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某山区水库安全加固工程设计探究

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摘要:以某山区小型水库为工程实例,针对水库存在坝体局部渗漏、安全储备不足、泄洪不畅等现状问题,对水库坝体在不同工况下进行稳定性计算分析。根据计算结果,结合坝体、坝基土质透水情况,提出了采用坝体防渗墙及坝基卵石层高压摆喷的加固设计方案,控制坝体内水的渗透,同时加高加宽坝顶、修复泄洪道,并增加坝体变形、水压等监测项目动态指导。该设计思路可为类似水库加固除险工程提供借鉴和参考。

关键词:水库;加固;坝体;稳定性

计算山区丘陵地带,水库是当地居民农业灌溉的重要保证,也是水电产业的重要来源[1],水库大坝的设计关系到水库建设成本及其安全运行,进而影响到民生。大坝的稳定是水库安全运营的前提,近年来,国家对运营水库定期进行安全鉴定,对存在失稳风险的水库进行安全加固,在水库除险加固、稳定性验算等方面,前人已做了一定工作[2]。但是,在特定山区地质相对复杂的地区,水库的安全加固设计仍需要完善,加强设计的针对性。本文以华南某山区水库为例,对其卵石坝基的不利条件及现状问题,通过不同工况的稳定分析,对该水库加固设计分析,采用防渗墙控制坝体渗流等除险措施,设计思路可为类似水库加固提供借鉴。

一、工程概况

华南山区某水库集雨面积6.6km2,水库正常蓄水位71.20m,相应库容490万m3,设计洪水位为73.55m,相应库容为594万m3,校核洪水位为74.41m,相应库容632万m3,根据《防洪标准》(GB50201-2014)和《水利水电工程等级划分和洪水标准》(SL252-2000),本水库属于小(1)型,工程等级为Ⅳ等,主要建筑物为4级,次要建筑物为5级,临时建筑物为5级;防洪标准按50年一遇洪水设计,500年一遇洪水校核。水库主要建筑物包括:均质土坝1座、最大坝高39m,坝顶长300m;溢洪道1座,为开敞式驼峰堰;涵管1条,为φ800mm砼管。水库的主要用途为雨季蓄水及农田灌溉。

二、水库现状分析

1.水库坝体现状存在问题

(1)坝体填料主要为粘土质砂,渗透性较强,局部渗漏较严重,坝顶高程未达到防洪要求。(2)坝基大多与第四系风化残积层直接接触,局部与强透水的中砂、砂卵石层接触,其渗透性较大,大坝下游坝脚现状为湿地,植被非常茂盛,存在渗漏安全隐患。(3)水库使用期,大坝未设置变形、测压管等观测设施,无法掌握坝体变形发展情况。2.溢洪道现状主要存在问题(1)控制段不满足防洪要求,泄槽边墙墙顶高程不满足规范要求;(2)泄槽出口约20m范围内被堵塞,严重阻水;下游河道植被茂盛,影响行洪。经初步分析,该水库已数年未加固处理,建设初期水库大坝清基不彻底,存在透水层;坝体内局部有水存留,持续的渗流影响坝体的安全;局部坝体宽度、高度不够。因此,有必要对该水库坝体进行稳定核算,进行必要的加固设计。

三、坝体稳定性计算

1.工程地质及计算参数

该水库地质情况比较复杂,主要因为坝体内部土体为粘土质砂,局部坝基为卵石,均为透水性较好的土层,容易形成稳定渗流,对水库大坝稳定不利。本次稳定性计算,坝体及坝基土体的物理力学指标采用勘察报告中的建议值,并根据经验适当修正。

2.计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范(DL/T5395-2007)》相关要求及水库等级实际情况[3],选取计算工况条件如表2所示。计算断面选择水库坝体最具代表性的主断面,坝基为卵石层;地震工况按该区域地震动峰值加速度0.05g考虑。

3.坝体稳定性计算结果

采用GeoStudio中Slope模块进行坝体稳定性计算分析,坝体形成稳定渗流期采用有效应力法,水位骤降期稳定计算采用总应力法,各种工况计算结果如图1~图4所示。根据坝体抗滑稳定安全系数结果,基本满足规范要求,但安全储备稍显不足,应控制坝体内渗流冲刷,减少稳定身体对坝体的影响,保证坝身的密实度,水库大坝的加固设计应立足于此点进行。

四、水库加固设计

1.坝体防渗墙设计

(1)坝体粘土质砂层坝体粘土质砂层进行劈裂灌浆,坝体劈裂灌浆均采用水泥粘土浆,其中水泥含量控制在15%~20%范围内,泥浆容重应控制在1.6g/cm3左右。成孔均按隔孔跳打方式进行,孔径采用60mm,孔深必须达到设计深度。灌浆时,应先对每序孔轮灌,采用“少灌多复”的方法。每次最大灌浆量根据试验情况及设计要求控制,灌浆次数应通过试验确定,建议每孔灌浆次数大于5次。(2)卵石层中间坝段坝基存在卵石层部位进行高压摆喷灌浆方法。采用三管法,灌浆喷射摆角为35°,钻孔倾斜率不超过1%。高压喷射灌浆均采用水泥浆,其水灰比可为0.6~1.0,浆液密度应控制在1.6g/cm3。孔径应大于喷射管外径20mm以上,孔深须超过设计深度0.3m。根据类似工程经验[4],高压摆喷施工时应注意漏浆、串孔、终孔等问题。水库坝体主断面设计图如图5所示。

2.溢洪道加固设计

溢洪道不能满足泄洪需求的应拆除重建;局部淤积严重,杂草丛生,应清淤,清杂草。其它段采用C20砼墙加高侧墙。

3.监测设计

水库无监测设施,本次设计增加位移监测及测压管监测,定期观测,掌握坝体位移及坝体内水渗流情况,为水库安全运营提供合理性建议。

五、结论与建议

(1)对于山区水库,当大坝下游坝脚现状为湿地,植被较茂盛,坝体可能存在泄漏安全隐患,应进行加固除险设计。(2)采用防渗墙加固坝身,可控制坝体内水的渗透贯通;高压摆喷灌浆加固坝基卵石层,一方面防止水体在坝基层形成渗流冲刷,另一方面避免水体绕过上部防渗墙进入坝体。(3)对地质相对复杂的水库安全加固设计,坝体稳定性计算应考虑多种工况,最小抗滑安全系数在满足规范的前提下,应预留一定安全储备。

参考文献

[1]李兴灿.水库大坝设计及稳定分析[J].陕西水利,2017,6:87-88.

[2]孛永平,甘磊.申村水库大坝除险加固工程设计[J].水利与建设工程学报,2011,2(9):80-84.

[3]碾压式土石坝设计规范(DL/T5395-2007).[4]林树文.高压摆喷技术在病险水库大坝防渗中的设计与施工[J].中国水运(下半月),2015,1(15):168-169.

作者:王传志 单位:济宁市水利工程施工公司

某山区水库安全加固工程设计探究责任编辑:张雨    阅读:人次