论文部分内容阅读
摘要：我国众多的水库大都建设于二十世纪六、七十年代，由于历史原因，受当时财力、物力和技术力量的局限，工程质量难以保证。再加上几十年的运行，致使很多工程长期存在安全隐患，因而，排查与除险工作，乃是水利工作者的当务之急。本文依据中小型水库土石坝病害整治设计的经验，主要介绍了碾压式土石坝在除险加固设计时的坝坡抗滑稳定计算、坝坡加固设计、大坝渗漏整治设计的几点体会，并对遇到的问题和处理方法进行了探讨。
关键词：水库大坝 病害分析 整治设计
Abstract: the construction of our country's many reservoir in the twentieth century mostly six, the seventy s, because of historical reasons, the exploitation was financial and material resources and technical strength limitations, hard to ensure project quality. Plus decades of operation, cause a lot of engineering long-term unsafe, therefore, testing and work problems, but water conservancy workers of the moment. This paper based on small and medium reservoir earth dam disease regulation design experience, mainly introduced the rolling type earth-rockfill dam reinforcement design problems in the dam slope of sliding stability analysis of dam slope, reinforced design, the design of the dam leakage some experiences, and the problems and processing methods are discussed.
Keywords: dam disease analysis regulation design
中图分类号：U449.7 文献标识码：A文章编号：
全国已建水库大部分修建于20世纪60～70年代，因当时历史、工程技术等条件限制，很多水库在缺乏最起码的基本地质资料和必要的工程技术条件下仓促动工，加之大部分工程又都是民工队伍施工，施工质量难于保证，使得一些工程在修建时就存在安全隐患，同时又经过幾十年的运行，许多水库病险问题非常突出，不但工程效益不能发挥，而且还直接威胁到下游人民的生命财产安全。因此，加强对病害水库的除险加固工作十分必要。笔者根据几年来对水库病害整治设计的经验，谈谈对水库大坝(特别是碾压式土石坝)除险加固设计的几点体会。
1 坝坡抗滑稳定计算
在进行病险水库整治设计时，必须进行坝坡抗滑稳定计算，作为设计依据。
1．1原坝坡的稳定复核
对大坝的稳定性，除根据安全鉴定报告结论和现场察勘以及运行资料来判断外，还应进行稳定计算。其目的是：①对安全鉴定结论进行复核；②检验试验数据的合理性。由于可能受时间、天气、经费等条件的影响，使所取土样与实际运行条件有差异，或土样偏少，无法完全反映土体的运行状况，这就需要利用计算对试验数据进行检验。
1．2整治后坝坡抗滑稳定计算
目的是验证整治后坝坡的稳定性，为上级主管部门的检查验收提供依据。
1．2．1计算方法和计算工况选择
计算方法主要采用考虑土条间作用力的简化毕肖普法，利用计算机进行计算。计算工况按《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)的要求选择可能出现的工况。笔者根据几年来对土石坝坡稳定计算的经验，在初步计算时，只需计算对坝坡稳定最不利的情况。对于上游坝坡，在稳定渗流期，上游水位越高对坝坡稳定越有利，所以一般只要库空(水位在1／3坝高处)或死水位时上游坝坡稳定，其它水位时上游坝坡就会稳定；在水位降落期，水位降幅越大，持续时间越短，坝坡越不稳定。计算中根据水库运行时可能出现的运行状况，先选择最危险的情况进行计算。对于下游坝坡，只计算稳定渗流期的坝坡稳定情况，一般上游水位越高对下游坝坡稳定越不利，对开敞式溢洪道的大坝，由于在设计和校核洪水时，洪水历时很短，没有形成稳定渗流就降到正常水位，因此可以先计算上游正常水位时下游坝坡稳定性；对有闸溢洪道的大坝，可先计算最高洪水时的情况。经上述工况计算后，就可以判断上下游坝坡的稳定情况，大大减少计算工作量(特别是在设计选择上下游坝坡的过程中)。对规范要求的其他运行工况，只在最后进行复核计算。
2 病害原因分析
设计时应认真分析水库出现病险的原因，弄清楚工程从前的设计、施工和地质情况。同时要深人现场，观察水库周边水保、植被情况，从大坝的外观和运行状况以及土工试验、地质勘探资料中，详细分析病害的原因。主要从以下几个方面分析：①坝基、坝肩的水文地质情况，基础的岩性、裂隙分布、吸水率，工程修建时的处理措施等；②大坝修建时的填筑情况，是否存在不利填筑面；③查清防渗体是否满足要求，有无排水棱体及排水棱体是否失效；④查清白蚁分布情况；⑤坝体断面尺寸是否满足规范要求，如坝体过单薄，部分或全部坝坡过陡等。当原资料缺失或无资料时，应补充土工实验和地质勘探，认真分析导致大坝出现病害的原因，然后才能“对症下药”，对大坝进行科学合理的设计。
3 坝坡加固设计
3．1上游削坡减载与抛石压脚相结合，下游培厚加固
设计时，根据坝坡稳定计算结果，选择适当的抛石位置，增大阻滑力，并将上部坝坡削为稳定边坡。选择合理的抛石位置尤其重要，靠坝轴线不能超过原坝体最危险滑弧最底处所对应的位置，否则会增大滑动力，但也不能过于靠前，错过滑弧的出露点而起不到抗滑作用。抛石顶部宽度由抗滑稳定计算确定，坡度l：3左右。上部削坡后的坝坡，初拟时可取l：2．25—1：2．75，其大小根据坝体填料的抗剪强度、坝高等选择，强度越高，坝体高度越小，坝坡就越陡，否则坝坡越缓。
上游削坡后，坝轴线相应下移，根据规范确定坝顶宽度和高程是否满足要求，然后对坝顶、下游坝坡培厚加固，设计时根据料场情况，选择经济合理的填筑料和坝坡。一般情况下，下游坝坡较上游坝坡陡一些，坡度选择与填筑料密切相关，对于风化石渣料，初拟可选1:2一l:2.5，同时下游坝脚设排水棱体，其顶部设便于施工和检查观测的马道。初拟后对上下游坝坡的最不利运行工况进行稳定计算，判断是否满足规范要求，不满足的需适当调整再进行计算，直到满足规范要求为止，使设计坝体既安全又经济。
3．2上下游坝坡的培厚加固设计
对于有放空底洞的水库，在放干水后对灌溉等影响不大，且不会造成新的滑动的情况下，可将水库放空，对上下游坝坡进行培厚加固。这样可避免因上游削坡造成坝轴线下移而增加工程量，或者因削坡造成对原有防渗体的破坏，进行防渗体的整治而增加投资；对于原大坝下游不存在稳定问题的坝体整治，这种方案也更经济合理，同时它可以和上游坝面的防渗设计相结合；对于浅透水地基，在坝脚设防渗齿墙，若透水层较深，可采用帷幕灌浆，坝体上游面铺复合土工膜，并与周围的防渗帷幕形成封闭的防渗体系。
但是，由于水库上游坝坡的培厚加固设计方案，存在一个很大的弱点：水库运行过程中，原库区土或弃渣在库水长期浸泡下，形成淤泥，再加上水库淤积，在库区形成相当厚的淤泥层，由于在水下，施工前很难确定它的具体情况，这会对以后的施工造成很大的困难，甚至无法实施。
4 大坝渗漏整治设计
4．1渗漏原因分析
大坝渗漏一般有以下几个方面的原因：①坝基、坝肩存在渗漏裂隙、软弱夹层、风化破碎带等渗漏通道；②坝体和坝基接触带之间渗漏；③坝体渗漏或防渗体破坏，但下游排水棱体有效。这三种渗漏情况，一般从大坝外观上看，坝脚有漏水存在，下游坝坡看不到明显的散浸点和水草特别茂盛的现象；④坝体渗漏或防渗体破坏，下游排水棱体失效。这类渗漏情况，一般在下游坝坡可以明显地看到散浸点和水草特别茂盛的现象；⑤以上各种情况同时存在。
在分析渗漏原因时，除从大坝外观分析外，还应通过土工试验和钻探压水试验，分析坝体土或防渗体渗透系数是否满足要求；了解土体密度分布情况，坝体是存在个别渗透薄弱面(带)，还是整个坝体土孔隙率达不到防渗要求，或者存在白蚁通道导致坝体渗漏。
在查验坝基、坝肩及接触带渗漏时，除有资料可以明确渗漏情况的外，应做勘探压水试验，查明渗漏的具体位置。
4．2防渗设计
4．2．1 坝基、坝肩及接触带渗漏处理
对坝基、坝肩渗漏，一般采用沿坝轴线(均质坝)或防渗体底部位置及坝肩进行帷幕灌浆，其深度控制在相对不透水层(5～1OLU)以下3m一5m，灌入纯水泥浆或水泥砂浆。帷幕灌浆宜采用一排灌浆孔，孔距1.5m一2.Om，基岩破碎带采用两排或多排。基岩与坝体接触带渗漏处理，可以在帷幕灌浆结束时，在接触带灌入水泥粘土浆，浆液由稀到浓逐渐改变，粘土含量可适当加大，同时注意控制灌浆压力，在接触带形成水泥粘土塞，使帷幕与坝身形成统一封闭的整体。
坝肩帷幕顶部灌至水库正常蓄水位，两边延伸至水库正常蓄水位与相对不透水层在两岸的相交处，使坝基、坝体和坝肩形成一个完整封闭的防渗体系。
4．2．2坝体防渗设计
(1)防渗墙。当坝体孔隙率较大，其它防渗方式不易满足防渗要求时，可沿坝轴线设一道混凝土防渗墙，底部深入基岩lm～2m，并与基础帷幕灌浆连接，墙厚一般取60cm～80cm。
(2)充填灌浆。当坝体存在渗漏薄弱面或局部孔隙率较大而导致渗漏时，可采用充填灌浆，灌入粘土水泥浆，充填坝体孔隙，起到防渗效果。
(3)上游坝面铺设复合土工膜防渗。它适合于各种原因引起的坝体渗漏，设计时必须注意：土工膜与上游坝脚(水下部分)防渗体的结合以及与坝基、大坝周围与岸坡接触处的连接，不能出现防渗“空档”。例如，坝体采用土工膜，而基岩帷幕却设在坝轴线处，这样坝体与基岩接触面就形成渗漏通道。
另外，坝体防渗还有劈裂、高压旋喷等灌浆方法。
4．3排水设计
为有效排走坝体和基础少量渗水，降低浸润线，减小渗透压力，汇集排走坝雨水，防止下游尾水冲刷坝脚，应设坝体和坝面排水设施。只有防渗和排水相結合，做到上堵下排，才能保证大坝的渗漏安全。
4．3．1坝体排水
大坝整治坝体排水多采用棱柱体和贴坡式排水，要注意处理好原排水体及新老排水棱体的连接设计，设计时拆除原棱体失效部分。当新增排水体距原排水体较远时，为节约排水材料，降低投资，同时又能利用原有排水体，可在两者之间设水平排水带，将其连接起来。同时又使棱体外观平整美观，采用“金包银”式，即在干砌块石外面砌条石。在坝脚与下游河道之间应设排水沟，及时将雨水和渗水排走。
4．3．2坝面排水
坝面排水属于常规设计，这里不再赘述，应该注意的是，如果上下游护坡采用现浇混凝土或浆砌混凝土预制块，应每2m一3m设一个排水孔，直径5cm左右，呈梅花形布置，孔内采用土工布袋作反滤层，施工方便快捷，排水孔应水平或略向下倾斜。另外，还有白蚁防治、大坝护坡设计、外观和观测设施设计等，由于篇幅关系这里不再赘述。总之，大坝除险加固设计要本着“综合治理，因地制宜，就地取材，经济科学”的原则进行。
关键词：水库大坝 病害分析 整治设计
Abstract: the construction of our country's many reservoir in the twentieth century mostly six, the seventy s, because of historical reasons, the exploitation was financial and material resources and technical strength limitations, hard to ensure project quality. Plus decades of operation, cause a lot of engineering long-term unsafe, therefore, testing and work problems, but water conservancy workers of the moment. This paper based on small and medium reservoir earth dam disease regulation design experience, mainly introduced the rolling type earth-rockfill dam reinforcement design problems in the dam slope of sliding stability analysis of dam slope, reinforced design, the design of the dam leakage some experiences, and the problems and processing methods are discussed.
Keywords: dam disease analysis regulation design
中图分类号：U449.7 文献标识码：A文章编号：
全国已建水库大部分修建于20世纪60～70年代，因当时历史、工程技术等条件限制，很多水库在缺乏最起码的基本地质资料和必要的工程技术条件下仓促动工，加之大部分工程又都是民工队伍施工，施工质量难于保证，使得一些工程在修建时就存在安全隐患，同时又经过幾十年的运行，许多水库病险问题非常突出，不但工程效益不能发挥，而且还直接威胁到下游人民的生命财产安全。因此，加强对病害水库的除险加固工作十分必要。笔者根据几年来对水库病害整治设计的经验，谈谈对水库大坝(特别是碾压式土石坝)除险加固设计的几点体会。
1 坝坡抗滑稳定计算
在进行病险水库整治设计时，必须进行坝坡抗滑稳定计算，作为设计依据。
1．1原坝坡的稳定复核
对大坝的稳定性，除根据安全鉴定报告结论和现场察勘以及运行资料来判断外，还应进行稳定计算。其目的是：①对安全鉴定结论进行复核；②检验试验数据的合理性。由于可能受时间、天气、经费等条件的影响，使所取土样与实际运行条件有差异，或土样偏少，无法完全反映土体的运行状况，这就需要利用计算对试验数据进行检验。
1．2整治后坝坡抗滑稳定计算
目的是验证整治后坝坡的稳定性，为上级主管部门的检查验收提供依据。
1．2．1计算方法和计算工况选择
计算方法主要采用考虑土条间作用力的简化毕肖普法，利用计算机进行计算。计算工况按《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)的要求选择可能出现的工况。笔者根据几年来对土石坝坡稳定计算的经验，在初步计算时，只需计算对坝坡稳定最不利的情况。对于上游坝坡，在稳定渗流期，上游水位越高对坝坡稳定越有利，所以一般只要库空(水位在1／3坝高处)或死水位时上游坝坡稳定，其它水位时上游坝坡就会稳定；在水位降落期，水位降幅越大，持续时间越短，坝坡越不稳定。计算中根据水库运行时可能出现的运行状况，先选择最危险的情况进行计算。对于下游坝坡，只计算稳定渗流期的坝坡稳定情况，一般上游水位越高对下游坝坡稳定越不利，对开敞式溢洪道的大坝，由于在设计和校核洪水时，洪水历时很短，没有形成稳定渗流就降到正常水位，因此可以先计算上游正常水位时下游坝坡稳定性；对有闸溢洪道的大坝，可先计算最高洪水时的情况。经上述工况计算后，就可以判断上下游坝坡的稳定情况，大大减少计算工作量(特别是在设计选择上下游坝坡的过程中)。对规范要求的其他运行工况，只在最后进行复核计算。
2 病害原因分析
设计时应认真分析水库出现病险的原因，弄清楚工程从前的设计、施工和地质情况。同时要深人现场，观察水库周边水保、植被情况，从大坝的外观和运行状况以及土工试验、地质勘探资料中，详细分析病害的原因。主要从以下几个方面分析：①坝基、坝肩的水文地质情况，基础的岩性、裂隙分布、吸水率，工程修建时的处理措施等；②大坝修建时的填筑情况，是否存在不利填筑面；③查清防渗体是否满足要求，有无排水棱体及排水棱体是否失效；④查清白蚁分布情况；⑤坝体断面尺寸是否满足规范要求，如坝体过单薄，部分或全部坝坡过陡等。当原资料缺失或无资料时，应补充土工实验和地质勘探，认真分析导致大坝出现病害的原因，然后才能“对症下药”，对大坝进行科学合理的设计。
3 坝坡加固设计
3．1上游削坡减载与抛石压脚相结合，下游培厚加固
设计时，根据坝坡稳定计算结果，选择适当的抛石位置，增大阻滑力，并将上部坝坡削为稳定边坡。选择合理的抛石位置尤其重要，靠坝轴线不能超过原坝体最危险滑弧最底处所对应的位置，否则会增大滑动力，但也不能过于靠前，错过滑弧的出露点而起不到抗滑作用。抛石顶部宽度由抗滑稳定计算确定，坡度l：3左右。上部削坡后的坝坡，初拟时可取l：2．25—1：2．75，其大小根据坝体填料的抗剪强度、坝高等选择，强度越高，坝体高度越小，坝坡就越陡，否则坝坡越缓。
上游削坡后，坝轴线相应下移，根据规范确定坝顶宽度和高程是否满足要求，然后对坝顶、下游坝坡培厚加固，设计时根据料场情况，选择经济合理的填筑料和坝坡。一般情况下，下游坝坡较上游坝坡陡一些，坡度选择与填筑料密切相关，对于风化石渣料，初拟可选1:2一l:2.5，同时下游坝脚设排水棱体，其顶部设便于施工和检查观测的马道。初拟后对上下游坝坡的最不利运行工况进行稳定计算，判断是否满足规范要求，不满足的需适当调整再进行计算，直到满足规范要求为止，使设计坝体既安全又经济。
3．2上下游坝坡的培厚加固设计
对于有放空底洞的水库，在放干水后对灌溉等影响不大，且不会造成新的滑动的情况下，可将水库放空，对上下游坝坡进行培厚加固。这样可避免因上游削坡造成坝轴线下移而增加工程量，或者因削坡造成对原有防渗体的破坏，进行防渗体的整治而增加投资；对于原大坝下游不存在稳定问题的坝体整治，这种方案也更经济合理，同时它可以和上游坝面的防渗设计相结合；对于浅透水地基，在坝脚设防渗齿墙，若透水层较深，可采用帷幕灌浆，坝体上游面铺复合土工膜，并与周围的防渗帷幕形成封闭的防渗体系。
但是，由于水库上游坝坡的培厚加固设计方案，存在一个很大的弱点：水库运行过程中，原库区土或弃渣在库水长期浸泡下，形成淤泥，再加上水库淤积，在库区形成相当厚的淤泥层，由于在水下，施工前很难确定它的具体情况，这会对以后的施工造成很大的困难，甚至无法实施。
4 大坝渗漏整治设计
4．1渗漏原因分析
大坝渗漏一般有以下几个方面的原因：①坝基、坝肩存在渗漏裂隙、软弱夹层、风化破碎带等渗漏通道；②坝体和坝基接触带之间渗漏；③坝体渗漏或防渗体破坏，但下游排水棱体有效。这三种渗漏情况，一般从大坝外观上看，坝脚有漏水存在，下游坝坡看不到明显的散浸点和水草特别茂盛的现象；④坝体渗漏或防渗体破坏，下游排水棱体失效。这类渗漏情况，一般在下游坝坡可以明显地看到散浸点和水草特别茂盛的现象；⑤以上各种情况同时存在。
在分析渗漏原因时，除从大坝外观分析外，还应通过土工试验和钻探压水试验，分析坝体土或防渗体渗透系数是否满足要求；了解土体密度分布情况，坝体是存在个别渗透薄弱面(带)，还是整个坝体土孔隙率达不到防渗要求，或者存在白蚁通道导致坝体渗漏。
在查验坝基、坝肩及接触带渗漏时，除有资料可以明确渗漏情况的外，应做勘探压水试验，查明渗漏的具体位置。
4．2防渗设计
4．2．1 坝基、坝肩及接触带渗漏处理
对坝基、坝肩渗漏，一般采用沿坝轴线(均质坝)或防渗体底部位置及坝肩进行帷幕灌浆，其深度控制在相对不透水层(5～1OLU)以下3m一5m，灌入纯水泥浆或水泥砂浆。帷幕灌浆宜采用一排灌浆孔，孔距1.5m一2.Om，基岩破碎带采用两排或多排。基岩与坝体接触带渗漏处理，可以在帷幕灌浆结束时，在接触带灌入水泥粘土浆，浆液由稀到浓逐渐改变，粘土含量可适当加大，同时注意控制灌浆压力，在接触带形成水泥粘土塞，使帷幕与坝身形成统一封闭的整体。
坝肩帷幕顶部灌至水库正常蓄水位，两边延伸至水库正常蓄水位与相对不透水层在两岸的相交处，使坝基、坝体和坝肩形成一个完整封闭的防渗体系。
4．2．2坝体防渗设计
(1)防渗墙。当坝体孔隙率较大，其它防渗方式不易满足防渗要求时，可沿坝轴线设一道混凝土防渗墙，底部深入基岩lm～2m，并与基础帷幕灌浆连接，墙厚一般取60cm～80cm。
(2)充填灌浆。当坝体存在渗漏薄弱面或局部孔隙率较大而导致渗漏时，可采用充填灌浆，灌入粘土水泥浆，充填坝体孔隙，起到防渗效果。
(3)上游坝面铺设复合土工膜防渗。它适合于各种原因引起的坝体渗漏，设计时必须注意：土工膜与上游坝脚(水下部分)防渗体的结合以及与坝基、大坝周围与岸坡接触处的连接，不能出现防渗“空档”。例如，坝体采用土工膜，而基岩帷幕却设在坝轴线处，这样坝体与基岩接触面就形成渗漏通道。
另外，坝体防渗还有劈裂、高压旋喷等灌浆方法。
4．3排水设计
为有效排走坝体和基础少量渗水，降低浸润线，减小渗透压力，汇集排走坝雨水，防止下游尾水冲刷坝脚，应设坝体和坝面排水设施。只有防渗和排水相結合，做到上堵下排，才能保证大坝的渗漏安全。
4．3．1坝体排水
大坝整治坝体排水多采用棱柱体和贴坡式排水，要注意处理好原排水体及新老排水棱体的连接设计，设计时拆除原棱体失效部分。当新增排水体距原排水体较远时，为节约排水材料，降低投资，同时又能利用原有排水体，可在两者之间设水平排水带，将其连接起来。同时又使棱体外观平整美观，采用“金包银”式，即在干砌块石外面砌条石。在坝脚与下游河道之间应设排水沟，及时将雨水和渗水排走。
4．3．2坝面排水
坝面排水属于常规设计，这里不再赘述，应该注意的是，如果上下游护坡采用现浇混凝土或浆砌混凝土预制块，应每2m一3m设一个排水孔，直径5cm左右，呈梅花形布置，孔内采用土工布袋作反滤层，施工方便快捷，排水孔应水平或略向下倾斜。另外，还有白蚁防治、大坝护坡设计、外观和观测设施设计等，由于篇幅关系这里不再赘述。总之，大坝除险加固设计要本着“综合治理，因地制宜，就地取材，经济科学”的原则进行。