地基上的均质土坝进行计算。
　　据钻孔注（抽）水试验得知，坝体土透水率K=7.57×10-4～1.49×10-3cm/s，坝体与坝基接触带K=1.19×10-3～3.59×10-3cm/s。从以上数据明显而知，坝体土透水不均匀，总体较大，故直接反映为外坝脚产生大片浸水湿地面积为（135m2）。在坝体土中可能造成的渗流破坏是流土，据《水利水电工程地质勘察规范》附录M（土的渗透变形判别）可能造成流土破坏。
　　由流土型临界水力比降计算公式：Jcr=（GS-1）（1-n）。
　　式中：Jcr—土的临界水力比降；
　　GS—土的颗粒密度与水的密度之比；
　　n—土的孔隙率（%）。
　　计算得坝体土临界水力坡降Jcr=0.974～1.013，采用2的安全系数，允许水力坡降坝体为J允=0.0.487～0.507，而实际水力坡降值为J实=0.251～0.313，J实＜J允，据以上判断，在现坝体土中不存在渗流稳定问题。但是，在坝体与坝基接触带由于透水性较大(K=1.19×10-3～3.59×10-3cm/s)，且相对集中，随时间推移在渗透动水压力的作用破坏下，渗漏量会不断加大，坝体就会产生渗透破坏变形，严重影响坝体稳定和安全。
　　2、大坝稳定安全复核
　　坝坡稳定采用简化毕肖普法，计算程序采用北京水科院陈祖暥编制的土质边坡稳定计算程序（STAB2005）进行大坝稳定分析计算，计算方法采用毕肖普法，选取最大断面采用圆弧滑裂面进行计算。
　　（1）基本参数的确定
　　坝体稳定计算各区的物理力学指标根据本次土工试验成果并结合本工程实际情况取用。本次稳定复核坝土和坝基C值、φ值取用土工试验成果的均值、饱和容重及天然容重取用土工试验成果的平均值，物理力学性质指标计算值见表5.2-3。
　　表5.2-3坝体及坝基物理力学指标参数
　　序号 土层 天然容重 浮容重 凝聚力C 内摩擦φ
　　  (KN/m3) (KN/m3) (KPa) (°)
　　1 坝土浸润线以上 19 20 15.2 22.6
　　2 坝土浸润线以下 19 20 15.2 22.6
　　3 坝基冲洪积层 18.7 19 14.6 23.1
　　4 排水体 22.3 12.8 0.0 20.0
　　5 坝基 强风化 19.1 19.5 16.5 25.7
　　
　　（2）稳定计算
　　计算断面：据大坝目前现状，地质钻探的试验成果，采用大坝实测最大横断面作为坝体稳定计算的标准断面。
　　（3）计算工况及成果
　　大坝稳定计算根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），坝体上游坝坡稳定分析工况为稳定渗流期和库水位降落期的各种工况，下游坝坡稳定分析工况为稳定渗流期的各种工况，地震作用力按《水工建筑物抗震设计规范》中规定进行计算，地震动峰值加速度值为0.15g,地震动反应谱特征周期0.45s，相应的地震基本烈度Ⅶ度。各种工况稳定计算结果见表5.2-4、图5.2-2～5.2-5。
　　
　　
　　
　　表5.2-4坝坡抗滑稳定（抗震）计算成果表
　　工作条件 序号 计算工况 计算值 规范值
　　正常
　　运用 稳定渗流期
　　下游坝坡 1 设计洪水位1170.797m 1.493 1.25
　　  2 正常蓄水位1169.954m 1.514 1.25
　　  3 死水位1162.690m 1.555 1.25
　　 稳定渗流期
　　上游坝坡 4 设计洪水位1170.797m 1.444 1.25
　　  5 正常蓄水位1169.954m 1.449 1.25
　　  6 死水位1162.690m 1.534 1.25
　　  7 正常蓄水位1169.954m降至死水位1162.690m 1.455 1.25
　　非常
　　运用
　　Ⅰ 稳定渗流期
　　下游坝坡 8 校核洪水位1171.29m 1.498 1.15
　　 稳定渗流期
　　上游坝坡 9 校核洪水位1171.29m 1.439 1.15
　　非常
　　运用
　　Ⅱ 稳定渗流期
　　下游坝坡 11 设计洪水位1170.797m+7°地震 1.321 1.10
　　  12 正常蓄水位1169.954m+7°地震 1.325 1.10
　　  13 死水位1162.690m+7°地震 1.374 1.10
　　 稳定渗流期
　　上游坝坡 14 设计洪水位1170.797m+7°地震 1.281 1.10
　　  15 正常蓄水位1169.954m+7°地震 1.288 1.10
　　  16 死水位1162.690m+7°地震 1.374 1.10
　　  17 正常蓄水位1169.954m降至死水位1162.690m+7°地震 1.287 1.10
　　
　　图5.2-2设计水位和设计水位加地震工况上、下游坝坡抗滑稳定计算图
　　
　　
　　
　　图5.2-3正常水位和正常水位加地震工况上、下游坝坡抗滑稳定计算图
　　
　　图5.2-4死水位和死水位加地震工况上、下游坝坡抗滑稳定计算图
　　图5.2-5正常水位降落至死水位加地震工况上游坝坡抗滑稳定计算图
　　
　　（4）大坝抗滑稳定分析
　　大坝经过防渗后减少坝体、坝基渗漏量，且降低了坝体的浸润线，有利于坝体的稳定。从表5.3-4看出上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均能满足规范要求。
　　2.3除险加固设计
　　根据对坝体病害的分析，决定采取的工程除险加固措施为：防渗堵漏，加固坝体。即对渗漏严重，透水大的坝体、两坝肩、坝基进行帷幕灌浆处理，对不稳定的下游坝坡进行加固，满足坝体稳定要求，修整上、下游坝面，新建坝脚排水设施，下游人行踏步，为保证工程除险加固后的安全运行及管理，还需增设必要的渗漏、变形监测设施。
　　2.3.1坝体结构设计
　　（1）坝顶高程确定
　　根据规划计算结果，坝顶高程仍为1172.18m。
　　（2）大坝结构布置
　　①坝顶
　　大坝坝顶高程1172.18m，坝顶宽6m，长130m。坝顶上游侧设0.3m×0.3m的砼护肩，下游侧设路缘石，路面为砂石路面。为便于坝顶排水，设2％横坡倾向下游。
　　②坝坡
　　坝坡比分别为：上游坝坡坡比为1:2.6。下游坝坡1165.25m以下坝段的坡比为1：3.8，1165.25m设一道宽4.8m的戗台；1165.25m～1172.18m（坝顶高程）坝段的坡比为1：2.6。
　　③护坡
　　上游坡死水位以上采用干砌块石护坡，下设20cm厚、由砂、碎石组成的混合反滤层。下游坡采用植草护坡。
　　④排水
　　下游坝坡与岸坡连接处及戗台内侧设置0.3m×0.3m排水明沟，截断山体地表水对坝坡冲刷，将坝面集水和岸坡集水引向下游。坝脚排水采用贴坡排水方式，排水体与坝体、坝基相接处设置反滤层，排水体下游测设置导渗沟。
　　⑤基础处理
　　基础处理包括上、下游坝坡面的开挖、削坡。对坝体上游坡面、下游坡面的开挖，将坡面较为松散的表层土、树根、杂草等全部清除，上游坡面平均开挖深度为0.60m，下游坡面平均开挖深度为0.40m。
　　2.3.2坝体、坝肩以及坝基防渗处理
　　根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）、《土坝坝体灌浆技术规范》（SD266—88）等规范并结合本工程坝基、坝土地质条件，对大坝防渗设计采用对坝体、坝基、坝肩及结合部进行帷幕灌浆的方法。
　　对大坝坝体、坝基、坝肩结合部采用帷幕灌浆方案，并结合大坝下游新建排水设施，以形成完善的防渗体系。拟定防渗帷幕灌浆长度为150.5m，大坝防渗帷幕灌浆共布置101个灌浆孔。帷幕底界进入弱透水层5m，防渗底界以＜10Lu控制。防渗帷幕灌浆沿坝轴线布置，单排孔，顶界至正常蓄水位1169.954m。对坝土基岩结合部，应采用结合部灌浆工艺，孔距1.5m，孔口第一段、结合部每2～3m为一个灌段，其它每5m为一个灌段；坝体采用1：3的水泥粘土浆灌注；对基岩采用帷幕灌浆，孔距1.5m，基岩灌浆段长大于5.0m，用纯水泥砂浆灌注，均分为三序进行施工。
　　灌浆土料的控制指标为：充填灌浆—塑性指数10～25%，粘粒含量20～45%，粉粒含量40～70%，砂粒含量<10%，有机质含量﹤2%，可溶盐含量﹤8%。浆液的控制控制指标为：充填灌浆—泥浆密度1.3～1.6g/cm³，粘度（s）30～100，稳定性<0.1g/cm³，胶体率﹥80%，失水量(cm³/30min)10～30。灌浆压力按起始压力、单孔最大压力和屈服压力三级控制。坝土采用干法造孔(不得用清水循环钻进)、分段灌注、少灌多复。灌浆压力、孔距及浆液配比通过灌浆试验确定。
　　坝基帷幕灌浆采用灌注纯水泥浆，灌浆压力可按P=P。+mD计算,初定为0.2～0.4MPa，灌浆水灰比采用5:1、3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1、0.5:1等比级，灌浆时由稀到浓，逐级变换，开浆水灰比可采用5:1。
　　2.3.3观测设计
　　1、大坝观测
　　大坝的安全是水库能否正常运行的关键。为了监测大坝施工期及运行情况，在水库运行期间，除应进行一般外表观测外，还应对坝面位移、坝体及坝基渗流、绕坝渗漏、库水位等进行观测并作详细记录。
　　（1）一般外表观测
　　一般外表观测是对坝面是否受到人为或生物破坏，坝面是否出现裂缝、坍陷、隆起、渗水、流土、管涌等异常现象进行观测。
　　（2）渗流观测
　　大坝渗流观测包括坝体浸润线、渗流量及绕坝渗漏等观测。
　　渗流量包括坝体、坝基及绕坝渗漏，这三种形式的渗漏量一般难以分开，因此，在下游坝脚处设一座三角堰观测总渗漏量。由于该坝为除险加固，加强施工期的渗流观测是十分必要的。在大坝加固后，坝体浸润线采用测压管观测。坝面设测压管，总长46.2m。测压管采用50mm镀锌钢管。
　　（3）位移观测
　　位移观测包括坝面垂直位移观测和水平位移观测。大坝位移观测标点设于坝顶下游侧和下游坡戗台内侧。在两岸坡上设水平位移观测工作基点和校核基点。为提高垂直位移观测精度，方便观测实施，将垂直位移观测基点设在与观测标点埋设高程相近的左右岸山坡。位移观测需配备J2经纬仪、S1水准仪各一台。
　　（4）库水位观测
　　库水位是水库运行调度的重要依据，也是大坝安全运行控制参数，故必须进行观测。拟定用水尺作为库水位观测设施。水尺布置在岸坡较稳定、观测较方便的位置。
　　（5）其它观测
　　其它观测包括泄洪输水涵洞出流量、消能、建筑物外表观测。在高水位期间，应加强泄洪输水涵洞进口洞脸附近渗流观测。通过出流量观测。验证泄洪输水涵洞的水位～开度～流量关系。
　　根据《土石坝观测技术规范》要求，锅底塘水库大坝所布设的观测设施见表表5.2.5。
　　
　　表5.2.5大坝观测设备工程量表
　　序号 观测项目 观测仪器类型 单位 数量
　　1 坝体表面位移观测 位移标点 个 4
　　2  起测基点 个 2
　　3  工作基点 个 2
　　4  校核基点 个 2
　　5 坝体浸润线 测压管 m 46.2
　　6 渗流量观测 量水三角堰 个 1
　　7 库水位观测 水位尺 根 8
　　8 位移观测仪器 经纬仪 台 1
　　9  水准仪 台 1
　　
　　3、溢洪道除险加固设计
　　3.1溢洪道现状及主要病害
　　溢洪道型式为开敞式溢洪道，布置于右坝肩，无衬砌，两壁及渠底大部位于第四系坡、残积层中，少部位于强风化之泥盆系中统宣武田组（D2x）粉砂质泥岩中，稳定性较差。尺寸为1.5×2.4m，进口底板高程1169.954m。通过水力计算，最大泄流量3.04m3/s，不能够满足200年一遇（洪峰流量为Q=9.3m3/s）校核洪水泄洪要求。长度不足以将下泄洪水输送到下游河道，出口处为进库公路，无消能设施及尾部渠道，汛期洪水将危会及大坝安全及冲毁下游进库公路、农田。
　　3.2除险加固设计
　　针对溢洪道存在的问题以及经过现场勘查，决定不再使用老溢洪道，老溢洪道采用坝土回填压实，并在大坝左坝端新建溢洪道，加大溢洪道断面尺寸以满足泄洪要求，在尾部增加消能设施。
　　此次除险加固设计溢洪道堰顶高程1169.954m，进口控制段宽2.5m，由进水渠段、控制段、泄槽段、出口消能段及出口段渠道等部分组成，全长147.9m。设计洪水位1170.797m，相应下泄流量为4.66m3/s，校核洪水位1171.29m，相应下泄流量为9.3m3/s，本次设计需要根据设计洪水计算溢洪道断面尺寸以满足泄洪要求。进口八字段底板宽度为4.5m～2.5m，底部为30cm厚浆砌石、15cm厚混凝土；边墙为M5.0浆砌石和M7.5浆砌毛条石，边墙顶宽0.5m。消力池长8m，消力池出口段接渠道将尾水归入下游老河道。
　　3.3设计计算
　　溢洪道的泄洪能力，采用宽顶堰自由溢流计算公式进行计算，计算公式如下：
　　式中：流量系数m=0.32+0.01
　　净宽b=2.5m
　　重力加速度g=9.81m/s2
　　复核成果见下表：
　　
　　库水位与溢洪道流量关系表
　　库水位（m） 流量（m3/s）
　　1170.682 3.75
　　1170.797 4.66
　　1171.29 9.3
　　4、输水涵洞除险加固设计
　　4.1输水涵洞现状及病害
　　输水涵洞位于大坝中偏右段，为一坝下涵洞，为浆砌石城门形无压洞，采用锅盖闸门放水，由于年久失修、设备老化，启闭困难且安全隐患严重，洞身受多年水压、水浸蚀作用，造成水泥砂浆填缝被溶解，洞室整体砌石强度降低，洞壁四周渗漏较为严重，若长期渗漏，将造成坝体的破坏，其病害已经威胁了坝体的稳定。
　　4.2除险加固设计
　　4.2.1结构布置
　　本次设计不改变涵洞的走向、位置，只采用钢管内衬、灌浆和C15砼填充处理措施，更换闸阀并新建闸室。
　　鉴于输水涵洞尚未出现断裂等严重影响结构稳定的因素，而且涵洞断面尺寸很大，具备进行加固处理的实际条件，拟对老涵洞采用DN500mm钢管内衬，进行C15砼填充加固，然后再进行灌浆处理。先造竖孔并用套管固壁，待水平灌浆结束后，再进行竖向灌C15细石砼充填灌浆处理，对老涵洞内原渗漏部位进行封堵，截断坝体与管周边可能出现的渗漏通道，使老涵洞结构的整体性得以加强，新建出口闸室。该方案对原有建筑物进行除险加固，不破坏原枢纽建筑物及涵洞结构，投资较省，工程量较小；加固输水涵洞，可免除长期存在的渗漏问题，有利于坝体稳定。但是工程施工与灌溉、防洪、供水等方面干扰较大，施工导流困难；另外灌浆工程质量难以控制。
　　原输水涵洞除险加固改造后，全长81.7m，出口端接下游原灌溉渠道。输水涵洞进口设拦污栅一道，拦污栅型式为平面拦污栅，采用钢板与型钢焊接结构；出口增设2套DN500闸阀，并新建闸室（20m2）。
　　4.2.2输水能力复核
　　输水涵管为有压流，过流量计算公式如下：
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　式中：μ——流量系数；
　　ξi——某一局部能量损失系数；
　　li——涵管某一段长度，m；
　　ω——涵管出口断面面积，m²；
　　ωi——断面面积；
　　T0——上游水面与涵洞出口底板高程差
　　Hp——闸门出口断面水流的平均势能
　　经计算，闸门全开时，不同水位涵管过流量如下：
　　校核洪水位1171.29m：Q=1.50m³/s。
　　设计洪水位1170.797m：Q=1.46m³/s。
　　正常蓄水位1169.954m：Q=1.41m³/s。
　　5、结语
　　哨中安水库除险加固工程的主要任务是解决下游村庄的灌溉用水。工程实施后的受益区面积为1100亩，合理利用了当地水资源，发挥了工程效益，有力促进地方社会经济的可持续发展和人民生活水平的提高。
　　除险加固后的哨中安水库，能对下游河道的洪水起一定的调洪错锋作用，在汛期对下游农田、村庄、人民生命财产安全和交通干线起到重要的防洪保护作用。

《哨中安水库工程除险加固设计的探讨》

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文章名称： 哨中安水库工程除险加固设计的探讨

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