三河口水庫大壩工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

李澤英

摘 要：大壩是中小型水庫除險(xiǎn)加固的主體工程，在保障水庫安全運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。文章基于工程實(shí)際，對小型水庫的大壩工程加固設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，旨在豐富病險(xiǎn)水庫設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)類似工程設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：三河口水庫，大壩工程，滲流分析，加固設(shè)計(jì)

中圖分類號：TV698.243 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0165-02

1 工程概況

三河口水庫地處聞喜縣后宮鄉(xiāng)三河口村，位于涑水河流域沙渠河支流上，控制流域面積41.5 km2， 清水基流0.08 m3/s。水庫原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為：五十年一遇洪水設(shè)計(jì)，百年一遇洪水校核，總庫容325.7萬m3，設(shè)計(jì)灌溉面積1.5萬畝。下游保護(hù)范圍包括汾村、下院等13個(gè)村莊1.2萬多口人、1萬畝耕地及25家企業(yè)，是一座以防洪、灌溉為主的小（1）型水庫。三河口水庫大壩為碾壓均質(zhì)土壩，最大壩高32.3 m，壩頂長260 m，壩頂寬4.0 m，壩頂高程739.3 m，防浪墻高1.2 m。總庫容325.7萬m3，調(diào)洪庫容138.7萬m3，興利庫容167萬m3，死庫容20萬m3。水庫樞紐工程由大壩、灌溉洞、溢洪道三部分組成。2008年6月，大壩被鑒定為三類壩，屬病險(xiǎn)水庫。

2 大壩工程加固設(shè)計(jì)

2.1 滲流計(jì)算及滲透穩(wěn)定分析

2.1.1 滲流水位組合及典型斷面

由于校核情況泄空排沙歷時(shí)很短，庫水位降落后，浸潤線才開始變動(dòng)，可作為恒定滲流處理，所以滲流計(jì)算中不考慮庫水位下降的情況。因此水位組合考慮以下三種情況：興利水位（733.2 m）與下游相應(yīng)的最低水位；設(shè)計(jì)洪水位（736.56 m）與下游相應(yīng)的水位；校核洪水位（737.2 m）與下游相應(yīng)的水位。選擇壩體高度最大斷面作為典型斷面進(jìn)行分析計(jì)算，典型斷面選取大壩0+130斷面。

2.1.2 滲流計(jì)算方法

滲流計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《滲流分析軟件》進(jìn)行。滲流計(jì)算采用平面有限元計(jì)算方法，有限元滲流分析是對大壩的滲流場進(jìn)行模擬，分析典型斷面的滲透穩(wěn)定性。

滲流有限元分析基本方程式如下：

KH+M■=Q

其中，K為透水系數(shù)矩陣，H為總水頭向量，M為單元儲量水量矩陣，Q為流量向量，t為時(shí)間。

大壩滲流場的假定條件：滲流場計(jì)算按平面場問題考慮。

2.1.3 滲流計(jì)算成果

滲流計(jì)算成果表，見表1。

滲流計(jì)算結(jié)果表明，滲透穩(wěn)定，但滲流量偏大，需要進(jìn)行防滲處理。

2.2 穩(wěn)定分析

根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）的要求，大壩穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)包括正常和非常兩種情況：

正常運(yùn)用工況，興利水位時(shí)，下游壩坡穩(wěn)定，庫水位在興利水位驟降時(shí)，上游壩坡穩(wěn)定；

非常運(yùn)用工況，在校核洪水位，壩體形成穩(wěn)定滲流時(shí)下游壩坡穩(wěn)定，在校核洪水位驟降時(shí)，上游壩坡穩(wěn)定，在興利水位遇地震時(shí)，上、下游壩坡穩(wěn)定。

2.2.1 計(jì)算方法

穩(wěn)定分析采用簡化畢肖普法，按有效應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

K=■

式中：W—分別為水平和垂直地震慣性力，（向上為負(fù)，向下為正），（kN）；

u—作用于土條底面的孔隙壓力，（kN）；

a—條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，（°）；

b—土條寬度，（m）；

c、φ—土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，（kPa，°）

Mc—水平地震慣性力對圓心的力矩，（MN·m）。

2.2.2 計(jì)算成果

由土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序計(jì)算，可得各種工況下的上、下游壩坡穩(wěn)定系數(shù)，見表2。由計(jì)算結(jié)果可知，在正常和非常條件下，大壩的上游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，滿足要求，但下游壩坡安全系數(shù)均小于規(guī)范允許值，需進(jìn)行加固處理。

2.3 壩頂及下游壩坡加固

根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL 274-2001第5.4.1條，壩頂寬度應(yīng)根據(jù)構(gòu)造、施工、運(yùn)行和抗震等因素確定，如無特殊要求，中、低壩頂部寬度可選為5～10 m，三河口水庫大壩32.3 m高為中壩，現(xiàn)壩頂寬為4 m，本次培厚至5 m，以滿足穩(wěn)定及交通要求。

2.3.1 壩 頂

根據(jù)調(diào)洪演算和壩頂高程復(fù)核，本次不需設(shè)置防浪墻。但三河口水庫大壩壩頂沉陷，現(xiàn)有防浪墻已局部拉裂傾斜，結(jié)合本次防滲加固處理，考慮到美觀及安全，對拉裂傾斜的防浪墻拆除重建。防浪墻墻高1.0 m，頂寬0.5 m，底寬1.5 m，采用M7.5水泥砂漿砌石，墻頂為現(xiàn)澆C15混凝土壓頂，厚0.15m。壩頂路面鋪設(shè)厚0.25 m厚的泥結(jié)石路面，從上游至下游放1%的橫坡。

2.3.2 下游壩坡培厚

下游壩坡1：2～1：2.5，壩坡抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，進(jìn)行培厚放緩處理，由原來的1：2變?yōu)?：2.5、1：2.5變?yōu)?：2.75，培厚部分鋪底厚11.2 m，收頂厚1.0 m，分層碾壓，馬道寬分別為1.5 m、2.0 m；壩腳增設(shè)棱體排水，反濾層頂寬2.0 m，高4.4 m，分三層，依次為0.2 m砂礫石層、0.2 m碎石層、0.4 m塊石層。下游壩坡設(shè)排水溝，縱向排水溝設(shè)在馬道內(nèi)側(cè)，采用現(xiàn)澆C15混凝土結(jié)構(gòu)，溝深30 cm，寬30 cm，側(cè)墻與底板均為10 cm厚。為檢修方便，下游壩坡增設(shè)預(yù)制C15混凝土臺階一道，臺階高12～15 cm，寬 100 cm。

2.3.3 大壩上游壩坡陷坑處理

大壩上游陷坑位于灌溉洞頂部，樁號0+105～0+150段，高程在729～732.3 m之間，沿壩軸線走向呈長條形，長45 m，寬 10 m，沉陷深0.7 m，面積315 m2；首先清除壩體上的雜草，拆除原有的干砌石護(hù)坡及反濾層，對陷坑周邊進(jìn)行開挖，深0.7 m，開挖邊坡不小于1：1.5，對坑底夯實(shí)后分層回填，使其壓實(shí)度不小于96%，然后整修至設(shè)計(jì)斷面，再進(jìn)行反濾層及干砌石護(hù)坡。護(hù)坡從上至下為干砌石厚0.3 m、砂礫石0.15 m（d=10～40 mm）、粗砂0.15 m（d=1～20 mm）。護(hù)坡塊石每塊重量為10～15 kg，鋪砌時(shí)，盡量利用原有合乎要求的護(hù)坡塊石。塊石間應(yīng)接合緊密，空隙處用小石塊嵌緊。

2.3.4 大壩防滲加固設(shè)計(jì)

大壩為均質(zhì)壩，上游邊坡為1：2.5和1：3，庫區(qū)淤積面高程為721 m，厚度已達(dá)14 m，本次拆除上游護(hù)坡，并對上游壩面進(jìn)行整修后，重新進(jìn)行護(hù)砌防滲，范圍為現(xiàn)狀淤積面721m以下1.0m至壩頂736.8 m。坡面采用0.3 m厚干砌石護(hù)面，干砌石下部為0.15 m厚碎石和0.15 m粗砂墊層，粗砂墊層下部為滌綸長絲復(fù)合土工膜。在壩坡腳處設(shè)干砌石護(hù)腳，底寬1.0 m，邊坡1：1，深1.15 m。大壩防滲加固的目的是改善壩體的透水性。

通過加固減少壩體的透水性，阻止?jié)B水，防止流土的發(fā)生，設(shè)計(jì)選用復(fù)合土工膜。復(fù)合土工膜具有較好的防滲效果，一方面將復(fù)合土工膜鋪設(shè)在上游壩坡面上，利用自身的連接形成完整的防滲體，另一方面使坡面鋪設(shè)的復(fù)合土工膜的下部平鋪后與壩前淤土組成防滲面層，可以有效延長壩前淤土滲徑，降低壩體浸潤線，達(dá)到防滲效果。

另外，復(fù)合土工膜上部與防浪墻的上游基礎(chǔ)連接，壩體與溢洪道、輸水洞連接處將復(fù)合土工膜與建筑物混凝土連接，使坡面復(fù)合土工膜形成一個(gè)整體封閉的防滲體系。

2.3.5 大壩加固后穩(wěn)定分析

大壩現(xiàn)狀抗滑穩(wěn)定分析說明大壩上游壩坡穩(wěn)定是安全的，防滲加固后的大壩只進(jìn)行下游壩坡穩(wěn)定分析，結(jié)果見表3，計(jì)算結(jié)果表明加固后下游壩坡安全系數(shù)均大于安全允許值，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié) 語

大壩的滲流穩(wěn)定性分析是水庫大壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。另考慮該碾壓式均質(zhì)土壩，最大壩高32.3 m，現(xiàn)狀沒有任何觀測設(shè)施，工程還需要根據(jù)本工程的特點(diǎn)和地質(zhì)條件，進(jìn)行大壩觀測進(jìn)行合理的工程設(shè)置。

參考文獻(xiàn)：

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