广东德信源水利工程设计有限公司
摘要：水库工程具有灌溉、供水、防洪等作用，对我国国民经济的发展及人们生命财产安全具有十分重要的意义。因此，对病险水库进行除险加固设计，确保水库功能效益的发挥十分重要。本文结合某水库工程实例，分析了该水库大坝的现状，针对其主要的病险进行加固设计，为类似工程提供参考借鉴。
关键词：水库；大坝；除险加固；设计
引言
随着我国社会经济的快速发展，水库作为与国民经济发展息息相关的基本设施之一，在经济发展中起着至关重要的作用。但由于我国许多水库建设年代较为久远，受限于当时的技术水平，且运行时间过长，水库的主要建筑物已不能满足防洪要求，坝体坝基渗漏严重，危及大坝安全，严重影响了水库功能效益的发挥，并对人们的生命财产安全构成了威胁。对这些病险水库进行除险加固施工势在必行。
1 工程概况
某水库工程是一座具有灌溉、供水、防洪等功能的小（Ⅰ）型综合利用水利工程，水库流域面积8.67km2，水库现有库容345×104m3，死库容20×104m3，兴利库容296×104m3。该水库大坝为均质土坝，最大坝高27.8m，坝顶轴线长191m，坝顶宽4.7m，坝底宽165.94m，上游坝面边坡1∶3.0，下游坝面边坡为1∶2.8，上游采用干砌石进行护坡，下游采用草皮护坡，坝下游采用贴坡排水，排水体高4.6m，顶宽1.0m，坡度为1∶2.1。
2 水库存在的问题
水库大坝是主要的构筑物，其质量决定了该水利建筑物主要功能的发挥情况。在实际的使用过程中，主坝、基坝以及副坝都可能出现问题，此外，在排水系统等部位也可能存在设计缺陷或者是使用中出现问题。根据细致的检测，原设计防洪标准和洪水计算成果不符合现行规范要求；经水库抗洪能力复核，水库抗洪能力不能达到现行规范要求，不能满足防洪条件；经过坝坡稳定计算，大坝在稳定渗流期，上下游坝坡抗滑稳定安全系数能满足规范要求。坝体上下游面未见危及大坝安全的变形，溢洪道边墙完好，底板局部损坏，无消能设施。
原大坝底部回填施工时，基础未作坝基防渗处理。库区岩溶弱发育，运行多年，并未发现库区渗漏现象，水库成库条件较好。坝（肩）基存在坝体与强风化基岩接触面渗漏问题，应进行防渗处理。
3 工程除险加固设计
3.1 工程地质
大坝为均质土坝，坝顶高程为274.0m，最大坝高27.8m。两岸基岩零星出露，覆盖厚0～3m，主要由残坡积的黏土组成，左右岸地形坡度35°，边坡较稳定。岩层产状130∠46°，坝区范围内无区域性地质构造通过。
坝下游有明显的漏水点S1，勘察时渗漏量约1L/s，坝基有明显渗漏点S2，勘察时渗漏量约1.5L/s；下游坝面存在塌陷多处，其中最为明显的为两处，W1塌陷位于坝体中部，W2塌陷位于坝体中下部，且塌陷中均有漏水点。
大坝坝基及两坝肩主要是置于第四系残坡积上，以黏土夹少量碎石为主，其渗漏通道为库水沿坝体与基础的接触带向下游产生渗漏，可明显看出的漏水位置有S1、S2，渗漏总量约2.5L/s，应进行防渗处理。建议采用帷幕灌浆的方式进行防渗处理，帷幕下限高程可控制在250～240m，帷幕边界以接地下水位与正常蓄水位的交点为原则，可控制在坝肩两岸山体20m以内。
3.2 工程设计
3.2.1 大坝稳定安全复核
安全复核的目的是复核该水库大坝目前在静力条件下的变形、稳定是否满足规范要求，本次结构安全复核主要建立在工程现状基础上进行的，分析的基础是坝体ZK1、ZK2、ZK3、ZK4号钻孔资料及土样检测试验成果，并结合工程运行现状，选定有关参数进行分析复核计算，再综合评价大坝的结构安全性。
3.2.2 采用坝体材料试验成果
该水库始建年代较早，当时的设计和施工资料保存完整性较差。本次坝体内钻孔取样16组，从取出样品试验报告看出，坝体填筑土料均为黄色黏土。主要试验统计成果见表1。
表1 坝体材料主要试验统计成果表
3.2.3 坝体稳定复核
3.2.3.1 坝体渗流分析
经对坝体检测试验资料统计分析后显示，坝体填筑质量较差，未达到原设计要求。通过钻孔注水试验、取样室内土工试验并结合实际情况，坝体防渗土料平均渗透系数取4.4×10－4cm/s，不满足《碾压式土石坝设计规范》（SL274－2001）第4.1.5条“防渗土料渗透系数不大于1×10－4cm/s”的规定。
3.2.3.2 渗流计算方法及工况
结合该工程的现状，对大坝渗流复核计算考虑下列两种水位组合情况：
工况1（稳定渗流期）：上游正常蓄水位272.3m，下游水深为1.5m。
工况2（水库水位降落期）：水库水位从正常蓄水位272.3m下降至二级放水涵洞取水口高程252.0m。
经计算，工况1单位渗漏量q=0.00103m3/d，工况2单位渗漏量q=0.00033m3/d。坝体各计算工况下浸润线见图1、图2。
图1 稳定渗流期坝体浸润线示意图
图2 水位降落期坝体浸润线示意图
由于该水库大坝为均质土坝，坝体土体为黏性土，若发生渗透破坏，一般情况下只会发生流土型渗透破坏，因此根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274－2001）中计算流土的渗透坡降公式：
Jmax≤J允许
Jmax=ΔH/ΔS
J允许=（Gs－1）（1－n1）/K
式中：Jmax为计算最大出逸坡降；允许为允许渗透坡降；ΔH为渗流水头，m；ΔS为渗流路径，m；GS为表层土的土粒比重，取2.75；n1为表层土的孔隙率，取55.36%；K为安全系数，取1.5～2.0，本次工程取1.75。
对两种计算工况下坝体浸润线进行复核，工况1最大出逸坡降Jmax=0.7＞J允许=0.45，工况2最大出逸坡降Jmax=0.46＞J允许=0.45，因此两种计算工况下坝体都会产生渗透破坏。
由于下游仍有渗漏点出现，说明坝体填筑材料较差且填筑密实度不够，所以本次设计采用土工膜防渗。
3.2.3.3 坝体稳定复核计算
1）计算目的及要求。本次复核计算是根据《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规范》（SL189－2013）来进行，计算的目的是保证土石坝在自重、各种情况下的孔隙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和坝基的整体剪切破坏。本水库大坝为4级建筑物，根据规范要求，正常运用条件下，采用瑞典圆弧法计算的坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.15，采用简化毕肖普法计算的坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.25。
2）计算工况。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274－2001）的规定，考虑坝体工作情况以及可能遇到的最不利情况，该水库大坝现状的坝坡稳定复核计算考虑了下列两种工况：
工况1：上游正常蓄水位272.3m时稳定渗流期的上下游坝坡。
工况2：水库水位降落期的上游坝坡（水库水位从正常蓄水位272.3m降至二级放水涵洞取水口高程252.0m）。
3）计算方法。坝坡抗滑稳定计算采用刚体极限平衡法，采用北京理正软件研究所《边坡稳定设计软件》（3.61版）计算。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274－2001）中的规定，对于均质土坝采用计及条块间作用力的简化毕肖普（SimplifiedBishop）计算公式为：
式中：W为土条重量；V为垂直地震惯性力，本工程不考虑地震作用力；u为作用于土条底面的孔隙压力，根据流网确定；a为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b为土条宽度；c'，φ'为土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩，取为零。
4）计算结果。①正常蓄水位稳定渗流期的上下游坝坡。见表2。
表2 正常运用条件上下游坝坡稳定计算成果表
计算结果表明，在正常蓄水位稳定渗流期下游坝坡稳定性均能满足规程规范要求。
②水库水位从正常蓄水位272.3m降至二级放水涵洞取水口高程252.0m时的上游坝坡。见表3。
表3 非正常运用条件上游坝坡稳定计算成果表
计算结果表明，库水位从正常蓄水位272.3m降至二级放水涵洞取水口高程252.0m时的上游坝坡稳定能满足规程规范要求。
③各工况稳定成果分析。在上述计算工况下，坝体上下游坝坡稳定安全系数均能满足《碾压式土石坝设计规范》（SL274－2001）要求。
4 结语
综上所述，水库作为最常见的水利工程，对防御洪涝灾害和保证国民经济的发展起着至关重要的作用。因此，必须对病险水库进行除险加固施工，选择最优的除险加固设计方案，引进先进的施工技术、施工材料进行施工；同时还要完善施工管理体系，加强除险加固施工的质量控制，严格控制各个施工工艺的施工质量，从而确保工程整体的施工质量，保证水库大坝的安全和水库功能效益的发挥。
参考文献：
[1]辛亚东，张晓旭，张波.石兰会水库除险加固工程设计分析[J].内蒙古水利.2015（06）
[2]周太鹏.谈谈病险水库除险加固土石坝设计问题[J].科技创新导报.2014（31）
论文作者:陆锦云
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/6
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