病险水库大坝除险加固设计的探讨

曾伟良

连平县水利水电勘测设计室广东连平517100

摘要：水库砌石拱坝是水利工程当中最为常见的一个建筑，其除险加固已经成为人们日益关注的问题。因此对病险水库除险加固进行研究，总结各方面的经验，具有重要的现实意义。本文详细介绍了针对某水库工程大坝险情进行的除险加固设计，可供类似工程参考。

关键词：病险水库；除险加固；措施；设计

0引言

近年来，国家对农业的发展越来越关注，很大程度上推动了水利工程的发展速度。在农业生产过程中，水库为农业生产提供灌溉需求，对农业经济具有极大的促进作用。但由于水库的使用年限的增加、工程质量不合格以及水库维护管理的疏忽等原因，导致不少病险水库大坝的出现，这不仅影响水库的正常使用，而且还对下游广大人民的生命财产安全造成严重威胁。对此，病险水库大坝的除险加固设计尤为重要。

1工程概况

某水库是一座集灌溉、发电等综合利用于一体的小（2）型水库，于1984年初动工兴建，1986年5月完工。坝址以上流域面积35.87平方千米。工程由大坝、坝顶溢流堰、人行桥和放水管等组成。大坝为定圆心定半径等厚单曲砌石拱坝，坝顶高程625.20米，坝底开挖高程606.15米，最大坝高19.05米，拱冠起拱厚度2.60米，坝顶厚1.18米，坝顶弧长50.75米。溢流堰净宽29米（10孔），堰顶高程623.15米。溢流堰顶设有连接两岸交通的人行桥。坝体右岸高程609.50米处设冲砂孔，左岸高程612.50米处设放水孔。该水库按20年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。历经近30年运行，大坝出现了严重渗漏等险情。2011年2月，大坝经安全鉴定为三类坝，急需除险加固。

2大坝主要存在的问题

（1）下游坝面存在局部勾缝剥蚀和脱落现象；

（2）下游坝面存在大面积渗湿、流钙，并于坝体下部形成沿坝面滴水，伴有局部射流现象；

（3）左岸坝肩高程622.50米有一处接触渗漏，可见明流；

（4）右岸存在坝基渗漏，大坝应力超标，不满足规范要求；

（5）水库防洪标准不足10年一遇，不满足规范要求；

（6）溢流堰面大部分混凝土粗骨料外露，剥蚀严重，伴有堰面混凝土开裂、长草现象。

3除险加固主要工程措施

（1）坝基防渗：下游侧培厚坝基进行固结灌浆（灌浆孔倾向上游），同时原右岸坝基进行帷幕灌浆。

（2）坝体防渗：原坝体全断面补强灌浆，左岸与河床坝段采用下游面水平孔灌浆，右岸利用帷幕灌浆孔灌浆。

（3）坝体下游面加厚：加高坝顶至高程626.8m，厚1m；坝底高程607.15m加厚1.6m，高程607.15m以下坝基开挖后采用C15混凝土回填。

（4）溢流堰改造：由于右岸下游岸坡岩层较破碎，将溢流堰向左岸平移3m，避免下泄水流冲刷右岸岸坡；改造后溢流堰面为WES曲线；结合堰顶人行桥墩布置，溢流堰设8孔，总净宽29.8m。

4工程除险加固设计

4.1溢流堰改造设计

保持现有正常蓄水位不变，现有的溢流堰、桥墩和人行桥拆除重建，同时将溢流堰向左岸移动3m，以减轻洪水对右岸岸坡的冲刷破坏。溢流面采用WES曲线，堰顶高程623.15m；鼻坎高程622.347m，挑射角18°；溢流段长32.6m，净宽29.8m，设7墩8孔，桥墩厚0.4m；人行桥板厚0.15m。

（1）堰上水位流量关系曲线。溢流堰为WES实用堰，下泄流量计算公式为Q=σmεBgH1.50，下泄流量曲线计算结果见表1。

表1溢流堰水位流量关系曲线

（2）调洪演算。本水库溢流堰无闸门控制，洪水调度原则为自由溢流，起调水位为水库正常蓄水位623.15m。根据调洪计算原则，分别对设计、校核频率洪水过程进行调洪演算，成果见表2。由表2可得：大坝20年一遇最大下泄流量Q5%=221.6m3/s，200年一遇最大下泄流量Q0.5%=361.2m3/s；设计洪水位625.56m，相应库容24.39万m3；校核洪水位626.45m，相应库容27.71万m3。

表2调洪演算成果

4.2坝体加高培厚设计

3.2.1坝顶高程计算

由于水库缺乏实测风速资料，本次复核采用多年平均风速取8级风力，即17.5m/s，50年一遇最大风速取多年平均风速的1.5倍，即26.25m/s，非常工况取多年平均风速，即17.5m/s，库面吹程200m。

根据《砌石坝设计规范》（SL25－2006）规定，坝顶超高计算公式如下：

△h=hb+hz+hc

式中：hb为波浪高，m；hz为风壅高，m；hc为安全加高，m。

分别计算以下两种工况，并取最大值：①正常蓄水位623.15m加正常运用情况的坝顶超高；②校核洪水位626.45m加非常运用情况的坝顶超高。计算成果见表3。

从表3可以看出，防浪墙顶顶高程是由工况②所决定的627.09m，即校核洪水位（626.45m）加非常运用情况的坝顶超高（0.64m）。

表3坝顶高程计算成果

本次除险加固根据上述计算成果，将非溢流段现有坝顶高程625.20m全断面增加至626.80m，比校核洪水位高0.35m；上游面新建钢筋混凝土栏杆，底座高0.3m，顶高程627.10m，比要求的防浪墙顶高程高0.01m，满足规范要求。

3.2.2坝体培厚设计

根据大坝安全鉴定结论，坝体存在多点应力超标，且超标幅度较大。本次除险加固拟通过培厚坝体断面，以改善坝体应力状态，使之满足规范要求。经比较上游面和下游面两种培厚方案，选择施工难度小、结构整体受力更优的下游面培厚方案。

（1）坝体尺寸拟定：本大坝为浆砌石单曲拱坝，正常蓄水位623.15m，两岸坝顶高程626.8m，防浪墙顶高程627.1m。坝顶626.8m高程加厚1m，坝底607.15m高程加厚1.6m，607.15m高程以下坝基开挖后采用C15混凝土回填。培厚坝体采用等厚圆弧拱，拱坝体形参数见表4。

表4除险加固拱坝体形参数

（2）结构设计：坝腹采用C15细骨料混凝土砌毛块石，下游面采用M10水泥砂浆砌条石。培厚部位的新旧坝体接触面应彻底清除坝面的钙化物质、苔藓等，原坝体下游面条石砌石的勾缝砂浆凿除，用高压水冲洗干净，浇筑培厚坝体前涂刷混凝土界面剂。在新旧坝体接触面设置锚筋锚固，锚筋直径20mm，间距1.2m×1.2m，深入旧坝体1.0m，露出在新坝体内0.8m，外露部分制成弯头。在新旧坝体接触面预埋花管进行接触灌浆。

（3）基础开挖与处理：拱坝下游培厚部分基础按全径向开挖，要求开挖至弱风化基岩，基本与原来坝基面高程一致。开挖过程应时刻注意下游拱肩的稳定情况，施工要求采用风镐结合人工撬挖，以免影响拱肩岩体稳定。新开挖的坝基进行全断面固结灌浆处理，灌浆孔按平面梅花型布置，孔距2.5m，布置2排，孔深5m，灌浆压力0.2MPa。

坝体培厚加固后的拱冠梁剖面见图1。

图1加固后拱冠梁剖面图

3.2.3坝体应力计算

（1）计算工况：根据《砌石坝设计规范》（SL25－2006），坝体应力计算主要考虑两种组合三种计算工况。即基本组合：①正常蓄水位

（623.15m）+自重+淤沙压力+下游水位（607.5m）+温降，②死水位（612.25m）+自重+淤沙压力+下游水位（607.5m）+温降；特殊组合：③校核洪水位（626.45m）+自重+淤沙压力+下游水位（612.95m）+温升。该水库大坝为浆砌石单曲薄拱坝（厚高比0.203），根据《砌石坝设计规范》（SL25－2006），应力计算不考虑扬压力对大坝应力的影响。

（2）应力控制标准：原设计大坝上、下游面采用100#（M10）水泥砂浆砌条石，坝腹砌体采用75#（M7.5）水泥砂浆砌块石；本次除险加固加厚部分坝体下游坝壳为M10浆砌条石，坝腹为C15混凝土砌毛石。石料饱和抗压强度取50MPa。综合上述砌体材料，为留有适当安全裕度，加厚后的坝体应力控制仍以75#（M7.5）水泥砂浆砌块石为准，具体见表5。

表5砌石拱坝坝体应力控制标准

（3）应力计算及评价：大坝应力计算采用《拱坝通用程序GADAP28》，各工况的最大应力统计见表6。从表6看，各工况拉压应力均小于规范值，培厚后的坝体应力满足规范要求。

表6各工况应力计算成果汇总

4.3坝体及坝基防渗设计

根据大坝存在坝身、右岸坝基渗漏的情况，本次加固对旧坝体进行全断面补强灌浆，对右岸坝基进行帷幕灌浆。具体如下：左岸、河床坝段进行水平钻孔（略向上游倾斜以便封孔）补强灌浆，孔距2.5m，呈梅花形布置，孔深为0.8倍的坝体厚度，灌浆压力采用0.2MPa；右岸坝段自坝顶由地质钻机垂直造孔补强灌浆，钻孔直至坝基相对隔水层（q≤5Lu）以下5m，孔距2.50m，坝基段兼作坝基帷幕灌浆孔；灌浆压力按规范要求并结合试验确定，岩基以下及基础灌浆压力采用0.5MPa，岩基以上坝体补强灌浆孔灌浆压力采用0.2MPa，并不低于坝前水压力。

4.4下游防冲设计

溢流堰布置在拱坝中部，自由溢流，挑流消能。现状消能防冲存在以下问题：溢流堰下泄的水流对两岸岸坡及下游河床、坝脚冲刷较明显，长期将危及大坝及拱肩稳定。本次除险加固拟在大坝左右岸下游溢流段范围内岸坡采用护坡加固处理。护坡为C25钢筋混凝土结构，平均厚0.5m，沿两岸斜坡段垂直坡面打入￠25锚杆，长2m，间距2m，梅花形布置。溢流坝段下游河床冲刷坑采用C15埋石混凝土回填至河床面，表层采用C25钢筋混凝土结构，厚0.5m。

5结语

综上所述，水库大坝在防御洪水灾害和保证国民经济建设发挥了重要作用。因此，在病险水库大坝的除险加固设计中，要采取科学的有效的方案，认真地开展收集、整理、分析基础资料的工作，保证水库大坝除险加固的工程有序、合理的进行，保障水库的安全运行，增强其经济效益，更好的发挥水库的基本功能。

参考文献：

[1]朱祖友.水库大坝除险加固防渗设计处理分析[J].黑龙江水利科技.2013（10）

[2]米伟亚.双里水库大坝除险加固方案研究[J].四川理工学院学报（自然科学版）.2013（06）