卡尔塔水库除险加固设计方案比选研究

李旭东

（巴州天宝水利工程设计有限公司,新疆 库尔勒 841000）

0 引言

由于年久失修，工程存在各种破坏、侵蚀、老化等问题而形成病险水库[1]。水库加固施工设计方案的优化需要根据水库的实际使用需求来制定[2]。通过多方案比选对工程除险加固设计方案优化，不仅保证了工程质量，还能最大限度发挥投资效益。本文结合新疆轮台县卡尔塔水库除险加固设计，采用多方案比选方式优化各分部工程的加固设计方案，有效地提升了方案的科学性和可操作性，为工程的高效实施奠定了坚实基础。

1 工程现状

1.1 水库概况

卡尔塔水库位于新疆轮台县境内，距县城约22 km。该水库建于上世纪60 年代初期，拦蓄迪那河支流卡尔塔河。坝长5.84 km，最大坝高5 m，死水位为945.0 m，正常蓄水位为947.30 m，校核洪水位947.99 m，总库容773.99 万m3，死库容70 万m3，兴利库容410.0 万m3，调洪库容703.99 万m3，属Ⅳ等小（1）型平原水库，主要建筑物为4 级，次要建筑物为5 级，用于调节3.5 万亩耕地用水和下游草场生态用水。

1.2 水库安全鉴定及存在问题

卡尔塔水库至今已运行了40 余年，期间经受了多次超标准洪水的考验。现主要存在如下问题：

（1）坝顶高程不满足设计要求，大部分坝段坝顶高程未达到设计高程。

（2）受风浪冲刷淘蚀破坏上游坝坡，造成坝体断面尺寸不符合设计要求。

（3）部分坝段渗透系数大，渗透稳定性差。

2 除险加固设计方案比选

卡尔塔水库拟对坝体、坝基和坝体上游护坡部分进行除险加固设计。

2.1 坝体防渗加固方案比选

水库坝体、坝基渗漏严重，拟在不改变坝体结构的前提下，采用土料和土工膜防渗、土料作为防渗支撑体的形式对坝体防渗加固。

（1）方案一：粘土斜墙防渗

粘土斜墙防渗效果和结构稳定性好，能满足设计要求。在现有坝体上游坝坡布设粘土斜墙，最大高度竖向投影8 m，上游坡比1∶3，设计顶宽3.0 m，最大底宽6.0 m。经初步估算，斜墙需粘土料8.36 万m3，土料场储量满足设计需用量。方案一坝体防渗加固部分投资约178 万元。

（2）方案二：土工膜防渗

土工膜防渗效果和结构稳定性亦能满足设计要求。设计在现有坝体上游布设土工膜，上游坡比1∶2.5，本工程共需土工膜约8.44 万m2，则该部分工程投资约131.77 万元。

（3）方案比选

综合比选，从坝体防渗体填筑料方面分析，采用防渗体＋土料支撑体形式的方案在工程投资、与实际情况结合的程度等方面，均远优于采用粘土斜墙方案。最终推荐采用土工膜作为防渗体的方案对坝体进行防渗加固。

2.2 坝基防渗方案比选

坝基由粉质粘土、粉砂层构成，中等透水性，故须对坝基进行防渗处理。

（1）方案一：开挖截水槽

根据地勘资料，坝基由2 m～5 m的粉质粘土和粉砂层构成。可采取阻滑墙前1 m处开挖截水槽，坝体土工膜延伸至截水槽底部的防渗措施。方案一需铺设土工膜1.05 万m2，开挖土方约3.6 万m3，投资估算105 万元。

（2）方案二：深层搅拌桩

将水泥作为固化剂将软土、沙与水泥强制拌和，提高软基强度。该方法可成桩、墙，适用于处理砂土、淤泥或粉土等软弱地基，效果显著。方案二处理地基需开挖2 m～5 m，成桩6410 m，投资估算137 万元。

（3）方案比选

综上，为使坝体和坝基形成一个安全、经济、有效的封闭防渗体，推荐采用开挖截水槽方案。

2.3 坝体上游护坡方案比选

护坡形式可采用砌石、混凝土板、土坡等多种形式，需经各不同形式经济、施工条件比选后，确定合适的护坡形式。

（1）方案一：混凝土护坡

混凝土护坡厚度由波浪压力及压力可按式（1）计算：

式中：t为混凝土板厚度，m；η为系数，对整体式大块护坡面板，取1.0，对装配式护面板取1.1，取1.0；hp为累积频率为1%的波高，m；经计算为1.5 m；Lm为波浪的平均波长，m，经计算为10.9 m；b为沿坝坡向混凝土板长，m；ρc为混凝土板的密度，t/m3；ρw为水的密度，t/m3；

计算可得t=7.1 cm，依据计算结果结合类似工程建设经验，设计护坡砼板主坝段厚度取15 cm。

（2）方案二：干砌卵石护坡

干砌卵石护坡厚度由波浪压力及压力按式（2）计算：

式中：D为石块换算球型直径，m；Q为石块质量，t；D50为石块平均粒径，m；t为护坡厚度，m；Kt为随坡率变化系数；ρk为块石密度，t/m3；ρw为水的密度t/m3。

经计算可得t=23.5 cm，依据计算结果结合类似工程建设经验，设计干砌卵石厚度取50 cm。

（3）护坡方案比选

混凝土护坡外形美观，抗冲、耐久性较好，施工质量易于保证，且运行管理、维护修补较为便利；缺点为抗冻性能较弱，运行维护费用较高。估算混凝土护坡方案直接投资为200.74 万元。

干砌卵石护坡适应坝坡变形较好，施工简单，运行管理、维护修补方便，维护费用低；缺点为易受水库水位变化影响，造成淘刷破坏，引起不均匀沉陷，且卵石采集较为困难。估算混凝土护坡方案工程直接投资为276.53 万元。

综上确定护坡形式采用混凝土板护坡。护坡内外边坡依据工程地质条件评价，坝体稳定边坡为1∶2.5。综合考虑边坡稳定、坝体渗流稳定及现状坝坡坡比，设计坝体上游边坡坡比为1∶2.5，下游培厚坝体边坡为1∶2。

2.4 坝顶构造设计方案比选

卡尔塔水库坝体为均质土坝，坝顶处理采用防浪墙方案和土料填筑方案比选。

（1）方案一：防浪墙方案

在坝顶设置“L”型钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程为949.70 m，墙高2 m，底宽1.5 m，墙厚0.2 m，混凝土设计指标为C25、F200、W6，墙顶高出坝顶1.2 m，防浪墙沿长度方向每隔5 m设一道伸缩缝，缝内设止水。估算主坝段工程投资为857.72 万元，副坝段工程投资为477.13 万元。

（2）方案二：土料填筑方案

用土料将坝顶高程填筑至949.70 m，本方案设计最大坝高为5 m，坝顶高程为949.70 m，坝顶宽4 m，坝长5838 m，上游坝坡为1∶2.5，下游坝坡为1∶2。估算主坝段工程投资为780.09 万元，副坝段工程投资为349.33 万元。

（3）方案比选

从工程量及投资比较，方案一投资较大；从施工比较，防浪墙方案涉及混凝土浇筑、钢筋制安，工艺较填筑方案复杂。综合考虑投资、施工周期、施工条件，设计采用土料填筑方案。

3 大坝渗流稳定验证

为验证除险加固方案的可靠性，需复核土体渗透变形形式，判断坝体、坝基和下游出逸段的渗透稳定性。

计算0+800、1+722、2+100、4+800 断面，上游坝坡1∶2.5，坝顶宽4.0 m，下游坝坡1∶2.0。计算软件采用Autobank6.1渗流分析模块，采用有限元求解渗流场的拉普拉斯方程计算，见式（3）。

式中：Kx、Ky为X、Y方向的渗透系数。

渗流稳定计算工况采取下列水位组合：

（1）正常蓄水位（947.30 m）与下游相应的最低水位；

（2）正常运行+地震作用时坝坡稳定最不利的情况。

针对坝体现状和采取加固方案后在工况条件下分别计算，成果见表1。

计算工况位置现状情况 除险加固后J计算 [J]渗透稳定性 J计算 [J]渗透稳定性0+800坝坡出逸段 0.466 不稳定 0.304 0.466 稳定下游坝基 0.424 不稳定 0.296 0.424 稳定1+722坝坡出逸段 0.460 不稳定 0.422 0.460 稳定下游坝基 0.443 不稳定 0.428 0.443 稳定2+100坝坡出逸段 0.475 0.466 不稳定 0.446 0.466 稳定下游坝基 0.465 0.460 稳定 0.324 0.460 稳定4+00坝坡出逸段 0.460 不稳定 0.203 0.460 稳定下游坝基 0.443 不稳定 0.313 0.443 稳定

通过计算可知，采取除险加固方案后，坝体坝基均由渗透不稳定状态变为稳定。

4 结论

根据水库存在的险情和主要问题，针对坝体、坝基防渗、护坡和坝顶构造等内容进行了综合比选，推荐除险加固工程设计方案如下：

（1）鉴于坝基和坝体处理不到位，施工质量不满足规范要求，采取了开挖截水槽并将坝体土工膜延伸至截水槽底部的防渗方案。

（2）鉴于坝顶高程不满足要求，完成坝体加高培厚以达到设计要求。

（3）鉴于坝体结构稳定性差，坝坡失稳易造成坍塌滑坡，采取在上游坡面设1∶2.5的混凝土护坡，坡面板下铺设30 cm厚防冻砂砾石垫层措施。

（4）鉴于坝体有发生管涌风险，采取在坡面垫层下设200 g/m2/0.5 mm复核土工膜措施。

经过计算验证，综合比选得出的加固设计方案满足渗流稳定要求，其经济性与合理性也得到较好的平衡。