新疆某水库除险加固方案探讨

郑兆江

(和田地区水利局，新疆 和田 848000)

土石坝工程是现有国内水库枢纽的重要组成部分，由于其具有施工方便、造价低、结构简单等优点被广泛应用于国内水库建设中[1-2]。我国修建坝体工程技术现如今已处于国际领先水平。但由于过去生产力的低下，导致过去的水库坝体经多年运行后均出现了一定的质量问题，水库在长期蓄水、排水使用过程中，坝体稳定性会发生较为明显的变化，安全系数降低将对库区范围内居民生产、生活以及社会稳定造成严重的影响。因此对水库出现加固的研究已成为了国内研究的热点[3-4]。。文章以新疆某水库为例，对该工程除险加固方案进行分析。

1 工程概况

水库位于我国新疆境内，水库建于1974年，运行期长达40a，是一座以防洪、抗旱、灌溉为主，兼有养殖等综合利用小(2)型水库枢纽工程。水库大坝为均质土坝，坝长116.0m，坝顶高程102.02m，坝顶宽4.0m。

2 水库病害分析

坝基承载力特征值为100kPa，天然容重为19.0kN/m3，干容重为14.4kN/m3，天然容重、干容重及承载能力均较低，稳定性差，地基沉降量平均每年为3.18mm，渗透系数为为3.22×10-1cm/s，渗透系数较高，坝体存在较严重的渗漏问题。

3 水库加固方案设计与复核

水库正常蓄水位100.0m，相应库容10.26万m3；设计洪水位101.17m，相应库容为20.06万m3；校核洪水位101.55m，相应库容为24.26万m3。

对现坝体迎水坡进行培厚整形，死水位以上至坝顶进行干砌石护坡，其结构由外到内为0.30m块石护坡，下设0.20m碎石垫层，底部铺0.10m砂垫层。死水位以下抛石。背水坡按坡比1∶2.5进行培厚整形，坝脚自最大浸润高度加安全超高设置3.0m贴坡排水，排水体顶高程100.0m，排水体底部高程随坡就势。坝顶高程102.30m，顶宽仍维持现状4.0m不变，铺设20cm厚砂石路面。两侧坝肩采用花岗岩路缘石布置[5-7]。

3.1 坝顶高程复核

坝顶超高按下式计算：

Y=R+A

(1)

式中：Y为坝顶超高，m；R为最大波浪在坝坡上的爬高，m；A为安全超高，m。

平均波浪爬高Rm按下式计算：

(2)

式中：Rm为波浪平均爬高，m；m为单坡的坡度系数，2.5；K△为斜坡糙率渗透性系数，0.9；KW为经验系数；hm，Lm为波浪要素，平均波高和波长，m。

平均波高和平均波周期按下式计算：

(3)

Tm=4.438hm0.5

(4)

(5)

式中：hm为平均波高，m；Tm为平均波周期，s；W为计算风速，m/s，非常运用工况取多年平均最大风速13.5m/s，正常运用工况取多年平均最大风速1.5倍20.25 m/s；D为风区长度，设计水位对应风区长度为500.0m，校核水位对应风区长度为800.0m；Hm为水域平均水深，m；g为重力加速度，9.81m/s。Lm为平均波长，m；Tm为平均波周期，s；H为坝迎水面前水深。

坝体高程复核情况见表1。

表1 坝顶高程复核 m

根据复核后坝顶及防渗体顶高程计算成果表及《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL189-2013)坝体结构要求：

现状坝顶高程102.10m，小于本次复核坝顶高程102.25m(设计水位)及102.19m(校核水位)，不满足规范要求。因此大坝需整加厚形后便可以铺设砂石路面20cm，同时在坝肩设置花岗岩路缘石。

3.2 坝体结构稳定分析

根据历年最大风速和风向，选择风向与坝轴线成一定角度的多年风速资料进行分析，得出平均最大风速为13.5m/s。

水库大坝为均质土坝，大坝全长116.0m，最大坝高5.75m，大坝顶高程102.50m，坝顶宽4.0m。

采用瑞典圆弧法，计算安全系数：

(6)

式中：W为土条重量；μ为作用于土条底面的孔隙压力；α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。

边坡稳定计算典型断面取最大坝高处。成果见图1和表2。从表中可以看出，大坝在实际抵御洪水标准下各工况均满足大坝最小抗滑稳定安全系数要求。

图1 计算简图

表2 边坡稳定计算成果表

续表2 边坡稳定计算成果表

3.3 坝体渗流分析

1)渗流稳定分析计算：

坝体渗流分析使用北京理正软件提供的渗流分析计算功能进行计算，计算采用公式法。其计算结果见表3。

图2 有限深透水地基上的坡面

计算工况水位/m上游下游单宽渗流量/m3·(day·m)-1逸出点高程/m正常蓄水位100.097.50.016复核后设计水位101.1497.50.034复核后校核水位101.5597.50.038坝基占92%左右97.7598.1898.31

2)后贴坡排水控制高程与结构分析确定：

按坝后浸润线最高溢出点高程(校核洪水情况)计算：

H贴坡顶=H浸润线+h超高=98.31+1.50=99.81(m)。

考虑上面计算结果，结合工程实际，西大桥水库坝后贴坡排水控制顶高程设计选为100.0m。

3.4 大坝工程加固结构设计

1)大坝局部整形：

对现坝体迎水坡进行培厚整形，死水位以上至坝顶进行干砌石护坡，其结构由外到内为0.30m块石护坡，下设0.20m碎石垫层，底部铺0.10m砂垫层。死水位以下抛石[8-10]。

2)背水面贴坡排水：

在背水坡坝脚处设置贴坡排水，贴坡排水控制高程为100.0m，其结构由外向内依次是30cm厚块石层，20cm厚碎石层及10cm厚砂垫层。

3)坝坝顶设计：

大坝坝顶铺设20cm厚砂石路面，并在两坝肩设置花岗岩路缘石。花岗岩规格为40cm×15cm×99cm。

4 结 语

水库由于运行时间过长，导致坝体稳定性较差，同时渗透系数较高，通过文章方案的除险加固之后，可进一步提高坝体稳定性，降低渗透系数和渗流量，水库经除险加固后可放心投入使用。