三河口水库大坝工程除险加固设计要点分析

李泽英

摘 要：大坝是中小型水库除险加固的主体工程，在保障水库安全运行中发挥着重要作用。文章基于工程实际，对小型水库的大坝工程加固设计进行分析，旨在丰富病险水库设计经验，指导类似工程设计。

关键词：三河口水库，大坝工程，渗流分析，加固设计

中图分类号：TV698.243 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）20-0165-02

1 工程概况

三河口水库地处闻喜县后宫乡三河口村，位于涑水河流域沙渠河支流上，控制流域面积41.5 km2， 清水基流0.08 m3/s。水库原设计防洪标准为：五十年一遇洪水设计，百年一遇洪水校核，总库容325.7万m3，设计灌溉面积1.5万亩。下游保护范围包括汾村、下院等13个村庄1.2万多口人、1万亩耕地及25家企业，是一座以防洪、灌溉为主的小（1）型水库。三河口水库大坝为碾压均质土坝，最大坝高32.3 m，坝顶长260 m，坝顶宽4.0 m，坝顶高程739.3 m，防浪墙高1.2 m。总库容325.7万m3，调洪库容138.7万m3，兴利库容167万m3，死库容20万m3。水库枢纽工程由大坝、灌溉洞、溢洪道三部分组成。2008年6月，大坝被鉴定为三类坝，属病险水库。

2 大坝工程加固设计

2.1 渗流计算及渗透稳定分析

2.1.1 渗流水位组合及典型断面

由于校核情况泄空排沙历时很短，库水位降落后，浸润线才开始变动，可作为恒定渗流处理，所以渗流计算中不考虑库水位下降的情况。因此水位组合考虑以下三种情况：兴利水位（733.2 m）与下游相应的最低水位；设计洪水位（736.56 m）与下游相应的水位；校核洪水位（737.2 m）与下游相应的水位。选择坝体高度最大断面作为典型断面进行分析计算，典型断面选取大坝0+130断面。

2.1.2 渗流计算方法

渗流计算采用北京理正软件设计研究院编制的《渗流分析软件》进行。渗流计算采用平面有限元计算方法，有限元渗流分析是对大坝的渗流场进行模拟，分析典型断面的渗透稳定性。

渗流有限元分析基本方程式如下：

KH+M■=Q

其中，K为透水系数矩阵，H为总水头向量，M为单元储量水量矩阵，Q为流量向量，t为时间。

大坝渗流场的假定条件：渗流场计算按平面场问题考虑。

2.1.3 渗流计算成果

渗流计算成果表，见表1。

渗流计算结果表明，渗透稳定，但渗流量偏大，需要进行防渗处理。

2.2 稳定分析

根据《碾压土石坝设计规范》（SL 274-2001）的要求，大坝稳定计算应包括正常和非常两种情况：

正常运用工况，兴利水位时，下游坝坡稳定，库水位在兴利水位骤降时，上游坝坡稳定；

非常运用工况，在校核洪水位，坝体形成稳定渗流时下游坝坡稳定，在校核洪水位骤降时，上游坝坡稳定，在兴利水位遇地震时，上、下游坝坡稳定。

2.2.1 计算方法

稳定分析采用简化毕肖普法，按有效应力法进行计算，计算公式为：

K=■

式中：W—分别为水平和垂直地震惯性力，（向上为负，向下为正），（kN）；

u—作用于土条底面的孔隙压力，（kN）；

a—条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，（°）；

b—土条宽度，（m）；

c、φ—土条底面的有效应力抗剪强度指标，（kPa，°）

Mc—水平地震惯性力对圆心的力矩，（MN·m）。

2.2.2 计算成果

由土石坝边坡稳定分析程序计算，可得各种工况下的上、下游坝坡稳定系数，见表2。由计算结果可知，在正常和非常条件下，大坝的上游坝坡的稳定安全系数均大于规范允许值，满足要求，但下游坝坡安全系数均小于规范允许值，需进行加固处理。

2.3 坝顶及下游坝坡加固

根据《碾压土石坝设计规范》SL 274-2001第5.4.1条，坝顶宽度应根据构造、施工、运行和抗震等因素确定，如无特殊要求，中、低坝顶部宽度可选为5～10 m，三河口水库大坝32.3 m高为中坝，现坝顶宽为4 m，本次培厚至5 m，以满足稳定及交通要求。

2.3.1 坝 顶

根据调洪演算和坝顶高程复核，本次不需设置防浪墙。但三河口水库大坝坝顶沉陷，现有防浪墙已局部拉裂倾斜，结合本次防渗加固处理，考虑到美观及安全，对拉裂倾斜的防浪墙拆除重建。防浪墙墙高1.0 m，顶宽0.5 m，底宽1.5 m，采用M7.5水泥砂浆砌石，墙顶为现浇C15混凝土压顶，厚0.15m。坝顶路面铺设厚0.25 m厚的泥结石路面，从上游至下游放1%的横坡。

2.3.2 下游坝坡培厚

下游坝坡1：2～1：2.5，坝坡抗滑稳定不满足规范要求，进行培厚放缓处理，由原来的1：2变为1：2.5、1：2.5变为1：2.75，培厚部分铺底厚11.2 m，收顶厚1.0 m，分层碾压，马道宽分别为1.5 m、2.0 m；坝脚增设棱体排水，反滤层顶宽2.0 m，高4.4 m，分三层，依次为0.2 m砂砾石层、0.2 m碎石层、0.4 m块石层。下游坝坡设排水沟，纵向排水沟设在马道内侧，采用现浇C15混凝土结构，沟深30 cm，宽30 cm，侧墙与底板均为10 cm厚。为检修方便，下游坝坡增设预制C15混凝土台阶一道，台阶高12～15 cm，宽 100 cm。

2.3.3 大坝上游坝坡陷坑处理

大坝上游陷坑位于灌溉洞顶部，桩号0+105～0+150段，高程在729～732.3 m之间，沿坝轴线走向呈长条形，长45 m，宽 10 m，沉陷深0.7 m，面积315 m2；首先清除坝体上的杂草，拆除原有的干砌石护坡及反滤层，对陷坑周边进行开挖，深0.7 m，开挖边坡不小于1：1.5，对坑底夯实后分层回填，使其压实度不小于96%，然后整修至设计断面，再进行反滤层及干砌石护坡。护坡从上至下为干砌石厚0.3 m、砂砾石0.15 m（d=10～40 mm）、粗砂0.15 m（d=1～20 mm）。护坡块石每块重量为10～15 kg，铺砌时，尽量利用原有合乎要求的护坡块石。块石间应接合紧密，空隙处用小石块嵌紧。

2.3.4 大坝防渗加固设计

大坝为均质坝，上游边坡为1：2.5和1：3，库区淤积面高程为721 m，厚度已达14 m，本次拆除上游护坡，并对上游坝面进行整修后，重新进行护砌防渗，范围为现状淤积面721m以下1.0m至坝顶736.8 m。坡面采用0.3 m厚干砌石护面，干砌石下部为0.15 m厚碎石和0.15 m粗砂垫层，粗砂垫层下部为涤纶长丝复合土工膜。在坝坡脚处设干砌石护脚，底宽1.0 m，边坡1：1，深1.15 m。大坝防渗加固的目的是改善坝体的透水性。

通过加固减少坝体的透水性，阻止渗水，防止流土的发生，设计选用复合土工膜。复合土工膜具有较好的防渗效果，一方面将复合土工膜铺设在上游坝坡面上，利用自身的连接形成完整的防渗体，另一方面使坡面铺设的复合土工膜的下部平铺后与坝前淤土组成防渗面层，可以有效延长坝前淤土渗径，降低坝体浸润线，达到防渗效果。

另外，复合土工膜上部与防浪墙的上游基础连接，坝体与溢洪道、输水洞连接处将复合土工膜与建筑物混凝土连接，使坡面复合土工膜形成一个整体封闭的防渗体系。

2.3.5 大坝加固后稳定分析

大坝现状抗滑稳定分析说明大坝上游坝坡稳定是安全的，防渗加固后的大坝只进行下游坝坡稳定分析，结果见表3，计算结果表明加固后下游坝坡安全系数均大于安全允许值，满足规范要求。

3 结 语

大坝的渗流稳定性分析是水库大坝设计的关键。另考虑该碾压式均质土坝，最大坝高32.3 m，现状没有任何观测设施，工程还需要根据本工程的特点和地质条件，进行大坝观测进行合理的工程设置。

参考文献：

[1] SL 274-2001，碾压土石坝设计规范[S].

[2] 林继镛.水工建筑物（第五版）[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[3] 陈晓平.土力学与基础工程[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[4] 吴持恭.水力学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2010.