水库除险加固中土坝的设计

龚立峰 赵亚昆

【摘要】：除险水库大坝不但不能发挥工程效益，还严重威胁着人民群众的生命财产安全。本文分别从土坝坝顶、坝坡加固设计、防渗处理设计、抗震加固设计等几个方面对水库大坝加固设计的要点进行了阐述。

【关键词】：除险加固土坝设计防渗设计

中图分类号：TV641.2 文献标识码： A 文章编号：

引言

水库是我国水利工程体系的重要组成部分，承担着防洪、供水、灌溉等十分重要的功能。我国大部分水库建成于上世纪 50 ～70 年代，由于先天不足、后天失修，经年累月积病成险，不仅严重威胁下游群众生命财产安全，而且严重影响水库效益的发挥。病险水库的除险加固一直是水利部门一项非常重要的工作，意义深远，责任重大，任务艰巨。本文主要针对此类问题进行了分析，并指明了工作中的重点和可行的措施。

一、加固设计方案的比较与选择

病险水库存在的主要问题往往是水库防洪标准低、坝顶超高不足或坝体渗漏严重、坝坡不稳定、溢洪道无消能设施及归河设施、输水涵管断裂沉陷漏水或几种情况兼而有之。原则上按照不加高坝顶高程、适当加大枢纽泄洪能力的方式，使水库防洪能力达到设计标准。小型水库建筑物除险加固，应基于安全经济、施工简单、易于质量控制的原则，针对具体情况综合分析比较，选择适用的措施。

二、土坝设计

1.坝顶超高的计算

坝顶超高计算依据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001公式：

d=R+e+a

式中：

d—坝顶超高，以m计；

R—波浪沿坝坡爬高，以m计；

e—最大风壅水面最大高度，以m计；

a—坝顶安全加高，以m计；

2.坝顶及坝坡设计

坝顶、坝坡除险加固设计是水库大坝除险加固设计的关键环节。坝顶路面要进行合理的排水设计，以提高水库大坝坝顶的稳定性。一般情况下，水库大坝的坝顶路面可以向下游方向倾斜20%左右，在下游侧铺设路缘石，使坝顶排水沟和排水口相连接，这样更有利于坝顶的排水。另一方面，还要注意水库大坝坝顶的高程，坝顶高程和宽度要符合相关规定标准。边坡比例对于水库大坝除险加固设计也很重要，综合考虑坝型、坝基、坝体、坝高等因素来确定大坝的边坡比例。坝坡的抗滑稳定性与坝坡渗流要根据坝体承受的荷载进行计算，来判断坝坡是否达到稳定标准。水库大坝护坡的加固设计要根据安全可靠、方便施工、就地取材、节约投资等原则进行设计，灵活采用预制砼或现浇砼等护坡形式。还要注意的是，在采用现浇砼进行护坡加固时，需设置足够的纵横缝和排水口，在坡脚设置基座。反滤层与上游坡的厚度要根据反滤和抵御风浪冲击的要求进行设定，水库大坝下游护坡加固可以采用草皮护坡的措施。

（1）坝顶设计

确定水库坝顶高程，根据现状实际情况确定坝顶宽，坝顶采用20cm厚砂石路面，两侧设路缘石

（2）坝坡设计

1)护坡设计

根据《碾压式土石坝设计规范》规定，砌石护坡在最大局部波浪压力作用下所需的换算球形直径和厚度按下面公式计算:

2)防渗设计

坝体出溢点比较高采用贴坡排水体，防止坝坡土发生渗透破坏，保护坝坡免受下游波浪淘刷，易于检修。确定贴坡排水体高程、平台宽为，边坡一般采用1:3，采用400mm厚块石、200mm厚卵石。

a.盖重厚度计算

式中:

Ja~x—表层土在坝下坡脚点渗透比降；

GS—表层土的土粒比重；

n1—表层土的孔隙率；

K—安全系数；

t1—表层土的厚度；

y—排水盖重层的容重；

γw—水的的容重；

b.盖重长度计算

式中：

Xr--相对不透水铺盖的等效长度；

t--铺盖厚度；

K--安全系数；

t1一表层土的厚度；

γb--二人工盖重体的浮容重；

三、坝基处理

坝基防渗采用垂直防渗方案，防渗设施由粘土防渗截水槽及灌浆帷幕组成。坝防渗截水槽粘土截水槽回填前，必须做好混凝土盖板顶部清理，并涂刷粘土泥浆；基础灌浆段为坝基岩段及溢洪道控制段。灌浆深度按坝基石英闪长岩以q≤5lu作为相对不透水层界线设置一排帷幕灌浆。坝基础如果出现局部地段有强风化破碎断层，则应该将该层清除至弱风化岩层，并将超挖部分用混凝土填塞。

四、大坝防渗处理设计

大坝加固就是为了让大坝更加坚固、安全，小型水库中影响大坝安全最主要的因素为渗漏问题，解决方法主要采用灌浆处理。大坝灌浆主要有坝体灌浆和坝基灌浆。坝基一般采用基础帷幕灌浆；坝体灌浆主要有：高压喷射灌浆、劈裂灌浆及坝体充填灌浆，其中坝体充填灌浆和高压喷射灌浆比较常用。以下是对三种灌浆方式特点的分析：

1.高压喷射灌浆

主要是利用钻机造孔，把带有喷头的灌浆管下至土层的预定位置，以高压把浆液或水来，一小部分细小土粒随着浆液冒出地面，其余部分与灌入的浆液混合掺搅，在土体中形成凝结体。其基本原理是利用射流作用切割掺搅地层，改变原地层的结构和组成，同时灌入水泥浆或混合浆液形成凝结体，借以达到加固地基和防渗的目的。

2.劈裂灌浆

劈裂灌浆利用最小主应力面和堤轴线方向一致的规律，根据土体水力劈裂的原理，顺堤向布孔，在灌浆压力下以适宜的泥浆液为能量载体，有控制地劈裂堤身，将与浆脉连通的所有裂缝、空洞、空隙等隐患用泥浆充填密实，同时浆压将筑堤土压密，最终在堤内顺堤向形成密实、垂直、连续、有一定厚度的浆液防渗固结体，从而达到防渗加固、提高坝体稳定性的目的。

3.充填灌浆

适用于处理性质和范围都已确定的局部隐患，在隐患（局部裂缝及洞穴）处或附近布孔，孔距1-2m。充填灌浆是利用浆液自重将浆液注入坝体隐患处，以堵塞洞穴和裂缝。造孔深度超过隐患1-2m。

五、灌浆设计

1）布孔：针对水库土坝存在的隐患，在坝轴线布置劈裂灌浆和帷幕灌浆，劈裂灌浆采用单排布置，浆液为粘土浆掺入15%水泥。帷幕灌浆河床段采用单排布孔；两岸坝肩采用双排布孔。针对左岸山窝的渗漏，左岸帷幕灌浆向山体延伸一定距离，布孔与坝肩一样。帷幕灌浆浆液采用纯水泥浆。河床段劈裂灌浆孔与帷幕灌浆孔同孔布置。

2）孔深：在坝身填土和坝基残积土层中进行劈裂灌浆，在坝基岩层中进行帷幕灌浆。帷幕灌浆深度按透水率q<5Lu为相对隔水层控制，确定河沿段和两岸段的入岩深度。

3）浆液的选择：根据对当地黏土泥浆的物理力学性能试验，选用合适粉质粘土，外掺入15%普通硅酸盐水泥，泥浆的容量采用1.3~1.5g/m3。

4）灌浆压力的确定：劈裂灌浆设计最大允许灌浆压力不大于0.2Mpa，帷幕灌浆压力采用0.5~0.8Mpa。

六、防渗墙结构的计算

在计算防渗墙的结构时我们运用以下假定：

①计算防渗墙与坝体间土时要遵照文克尔的假定。受荷载作用防渗墙主要直接支撑坝体土上，防渗墙与坝体土之间的变位必须要协调处理，该点变位与各点墙上的反力成正比，反力系数坝体土随着深度直线的变化随不同的地层进行变化。

②外荷载在土坝坝体自重与水压力都在作用墙上，由于水库运行时间非常久，基本完成对主坝体的变形，因此墙体两侧的变形摩擦力产生小，防渗墙主要工作条件的水平荷载的情况要多加注意。

③取单宽等厚度墙作为计算简图，顶端视为自由端，底部视为铰接，采用有限差分法进行计算。

七、大坝抗震加固设计

采用砂土填筑的水库大坝，遇到地震，容易产生液化破坏，所以需要对大坝进行抗震加固设计。一般可以采取置换、抛石压重、人工加密以及设置排水减压井等方法。置换是将液化区砂土挖除，并填筑块石石渣这些抗液化性能好的材料；抛石压重是在砂土表面加压，以提高砂土的有效应力；人工加密主要是采取振冲、强夯等措施来提高砂土的密实度，使砂土达到抗液化的能力。

结语

合理确定和不断完善除险加固设计方案，是保证病险水库除险加固处理顺利实施和保证加固处理效果的关键。水库除险加固是水利工程建设的重要内容之一。开展病险水库除险加固，提高水库防洪能力，发挥水库供水效益，既保障水库的安全运行，又提高了水库蓄水调节能力，实现水资源可持续发展利用的需要。

参考文献

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