摘要：随着水库运行时间的增长，水库暴露出来的安全隐患也逐渐增多，为了确保水库的安全稳定运行，及时进行除险加固设计就显得尤为重要。本文结合施工案例，首先对水库大坝渗漏的原因以及大坝的稳定进行了探讨，并详细阐述了水库大坝的除险加固设计，以期为类似水库的除险加固提供参考。
关键词：大坝；渗漏；原因分析；结构设计；校核；工程质量
水库大坝在防御洪水灾害和保障国民经济建设上发挥了不可替代的作用，但是由于使用的时间及水库的老化还有本身施工质量的不理想等原因，使其出现渗漏等问题，导致水库的整体安全性、适用性和耐久性下降，功能得不到正常发挥，可能会对下游广大人民的生命财产安全造成威胁。因此，我们必须及时采取相应的除险加固措施，以确保水库大坝的安全运行。本文结合具体的施工案例，对水库大坝渗漏原因进行分析，并针对存在的问题提出了一套水库大坝除险加固设计，以期对加强我国的水库大坝安全事业贡献一份绵薄之力。
1 工程概况
大埔县某水库大坝采用粘土斜墙进行防渗，坝体为壤土、砂砾料混合坝，坝长90m，坝顶高程410.5m，坝顶宽5.5m，最大坝高25.546m。溢洪道位于大坝左端，为开挖山体形成的开敞式溢洪道，堰体为a型驼峰堰。输水洞位于大坝左侧，为钢筋混凝土圆形有压隧洞。洞内径0.8m，全长146m，（其中主洞126m，发电支洞20m）。
通过现场调查、勘探、测量得知，水库大坝坝体为壤土、砂砾料混合坝，坝长90m，坝顶高程410.5m，坝顶宽5.5m（含防浪墙0.5m），最大坝高25.546m，粘土斜墙顶高程为408.052m，防浪墙为浆砌石结构，顶宽0.5m，顶高程411.627m，防浪墙经过2次加高，现有15条纵向裂缝，且无止水，不能起到防水作用。实测大坝上游坝坡（自上而下）坡比为1∶2.5、1∶3.0、1∶2.0，实测下游坝坡（自上而下）坡比为1∶1.85、1∶1.93、1∶2.4，上游坝坡为干砌石护坡，下游坡为碎石护坡，坝脚处设置贴坡式排水体。
2 大坝渗漏原因分析
水库大坝已运行30多年，对其进行安全评估后发现存在以下问题：
（1）根据地质勘察，水库正常蓄水情况下，左、右坝端山体风化带存在绕渗，需采取防渗处理。
（2）大坝下游坝坡稳定系数小于允许值。上游坝坡干砌块石块径小，厚度不够，多为片石，需拆除重修。
（3）大坝没有任何观测设施，需对水库配置观测设备。
（4）粘土斜墙顶高程408.052低于设计洪水位408.407，不满足规范要求。防浪墙为浆砌石结构，并没有止水，起不到挡水作用。
由于大坝心墙高度较小且大坝建筑质量较差，此处容易形成渗流通道。1970年修筑坝体心墙时没有控制土料质量，根据钻孔测量发现填土的成分为砂壤土、壤土、砂砾料，整体结构松散，易出现塌孔漏水。此外，坝体内的白蚁巢穴较多，如果蚁穴穿透心墙，将形成很多微小渗流通道。
此处的地层为片麻岩，坝基处的岩石风化严重，施工时清除强风化层并不彻底，导致仍存在厚度2m左右的强风化层。根据压水试验数据，强风化层的透水率为15Lu左右，弱风化层的透水率为8Lu左右。特别是右坝肩处有明显裂隙发育，甚至出现绕坝渗漏现象，亟需加固处理。
3 大坝稳定分析
取大坝最不利断面（0+180m）进行稳定计算，容重取其平均值，渗透系数取其试验参数的大值均值，抗剪强度指标取其试验值的小值均值，稳定计算中的饱和容重根据各项试验值采用下式计算［5］：
（1）
式中：G为土粒比重；r为天然容重，kN/m3；W为天然含水量，%；Rw为水的容重，kN/m3。稳定计算出的大坝土料性能指标见表1。
表1 水库大坝土料性能指标
位置 干容重 g/cm³ 湿容重 g/cm³ 饱和溶重 g/cm³ 渗透系数 cm/s 内摩擦 角度 凝聚 力kPa 粘土斜墙 1.484 1.899 1.94 1.308×10-5 10.5 19.38 壤土 1.525 1.907 1.96 1.503×10-5 20.5 11.5 砂砾料 1.79 1.93 2.13 1.966×10-4 30.0 0
按混合式土石坝进行稳定计算，采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法，计算坝坡抗滑稳定安全系数。根据大坝现状的实际环境条件和水位参数，计算正常运行条件下和非常工作条件下的边坡稳定系数，计算成果见表2。
表2 边坡稳定系数计算结果
计算工况 瑞典圆弧法 K计 K允 正 常 工 况 正常高水位上游坡稳定渗流期 1.238 1.2 正常高水位下游坡稳定渗流期 1.18 1.2 设计洪水位上游坡稳定渗流期 1.292 1.2 设计洪水位下游坡稳定渗流期 1.18 1.2 1/3水位上游坡稳定渗流期 1.276 1.2 1/3水位下游坡稳定渗流期 1.176 1.2 非常 工况 校核洪水位上游坡稳定渗流期 1.238 1.1 校核洪水位下游坡稳定渗流期 1.056 1.1
由表2看出，下游坡安全系数小于允许安全系数，所以土坝下游坡是不稳定的，不满足规范要求，需进行加固处理。
4 大坝除险加固设计
4.1 大坝结构设计
坝顶高程维持原高程410.5m，防浪墙顶高程411.5m，斜墙顶高程408.6m。本次加固设计将坝顶宽度设置为5.5m（含防浪墙），坝顶路面为7cm厚沥青路面，垫层为15cm厚水泥稳定土基础和20cm厚砂砾料，路面下游侧设15cm宽路缘石。原粘土斜墙顶高程为408.052m，设计粘土斜墙顶高程为408.6m，顶部水平宽度为4.0m，施工时要与原粘土密切衔接好。将原浆砌石防浪墙拆除，新建C25钢筋混凝土防浪墙。防浪墙后移1.5m，顶高程为411.5m，根据结构要求，防浪墙底宽取1.8m，顶宽取0.45m，高为2.9m，每20m设一道伸缩缝，防浪墙底坐落在粘土斜墙上，见图1。
图1 防浪墙结构示意图
4.2 护坡设计
上游坡坡比维持现状不变，坡比为1∶2.5、1∶3.0、1∶2.0（自上而下），高程391.5m和399.5m处设3.5m和1.5m宽戗台。上游坡高程391.5m以上部分，由于干砌块石径偏小，厚度不够，块石多为片石，因此水位波动较大，冬季产生冰冻破坏较严重。本次设计从391.5m高程以上拆除干砌石，重新铺设30cm厚干砌石，干砌石下新铺设10cm厚碎石垫层。
下游坡原坡比为1∶1.85、1∶1.93、1∶2.4（自上而下），坝坡稳定系数没有达到设计规范要求。需要用砂砾料将坡体补至设计坝坡，设计坡比为1∶2.25、1∶2.5、1∶2.5（自上而下）。下游坝坡采用20cm厚的干砌
石护坡，利用大坝上游坡拆除下来的块石护砌下游坝坡，在高程400.0m处设2m宽戗台。
将下游坡原贴坡排水体拆除，建新排水体。根据下游坡坝脚水位：391.4m+0.6m，将校核水位定为392.0m。后坝坡设2道宽为1m的上坝踏步，6道纵向和2道横向排水沟。
4.3 土坝渗流计算
根据地质数据可知，粘土的渗透系数为1.308×10－5cm/s，壤土的渗透系数为1.503×10－5cm/s，砂砾料的渗透系数为1.966×10－4cm/s。渗透流量计算公式：
q=q1+q2 （2）
坝体单宽流量为：
（3）
坝基单宽流量为：
（4）
式中：K0为坝基渗透系数；K1为壤土渗透系数；T为坝基透水层深度；He为下游出溢点高度；H1为坝体上游的水深；H2为坝体下游的水深；Le为截水墙不透水顶板的等效长度；ΔL为浸润线；由此计算出：正常高水位405.4m下的渗透流量为0.14m3/d；设计水位408.407m下的渗透流量为0.2m3/d；校核水位410.233m下的渗透流量为0.21m3/d；
4.4 边坡加固后稳定校核
采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法，计算加固后的坝坡抗滑稳定安全系数，计算结果见表3。
表3 边坡加固后稳定校核计算结果
从表3可看出，设计断面边坡稳定系数在任何工况下均大于规范允许的安全系数，所以加固后的大坝边坡是稳定的。
5 结论
总之，水库除险加固工程和其他基建工程一样，是关系到人民生命财产安全的百年大计工程，如不及时进行后果不堪设想。因此，为了保证水库大坝工程的质量与安全，必须针对水库存在的安全隐患采取有效措施及时进行水库除险加固的施工，并不断完善组织结构，落实工程责任，实施规范化管理。事实证明，本工程的除险加固设计实施是成功的，能够有效解决水库存在的坝体渗漏问题、保障水库大坝安全运行，应当加以推广使用。
参考文献：
[1]黄志良.病险水库的除险加固设计[J].现代农业科技.2012（05）
[2]徐长青.浅析水利工程水闸施工中设计管理的作用[J].科技风.2012（14）
论文作者:蓝伟国
论文发表刊物:《基层建设》2015年31期
论文发表时间:2016/9/27
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