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摘 要：本文以东方红水库的防渗加固为案例，分析探讨了大坝存在的问题以及小型水库的渗透稳定性。为满足实际工程的技术精度要求，渗流计算分析采用渗流计算分析程序UNSST2（Unsteady Seepage and Stability）。计算分析结果表明，按设计方案加固后，东方红水库大坝坝坡在各计算条件下均能满足规范对最小抗滑稳定的要求。
关键词：除险加固；渗透稳定；方案优选；材料分区
1 工程概况
东方红水库位于澧水流域溇水支流上，枢纽座落在慈利县通津铺镇长峪铺村境内，坝址距慈利县城35km。水库控制集雨面积0.62 km2，坝址以上干流长度1.69km，干流平均坡降18.5‰。
根据防洪标准及规范要求，水库为小型2型水库，工程为 v 级，主建筑等级为5小型5级。水库的正常洪水标准是30年一次，经常使用的洪水标准是200年一次，溢洪道消能和抗冲击工程的设计标准是10年一次。水库正常蓄水位378.26m，相应正常库容13.35万m3；设计洪水位379.14m，相应库容15.56万m3；校核洪水位379.43m，相应总库容16.51万m3；水库死水位360.87m，对应的库容为0.53万立方米。水库设计灌溉面积970亩，其中水田300亩，旱地670亩。
2 大坝防渗加固
2.1 大坝现状及存在的问题
东伊红水库大坝是一座粘土坡面堆石坝，坝高最高可达21.36m，坝顶轴线长93.0m，坝顶高程为379.83m，坝顶宽5.0m大坝的安全问题可归纳如下:
1、大坝坝基存在渗漏，未进行帷幕灌浆处理;
2、大坝上游采用粘土斜墙无铺盖层保护，其施工质量难以得到保证，大坝常年蓄水达不到正常蓄水位，坝体防渗达不到要求，仍然威胁大坝的安全运行，同时，顶部高程不满足规范要求[1,2]；
3、大坝内坝未进行护坡，树草丛生，凹凸不平，有多处跌窝；
2.2 方案比较
根据大坝现状，设计采用如下二种方案作比对，最终确定方案一作为本次大坝防渗加固设计方案。
备选方案1(建议) : 上游坝坡379.83m至359.00m使用复合土工膜防止渗水的00m高处斜坡359。在200m 高度设置混凝土灌浆平台，对坝基进行帷幕灌浆，沿两岸坝体与山体的交汇处延伸至水库正常水位与相对不透水层的交汇处。0m，灌浆范围为0+074～0+091；防渗土工膜和大坝基础帷幕灌浆连接在一起，形成一个封闭的，连续的防渗系统内坡进行平整，重建踏板、马道及排水系统；359.00m 高程至坝顶采用预制混凝土六块护坡拆除坝顶原有的防浪墙，进行改造。0m高C20砼防浪墙。
备选方案 II (比较方案) : 大坝上游坡度369.43m平台作单排冲抓回填构筑防渗墙，冲抓套井回填以右岸0+025为起始桩号，终点桩号为0+069，设计孔距0.78m，冲抓深度至建基面；采用帷幕灌浆的方法，将坝体与山体沿两岸相交，水库正常水位与相对不透水层相交的地方进行回填，灌浆范围为0-003～0+108；在43m 平台与坝顶之间的上游坡面设置复合土工膜防渗层。 将土工膜防渗、抓斗回填、坝基帷幕灌浆三者联系起来，形成一个封闭的连续防渗系统内坡进行平整，重建踏板、马道及排水系统；从00m 高程至坝顶采用预制混凝土六块护坡拆除坝顶原波壁并重建1.0m高C20砼防浪墙。
2.3 方案选定
综合投资经济、防渗效果、以往施工经验等方面考虑，本次设计推荐方案一作为大坝除险加固设计方案，比较结果见表1。
表1 除险加固方案优选
项目 | 方案一 | 方案二 |
设计方案 | 大坝上游坝坡379.83m至359.00m高程坡面铺设复合土工膜防渗，359.00m高程设置砼灌浆平台，对坝基进行帷幕灌浆，向两岸沿坝体与山体交线延伸至水库正常蓄水位与相对不透水层相交处，孔距3.0m，灌浆范围为0+074～0+091；防渗土工膜及坝基帷幕灌浆连接成封闭、连续的防渗体系；内坡进行平整，重建踏板、马道及排水系统；359.00m高程至坝顶范围采用预制砼六方块护坡；拆除坝顶原有防浪墙，重建1.0m高C20砼防浪墙。 | 大坝上游坡369.43m平台作单排冲抓回填构筑防渗墙，冲抓套井回填以右岸0+025为起始桩号，终点桩号为0+069，设计孔距0.78m；抓套井回填墙底缘接帷幕灌浆，向两岸沿坝体与山体交线延伸至水库正常蓄水位与相对不透水层相交处，孔距3.0m，灌浆范围为0-003～0+108；369.43m平台至坝顶之间的上游坝坡面铺设复合土工膜防渗层；内坡进行平整，死水位360.78m至坝顶范围采用预制砼六方块护坡；拆除坝顶原有防浪墙，重建1.0m高C20砼防浪墙。 |
工程量及 投资 | 帷幕灌浆359.9m，预制块砼268.0m3 | 冲抓套井回填405.62m，帷幕灌浆261.90m，预制块砼256.9m3 |
估算 投资 | 78.00万元 | 80.12万元 |
方案 比较 | 优点：1、施工经验丰富； 2、施工进度快。 | 优点：防渗效果优。 缺点：冲抓回填难施工， 进度慢。 |
结论 | 推荐方案 | 比较方案 |
2.4 坝顶高程复核
根据（SL274-2001）文件要求，大坝坝顶高程应等于水库静水位与坝顶超高之和。水库静水位与坝顶超高分别按不同运用情况进行计算，坝顶高程取相应组合的最大值，具体计算式如下：
Z=Z0+Rp+e+A （1）
式中：Z——水库大坝顶部高程（m）；
Z0——水库静水位（m）；
Rp——波浪爬高，
；
KP——系数，按《规范》附表A.1.13确定；
Rm——波浪平均爬高，
；
——糙率渗透系数，按《规范》附表A.1.12-1确定为0.75；
KW——经验系数，按《规范》附表A.1.12-2确定为1.16；
hm——平均浪高（m）；
W——计算风速；
D——风区长度，取500m；
Lm——平均波长（m）；
m——坝坡系数，取2.16；e——风壅水面高（m）；
A——安全超高。
经计算，东方红水库大坝顶部的最小高程按《规范》的要求不得小于380.73m。东方红水库大坝现有高程379.83m，较《规范》要求的最小低程低0.93m，不满足要求。详见表2。
表 2 坝顶高程最低要求计算
运用情况 | Z0 | R | e | A | Z | 备注 |
正常运用 | 379.14 | 1.08 | 0.01 | 0.5 | 380.76 | 莆田公式 |
非常运用 | 379.43 | 0.86 | 0 | 0.3 | 380.59 |
2.5 坝身加固
大坝上游坝坡379.83m至359.00m高程坡面铺设复合土工膜防渗，359.00m高程设置帷幕灌浆平台。灌浆孔距3.0m，灌浆范围为0+074～0+091；防渗土工膜及坝基帷幕灌浆连接成封闭、连续的防渗体系。
2.6 渗流及稳定分析
本次计算根据地质勘探的结果，确定断面的材料分区。结合原状土土工试验、钻孔柱状图，确定稳定计算各材料的分区及指标（见图1、表3），进行大坝加固后渗流场及坝坡稳定性计算分析[3-5]。
采用渗流计算分析UNSST2（Unsteady Seepage and Stability）。该程序为二维有限元渗流计算程序，采用四边形等参单元固定网格法求解方程，可用于土石坝的渗流计算分析。目前已在省内数十座大、中型土石坝的渗流计算分析中运用，得到省内外专家的肯定，可以满足实际工程的精度要求。
本次坝坡抗滑稳定计算所用的坝坡稳定分析程序《STAB1》是北京水科院陈祖煜同志编的《STAB1》微机版，该方法可以进行有效应力法和总应力法分析。本次上游坝坡抗滑稳定计算采用瑞典圆弧法，下游堆石体抗滑稳定计算采用毕肖普法。
通过计算分析，得出如下结论：东方红水库大坝根据本次设计方案加固后，各计算工况下坝坡最小抗滑稳定安全系数均满足规范要求（详见表4）。
表3 渗流分析、稳定计算分区指标
指标 | 材料分区 | |||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | ||
粘土斜墙 | 堆石体 | 碎石土 | 防渗 土工膜 | 帷幕 灌浆 | 强风化 基岩 | 弱风化 基岩 | ||
KY（垂直） | 6.1×10-4 | 5.6×10-2 | 5.2×10-3 | 1×10-8 | 1×10-4 | 2.7×10-4 | 1.0×10-4 | |
KX（水平） | 9.5×10-4 | 8.1×10-2 | 8.7×10-3 | 1×10-8 | 1×10-4 | 2.8×10-4 | 1.0×10-4 | |
固结快剪（R） | C(Kpa) | 24.3 | 35.0 | 9.0 | | | 20.0 | 35.0 |
φ(°) | 16.8 | 3.0 | 22.0 | | | 35.0 | 40.0 | |
固结慢剪（S） | C(Kpa) | 20.5 | | 8.4 | | | | |
φ(°) | 19.8 | | 23.5 | | | | | |
密度(g/cm3) | 1.87 | 1.92 | 1.88 | | | 2.10 | 2.15 | |
饱和密度(g/cm3) | 1.95 | 2.05 | 2.07 | | | 2.20 | 2.25 | |
表4 加固后坝坡抗滑稳定性计算成果
计算工况 | 上游 | 下游 | 坝坡位置 | 加固后安全系数AB1 | [K] | 结论 |
正常蓄水位 | 378.26 | 无水 | 下游 | 1.412 | 1.25 | 满足要求 |
设计洪水位 | 379.14 | 无水 | 下游 | 1.412 | 1.25 | 满足要求 |
校核洪水位 | 379.43 | 无水 | 下游 | 1.412 | 1.15 | 满足要求 |
计算工况 | 上游 | 下游 | 坝坡位置 | 加固后安全系数AB | [K] | 结论 |
1/3不利水位 | 365.59 | 无水 | 上游 | 1.889 | 1.15 | 满足要求 |
库水位骤降 | 378.26~360.87 | 无水 | 上游 | 1.728 | 1.05 | 满足要求 |
图1 稳定计算材料分区图
3 结论
基于我国大规模病险水库大坝除险加固建设的领域现状以及隐患病险除控修复业已常态化的工程背景，从提高大坝病险除控设计和决策科学性以及全生命周期安全保障协同性的目标出发，重点研究防渗加固措施对渗透稳定的影响。本文以东方红水库的除险加固方案比选为案例，渗流计算分析采用渗流计算分析程序UNSST2（Unsteady Seepage and Stability）。计算分析结果表明，按设计方案加固后，东方红水库大坝坝坡在各计算条件下均能满足规范对最小抗滑稳定的要求。
参考文献：
[1] 白永年等著. 中国堤坝防渗加固新技术, 中国水利水电出版社, 2001年.
[2] 金德濂等著. 湖南省病险土石坝治理研究，湖南省水利水电厅, 1991年.
[3] 《水工设计手册》第4册《土石坝》，水利电力出版社，1984年.
[4] 《土坝设计》，水利电力出版社，1978年.
[5] 《小（2）型病险水库除险加固工程初步设计指导意见》，2011.
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