花马冲水库除险加固工程大坝稳定性分析

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

花马冲水库地处龙里县北部三元河上游左支流大竹河上，水库原校核洪水标准为300年一遇，设计洪水标准为30年一遇。大坝为黏土斜墙堆石坝，即上游部分为黏土夹碎石，作为大坝防渗体，下游部分为人工堆石体，作为大坝的排水体，大坝最大坝高19.50m，坝顶长度108m，坝顶最大宽度16m，坝顶高程1486.73m，大坝迎水面为干砌石护坡，坡度为1∶2，大坝背水面为干砌块石，坡度为1∶1.1，分别在1479.86m和1478.04m高程处设有2m宽的马道；溢洪道布置在大坝的左岸，为正槽式溢洪道。堰顶高程为1483.95m，溢流堰型为开敞式宽顶堰，堰宽8m、堰长约为25m，后接坡度约为1∶3的泄槽段；放水涵洞布置在大坝的右侧，属于坝下埋管，为浆砌石箱涵，共长80m，进口底板高程为1474.95m，出口底板高程为1474.75m，断面尺寸为0.8m×0.8m，设计过水流量为1m3/s，在取水口处设有一个直径为30cm的双向转动闸门，涵洞出口接灌溉渠道。水库设计正常蓄水位为1483.95m，兴利库容为107万m3,水库总库容为125万m3。花马冲水库是一座以农田灌溉为主兼有防洪功能和水产养殖等功能的小(1)型水库工程。

2 大坝安全复核及规模确定

安全复核时，根据大坝坝顶高程和溢洪道的现状，对大坝防洪标准重新进行复核，将该水库防洪标准提高到500年一遇校核，50年一遇设计。相应水库总库容为159万m3；正常蓄水位1483.95m，相应库容为122万m3；死库容为3.60万m3，防洪库容为37万m3，兴利库容为118.4万m3。该水库库容系数为0.54，为多年调节水库。

3 除险加固设计

3.1 设计依据

a.《龙里县花马冲水库大坝安全评价报告》

b.《水利水电工程等级划分和洪水标准》(SL 252—2000)

c.《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL 189—2013)

d.《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(SL/T 225—1998)

e.其他有关国家、行业标准和规范

3.2 大坝渗流及稳定计算

3.2.1 大坝渗流计算

a.计算目的。确定坝体浸润线及其下游出逸点位置，核算大坝稳定和分析渗流稳定；确定坝体渗流量，估计水库渗漏损失。

b.计算原则。大坝为黏土斜墙堆石坝，上游面防渗黏土渗透系数为2.1310-4～2.1710-5cm/s，计算时取平均值为8.510-5cm/s。坝后堆石体作为大坝排水体，具有排水能力。另外，由于大坝清基不彻底，坝基基岩与坝体之间普遍存在一层厚0.20～1.40m的河沙，加之坝基及两坝肩基岩表层强风化带(深约为7.5m)，其吕荣值大于5lu，渗透系数为4.4×10-4cm/s，故该坝基强风化带部分可看成透水地基。综上，本工程大坝的渗流计算按有限深透水地基上下游有排水设备的土坝进行计算。

根据《小型水利水电工程碾压土石坝设计规范》(SL189—2013)的规定，渗流计算应考虑水库运行中的各种不利情况，需计算上游正常蓄水位与下游相应最低水位、上游校核洪水与下游相应最高水位组合。

c.渗流计算及成果分析。根据相关资料，通过坝身和坝基的单宽渗流量计算结果见表1。

表1 渗流计算成果

从计算成果看，通过坝身的渗透水量不大，其计算出的渗透坡降也小于黏土的允许渗透坡降4～6，属于稳定渗流，但对于由于清基不彻底而在坝基基岩与坝体之间普遍存在的一层河沙，已远大于其发生管涌的允许渗透坡降0.2，致使大坝发生渗漏破坏，故必须对坝基渗漏问题进行处理。

3.2.2 大坝稳定计算

大坝为土石混合坝，其下游坡度的稳定一般由下游堆石的内摩擦角决定。由于现在没有条件测出下游堆石的内摩擦角，考虑到大坝建成以来下游坡在目前的坡度下一直保持稳定，且下游坡面有干砌石护坡，并设有两级马道，故认为下游堆石坡度是稳定的。下面仅针对大坝上游黏土坡进行稳定计算。

a.计算工况及安全系数。根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL 189—2013)上的规定和本工程实际情况。需计算正常运用条件下库水位正常降落期的上游坝坡、非常运用条件下库水位非常降落期的上游坝坡工况。

本工程为Ⅳ等工程，土坝为4级建筑物，根据规范，采用瑞典圆弧法，坝坡抗滑稳定最小安全系数为：正常运用条件1.15，非常运用条件1.05。

如采用简化毕肖普法，坝坡抗滑稳定最小安全系数为：正常运用条件1.27，非常运用条件1.16。

b.坝体物理力学指标确定。大坝为土石混合坝，上游坝黏土的物理力学指标根据土工试验和《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL189—2013)规定，按表2取值。该阶段土工实验有天然状态快剪、天然固结快剪、饱和快剪、饱和慢剪。规范规定水位降落期采用直接固接快剪强度指标(或三轴固接不排水剪总强度指标)，故采用天然固接快剪强度指标。

表2 黏土物理力学指标

c.稳定计算及结果分析。大坝坝坡稳定计算按刚体极限平衡理论法计算，具体计算时用土质边坡稳定分析程序进行计算，在水库降落期的计算时假定水位降落前后浸润线不变，用总应力法计算。输入数据后，利用该程序计算出结果见表3。

表3 水库降落期的上游坝坡稳定系数K

根据以上坝坡稳定计算成果，可见其K值在正常运用条件时大于1.27，非常运用条件时大于1.16，均满足规范要求，证明坝坡是稳定的。

4 水库安全评价结论

通过对水库的大坝、溢洪道及放水涵洞进行安全评价，得出如下结论：水库大坝实际抗洪能力满足《防洪标准》(GB50201—2014)和《水利水电工程等级划分和洪水标准》(SL252—2017)规范要求；工程地质及水文地质条件满足花马冲水库建库要求，无法发挥应有的灌溉效益。

水库建成至今，出现多次右坝肩上游岩溶塌陷和坝体沉险的险情，并且大坝下游渗漏严重，放水涵洞内壁渗漏严重，危及大坝的安全；大坝地基处理不到位，且右坝肩岩溶塌陷使大坝防渗斜墙发生变形破坏，致使大坝出现坝基渗漏和渗透破坏；涵洞基础处理、防渗处理不到位，导致涵洞局部受拉裂变形破坏，影响了对下游渠道的供水。

5 除险加固施工

除险加固的主要内容为：对大坝进行防渗处理，即在坝上游坝脚开挖至基岩增设混凝土截流墙，并在该截流墙上进行帷幕灌浆。以解决坝基渗漏和因此而引起的大坝渗透破坏。另外在截流墙以上的上游坝坡铺设土工膜防渗，以解决坝身渗漏。

对大坝进行整治，即对坝坡、坝顶外观进行整治回填，对右坝肩上游的岩溶洞穴进行开挖回填以堵塞进水通道；在大坝右岸新建引水隧洞，同时封堵坝下放水涵洞；对溢洪道进行开挖回填整治。

对进库公路进行维修改造；维修管理房屋；完善防汛通讯和照明设施；增设自动化监测系统。

5.1 帷幕灌浆施工

帷幕灌浆线沿齿墙布置，左岸跨过溢洪道延伸到左岸山体约12m，右岸延伸到右岸山体约30m。除右岸坡有一段为双排布置外，其余均为单排布置。帷幕灌浆总进尺为2430m，其中有效进尺为1900m。帷幕灌浆采用自上而下分段灌浆法，分序逐渐加密的原则。选用YQ-100型潜孔钻造孔，BW-200电动双缸卧式灌浆机孔内循环法灌浆。

5.2 引水隧洞施工

引水隧洞位于右岸，洞长180m，衬砌断面为φ1.90m的圆形，开挖断面为2.5m×2.5m的圆形，进口底板高程为1474.95m。隧洞开挖采用钻爆法施工，光面爆破，一次成型。出碴采用小型机动车洞内运输至弃碴场。隧洞采用钢筋混凝土衬砌，钢筋制作在洞外进行，机动车运进洞内后人工就位并绑扎立模。混凝土在洞外拌和，机动车运进洞内后人工浇筑。

5.3 大坝整治施工

大坝整治土方开挖采用1m3挖掘机挖装自卸汽车运输，土方填筑采用人工配合小型压实机械碾压。

上游坝面经开挖填筑等修整后即铺设防渗复合土工膜。首先将卷成捆的土工膜沿坝坡由下而上纵向铺放，同时，周边用V形槽形式埋固好。铺膜时不能拉得太紧，以免受压破坏。回填保护层要与土工膜铺设同步进行；保护层采用沙壤土或沙，厚度不小于0.50m；先回填防滑槽，再填坡面，回填边压实；保护层上面再按设计恢复原有护坡。

右坝肩上游岩溶塌陷坑处理采用人工施工。

5.4 溢洪道整治施工

溢洪道整治施工主要包括土石方开挖、混凝土回填、浆砌石砌筑等，均为人工施工。

6 结 语

花马冲水库经除险加固后，防渗处理效果良好，有效提高了大坝运行安全可靠性，保证了下游农田得到正常灌溉，确保下游生命财产安全，经济效益和社会效益显著。