浅谈小型水库土石坝的除险加固

1. 工程概况
　　依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)及《防洪标准》(GB50201-94)规定,某工程设计洪水标准为30年一遇,校核洪水标准500年一遇。该工程于1975年10月兴建,1976年3月建成,总库容275万m3,校核洪水位234.15m;兴利库容185万m3,兴利水位231.0m;死库容15万m3,死水位215.5m。水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道、放水洞三部分组成。大坝为粘土心墙砂壳坝,坝长300m,坝顶宽2.5m~4.0m,最大坝高24.0m,坝顶高程235.15m,粘土心墙顶高程233.5m。溢洪道采用坝肩式,位于大坝右端,进口为开敞式宽顶堰,堰顶高程231.0m,堰宽51m,最大泄量450m3/s。放水洞位于大坝0+108桩号处,为矩形断面的无压浆砌块石涵洞,尺寸为1.0m×0.7m,洞身长90m,进口底高程215.5m,采用钢丝绳斜拉式闸门,启闭机房位于坝肩迎水侧,最大引水流量1.9m3/s。
　
　2. 工程存在的问题
　　该工程由于建造时间早,在建期间受资金及条件的限制,采用人工筑土建成,大坝填筑质量差,碾压质量达不到规范要求。坝体土料为夹杂砾石和较大砂砾的壤土,加之冬季施工,造成坝体压土密实度低。粘土心墙清基不彻底,导致坝脚有渗水现象。大坝的迎水坡坡比为1:1.86~1:1.92,缺土严重。砌石护坡质量差,大部分已破坏,坝壳裸露,桩号0+210处塌陷,水位变动区坝坡掏刷严重。背水坡坡比较陡,仅有1:1.5~1:1.82,缺土严重,且多处出现由于冲刷形成的局部塌陷和凹坑,坡面杂草丛生,无排水设施。大坝坝顶宽2.5m~4.0m,且不平整;防浪墙老化失修,砂浆剥落,损坏严重,基础未与心墙衔接;溢洪道进口处与大坝岸无护砌裹头,泄洪时严重危及坝体安全。
　　
3. 除险加固方法的选用原则
　　土石坝虽然坝型常见,但由于其工程情形复杂,机具、材料等条件多变,并且各项具体的除险加固方法很多都有其特定的适用范围和局限性,因此,对每一具体工程病害都应进行仔细分析。应从工程病害情况、除险加固要求(包括加固后工程应达到的各项指标、加固范围、加固进度等)、工程费用以及材料、机具来源等各方面进行综合考虑。确定土石坝加固方法时,应根据工程病害的具体情况对几种加固方法进行技术、经济、施工比较,选择技术上可靠,经济上合理,且能满足施工要求的除险加固方法。
　
　4. 工程的除险加固设计
　　4.1 坝体尺寸设计。工程的坝顶宽度当前为2.5m~4.0m,根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-96)(以下简称《导则》)有关规定,考虑工程构造、防汛抢险、交通、新农村建设等需要,本次加固坝顶宽度按4m设计。依据《导则》规定,坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和,根据该水库不同运行工况下静水位的坝顶超高核算坝顶高程。本次加固坝顶高程确定为235.24m,在现有基础上加高坝顶0.94m,并在上游坝肩修建0.8m高防浪墙,则防浪墙顶高程为235.24m。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)要求,粘土心墙土坝心墙防渗体在正常蓄水位或设计水位以上超高0.6m,心墙防渗体顶部不应低于非常运用条件静水位。本次加固后粘土心墙顶高程仅低于坝顶0.5m。根据工程现状并考虑坝型、坝高、坝基材料等因素,参照已建类似土坝工程做法,确定大坝迎水坡在高程231.0m处设1.5m宽戗台,戗台以下、以上坡比均为1:2.5;背水坡在高程225.0m处设1.5m宽戗台,戗台以上坡比为1:2.0,以下坡比设计为1:2.5。在大坝与溢洪道相接处增设浆砌石裹头防护,上游端与迎水坡护坡石衔接,护至坝顶,并采用浆砌料石封顶。
　　4.2 迎水坡工程。迎水坡进行补土以达到设计坡比,并进行翻压。采用干砌块石护,护坡石下设反滤层。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),选用块石宽×厚为0.30m×0.20m,块石长度不小于50cm;每隔20m设浆砌石隔梁,断面尺寸为0.7m×0.7m,沿坝脚设浆砌石齿墙。原有反滤体由于多年运行,部分坍塌,反滤体外部淤积粘土,排水效果差,现排水体顶部高程不满足规范要求,故本次加固对其拆除重建。反滤体形式按实际现状选用贴坡排水体,护坡反滤层自上而下第一层为2cm~4cm石子,厚15cm,第二层为200g/m2的反滤土。顶部高程按照规范要求,贴坡排水体顶部高程应高于坝浸润线出逸点不小于1.5m,根据渗流计算成果确定反滤贴坡排水体的顶部高程为91.5m,底部设两级反滤层。
　　4.3 背水坡工程。
　　4.3.1 坝坡补土。背水坡局部缺土,坡比不满足规范要求。且坡面凹凸不平,无排水设施,冲刷较严重。按设计坡比补土筑坡并翻压。施工中,清除原有坡面杂草及腐质土,自下而上,水平上升,分层铺土,层土层压,提高密实度,增强坝坡抗滑稳定能力。为保证新、老土砾料的有机结合,在新土铺筑过程中,新土要与原坝坡土粒料进行搭接,搭接宽度不少于0.5m。
　　4.3.2 坝坡防护排水。大坝原有坡面无排水设施,根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)规定,沿坝轴线每隔30m设置竖向排水沟一道,计11道,戗台及坡脚各设横向排水沟一道。排水沟按10年一遇洪水标准设计,竖向排水沟断面宽×高为0.40m×0.25m,横向排水沟断面宽、高分别为0.40m×0.25m和0.5m×0.4m。排水沟底部采用C15细石混凝土现场浇筑,厚度15cm,两侧墙采用10cm厚C20混凝土预制板镶砌,1∶3.0水泥砂浆勾缝。背水坡全部植草皮防护,以防止雨水漫流造成坡面冲刷。
　 4.3.3 排水体。坡脚在桩号0+060~0+150处设堆石棱体排水,顶宽1.5m,边坡1:1.5,高度3m;其他坝段采用贴坡式排水体,边坡1:2.5。排水体采用块石干砌,内侧设反滤层,反滤层自内而外依次铺设粗砂、透水土工布、碎石。
　　4.4 坝顶工程。坝顶防浪墙设在上游坝肩处,基础与粘土心墙衔接,坝顶以上高度0.8m,M7.5块石浆砌,M10浆砌料石镶面,用20cm厚的料石封顶。坝顶设混凝土路面,考虑到交通要求,硬化路面净宽4.5m,底部设15cm厚的水泥砂砾稳定层,面层为30cm厚的混凝土,路面横坡倾向下游,坡比为2%。新建防浪墙与心墙之间的防渗体,采用土工膜连接,防渗土工膜上下铺砂质粘土厚15cm保护。
　　4.5 渗漏处理工程。根据安全排查可知,该工程建坝时坝基清基不彻底,坝脚多处渗水,通过对坝基进行帷幕灌浆,彻底根治了坝基渗漏问题。具体渗漏处理的要求为:保证坝体和坝基的渗流稳定,其抗渗比降和渗透流速满足稳定要求;控制渗流量,尽量减少渗漏损失;控制下游剩余水头,防止渗透变形破坏,保证下游边坡稳定,减少下游沉降。渗漏处理的总原则是“上截下排”,“上截”即在坝轴线以上部分堵截渗流途径,防止和减少渗漏水量渗入坝体和坝基;“下排”就是在下游做好反滤导渗排水设施,使渗入坝体、坝基的渗水在不带走土颗粒的前提下安全通畅地排向下游。
　　4.5.1 灌浆方法。采用充填式灌浆,按照分序和“少灌多复”(即一次灌浆量要少,重复灌浆的次数要多)的灌浆方法。通过套管“自下而上,分段灌注”,在灌浆中先对第一序孔轮灌,待第一序孔终灌后再进行第二序孔,第二序孔结束后再进行第三序孔。每孔灌浆次数为5~10次,两次灌浆间隔时间不应少于5天。钻孔过程中,出现漏浆现象时,可采用先灌浆后钻进的办法处理,并严格控制灌浆量及灌浆压力。
　　4.5.2 钻孔布置。充填灌浆孔一般应布置在隐患处或其附近,根据隐患的性质或范围决定布孔。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),本工程坝高在20m以上,宜采用双排布孔,孔距为2.0m~2.5m,排距为0.5m~1.0m。在岸坡段、弯曲坝段布孔,应适当缩小孔距。底部要求嵌入不透水层2m~3m。
　　4.5.3 灌浆材料与灌浆压力灌浆压力:根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),帷幕灌浆压力按下式计算。
　　P=P0+mD+kyh
　　式中,P——灌浆压力(KPa);
　　P0——岩基表层的允许压力(KPa);
　　m——灌浆段上岩层每增加1m所增加的压力(KPa);
　　D——灌浆段上岩层的厚度(m);
　　k——一般取为1.5;
　　y——压重的重度(KN/m3);
　　h——灌浆段以上压重的厚度(m)。
　　经计算,本工程的设计灌浆压力为0.05MPa~0.25MPa。
　　
5. 结论
　　通过分析该工程的隐患所在,依据规范对大坝坝坡稳定、渗透稳定行了坝体尺寸的重新设计,并采用碾压试验等方法确定各项施工填筑参数,在迎水坡工程、背水坡工程、坝顶工程施工中严格按施工填筑参数控制压实质量、铺筑厚度、材质级配等各项指标。工程加固后至今运行良好,故实践证明其所采取的除险加固措施取得了较好效果,值得推广。