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摘要：应急水源能保证在发生突发事故时水库也能正常给城市提供干净的水源，对应急水源土坝进行有效的加固是保证城市供水的重要工作。本文以某市的应急水源土坝加固设计为例，分析了该工程的现状以及任务要求，阐述了大坝加固设计的方案，使用了有效且合适的材料和方法进行加固，使应急水源土坝更加稳定。
关键词：应急水源;土坝加固;坝坡稳定;复合土工膜;防渗
随着我国城市发展进入了前所未有的局面，人们对水资源的需求也在日益增长，水库的兴建进程越来越快。但是在今天水库的安全性仍不高，容易发生污染等安全事故，因此应急水源对于城市供水来说显得十分重要，如何使应急水源的坝体更加安全和牢固也成为了人们关心的问题。下面就这方面进行讨论分析。
1 工程概况
1.1 工程现状及任务要求
某水库坝址以上控制集水面积16.0km2。现状的枢纽建筑物包括大坝（均质土坝）、溢洪道和坝下涵管等。大坝现状为均质土坝，坝体土质较好，为含砂低液限（粉）粘土和粉土质砂，但不均匀，碾压质量和压实较差。
水库现状正常蓄水位为156.54m，兴利的库容量为34.5万m3。通过对中心城区近期50万人口应急供水需求的分析，应急供水保证库容为59万m3，需增加水库兴利库容约20万m3。因此，正常蓄水位需由现状的172.25m提高至175.25m，现状大坝须进行加固扩建。
加固扩建后水库总库容89万m3，是一座以城市应急供水为主，兼有城市日常供水等综合效益水利枢纽工程。
1.2 大坝工程质量与地质条件评价
1.2.1 坝基地质条件评价
坝基岩石岩性有中粗粒黑云母花岗岩、变质砂岩和混合岩，属中硬岩类。大坝左岸坝体填筑在强风化花岗岩岩体上，右岸坝体填筑在强风化变质砂岩上，河床段坝体填筑在强～弱风化花岗岩与变质砂岩上。坝基岩体节理裂隙发育，强弱风化岩基均可满足大坝承载要求，坝基稳定。
1.2.2 原坝体填筑质量分析
大坝填筑土料来源于坝区附近山坡上的坡残积土，土质以棕黄、棕红色为主，夹灰、浅黄、灰黄色，土质为含砂低液限（粉）粘土和粉土质砂，干燥～湿，大部分呈可塑状或呈稍密状，土芯以柱状为主，局部土质结构松散或呈软塑状。
2 大坝加固设计
2.1 加固方案确定
根据安全超高计算，坝顶高程为179.00m，因此，须对大坝进行加高培厚处理。经方案比选，本工程加固方案为在大坝上游新加坝体，将大坝加高加厚，上游坝坡坡比1：3;下游上部坝坡削坡成1：2.5，下部增加压坡和排水棱体。
2.2 新加坝体材料和坝体防渗设计
作为应急供水的水源工程，本工程大坝的运行方式和一般的土坝有所不同。一般的土坝对水库水位的降落速度有严格的控制，主要是为了防止因水库水位骤降引起大坝坝坡的失稳。本工程水库按照每天10万m3的供水量，水位从正常蓄水位175.25m降落到死水位163.50m，降落的最快速度为每天3.47m，见表1。
表1 水库水位降落速度表
为了保证水库水位骤降时的坝坡稳定，设计着重从控制上游新加坝体的渗透系数和加强防渗以降低现有坝体的浸润线两方面来考虑。
2.2.1 控制新加坝体的渗透系数
坝体浸润线下降的速度，一般决定于库水位下降的速度V、土坝坝体的渗透系数k以及土体的给水度u等因素，与坝体的结构形式特别是坝体及地基上游面的排水条件也有很大关系。其中土体的给水度u表示单位体积土体在饱和含水情况下水位下降后排出的水量，又称土体的排水孔隙率。其值大小取决于土的性质、密实程度以及排水的时间等因素，可由实验或根据经验确定，经验公式：u=0.117×k1/7。
根据对上游坝坡排水条件不好的均质土坝和心墙砂壳坝的分析计算结果，可以确定：
（1）k/（uV）<0.1时为骤降，此时坝体内渗流自由面在库水位降落后仍保持有总水头的90%左右，故可以近似认为坝体浸润线基本保持不变，这种情况对上游坝坡的稳定最为不利，为偏于安全可以按照库水位开始降落前稳定渗流的浸润线位置进行坝坡稳定分析。
（2）k/（uV）>60时为缓慢下降，此时坝体自由面保持有总水头的10%以下，已不致影响坝坡，因此一般不需要进行不稳定的计算。
（3）0.1 本工程库水位下降的最快速度V为3.47m/d，k/（uV）=0.1时相应的k=8.93×10-6cm/s，k/（uV）=60时相应的k=1.56×10-2cm/s。因此，新加坝体的渗透系数应大于1.56×10-2cm/s，根据附近料场的情况，本阶段设计采用透水性强的石渣作为新加坝体的填筑材料，渗透系数大于1.56×10-2cm/s。
2.2.2 防渗设计
防渗方案选择采用PE复合土工膜防渗。复合土工膜是一种新颖的工程材料，它是由土工织物、土工膜、土工织物三层组成，积聚了土工织物和土工膜的优点，具有质轻、防渗性能好，有较好的延展性、适应变形、施工简单和造价低等特点，是一种理想的防渗材料。
土工膜厚度根据承受水压力、垫层土料粒径和土工膜物理力学指标确定，采用《土坝安全与加固》（牛运光编著）中的公式4-9计算：
式中：δ─土工膜厚度，mm;
γ─水的容重，kN/m3;
H─铺设薄膜范围内的最大水头，m，H=26m;
d─垫层土壤最大粒径，mm，d=50mm;
[σ]─膜的允许拉应力，kPa，[σ]=12×103kPa;
E─薄膜的弹性模量，kPa，E=70×103kPa。 经计算，δ=0.0019mm。参考厂家资料，选用两布一膜的PE复合土工膜（300g/m2/PE0.5/250g/m2），其物理力学指标为：抗拉强度19kN/m，延伸率53.6%，CBR顶破强度3.41kN，垂直渗透系数4.76×10-13cm/s，幅宽4.0m。由于本工程为城市供水的水源水库，PE土工膜应符合《食品包装用聚乙烯成型品卫生标准》（GB9687-88），所用原材料应符合《食品包装用聚乙烯树脂卫生标准》GB/T5009.58-2003，其他辅助材料应符合相应的国家现行有关标准的规定。
新加坝体沿土工膜抗滑稳定分析，防渗体滑动指土工膜与保护层及膜与下垫层之间的滑动，土工膜沿垫层滑动可通过在坝坡面设防滑锯齿槽来解决。上游新加坝体沿土工膜滑动需进行抗滑稳定计算。当上游新加坝体透水性良好，库水位降落，浸润面与库水位同步下降时，可用《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T225-98）附录A公式计算材料间的平面滑动稳定安全系数：
式中：Fs─抗滑稳定安全系数;
W1、W2—主动楔ABCD和被动楔CDE的单宽重量，kN/m;
C1—沿BC面防护层（上垫层）土料与土工膜之间的粘着力，kN/m2;
φ1、φ2—内摩擦角;
C2—防护层土料的粘聚力，kN/m2;
α、β—坡角;
L1、L2—BC和CE的长度，m。
由于上游新加坝体和防护层为透水材料，故本次计算取C1=C2=0;经计算，Fs=2.39，满足要求。新加坝体沿土工膜抗滑稳定计算简图见图1。
图1 新加坝体沿土工膜抗滑稳定计算简图
2.3 加固设计（如图2所示）
图2 大坝加固横剖面图
（1）加高后大坝坝顶高程为179.00m，坝顶宽度为5m，最大坝高26.50m，加固设计如图2所示。
（2）上游新加坝体填筑前，先清除现有的块石护坡及垫层。上游新加坝体采用透水性较好的风化料和石渣填筑，底部最大宽度约32m，顶部宽度3m，填筑后上游坡坡比1：3。
（3）坝顶加高部分采用粘土填筑，粘土坝体底宽3m，上游坡比1：1，下游坝坡坡比1：2.1。
（4）下游坝体169.00m高程以上进行削坡，削坡后下游坝坡坡比1：2.1。169.00m高程设2m宽的马道，马道以下用风化料进行压坡，压坡后下游坝坡坡比为1：3。
（5）下游坝脚加设排水棱体，棱体顶高程160.00m，宽3m，棱体下游坡比1：1.5。
（6）在上游新加坝体与老坝体及粘土坝体之间设复合土工膜防渗。复合土工膜放在整平的老坝体及粘土坝体上，复合土工膜与岸坡及坝脚采用砼齿槽相接。复合土工膜上设0.3m厚的粗砂保护层。为增加复合土工膜与坝体的抗滑性能，在原坝体上游坡面设四道抗滑齿槽，齿槽间距10m。
（7）大坝上游采用砼预制块护坡，护坡厚度0.12m，护坡下设0.15m厚的砾石垫层和0.15m厚的砂垫层。下游坝坡采用草皮护坡。
3 结语
综上所述，水库的应急水源的重要性越来越高，对于土坝的加固设计重点要从控制上游坝体的渗透系数和降低坝体的浸润线来进行思考，通过实地考察水库的实际情况，来制定有效的加固方案，并采用高效的材料，使水库应急水源土坝的稳定得到提高，创造更好的社会效益。
参考文献：
[1]SL274-2001，碾压式土石坝设计规范[S].
[2]SL/T225-98，水利水电工程土工合成材料应用技术规范[S].
关键词：应急水源;土坝加固;坝坡稳定;复合土工膜;防渗
随着我国城市发展进入了前所未有的局面，人们对水资源的需求也在日益增长，水库的兴建进程越来越快。但是在今天水库的安全性仍不高，容易发生污染等安全事故，因此应急水源对于城市供水来说显得十分重要，如何使应急水源的坝体更加安全和牢固也成为了人们关心的问题。下面就这方面进行讨论分析。
1 工程概况
1.1 工程现状及任务要求
某水库坝址以上控制集水面积16.0km2。现状的枢纽建筑物包括大坝（均质土坝）、溢洪道和坝下涵管等。大坝现状为均质土坝，坝体土质较好，为含砂低液限（粉）粘土和粉土质砂，但不均匀，碾压质量和压实较差。
水库现状正常蓄水位为156.54m，兴利的库容量为34.5万m3。通过对中心城区近期50万人口应急供水需求的分析，应急供水保证库容为59万m3，需增加水库兴利库容约20万m3。因此，正常蓄水位需由现状的172.25m提高至175.25m，现状大坝须进行加固扩建。
加固扩建后水库总库容89万m3，是一座以城市应急供水为主，兼有城市日常供水等综合效益水利枢纽工程。
1.2 大坝工程质量与地质条件评价
1.2.1 坝基地质条件评价
坝基岩石岩性有中粗粒黑云母花岗岩、变质砂岩和混合岩，属中硬岩类。大坝左岸坝体填筑在强风化花岗岩岩体上，右岸坝体填筑在强风化变质砂岩上，河床段坝体填筑在强～弱风化花岗岩与变质砂岩上。坝基岩体节理裂隙发育，强弱风化岩基均可满足大坝承载要求，坝基稳定。
1.2.2 原坝体填筑质量分析
大坝填筑土料来源于坝区附近山坡上的坡残积土，土质以棕黄、棕红色为主，夹灰、浅黄、灰黄色，土质为含砂低液限（粉）粘土和粉土质砂，干燥～湿，大部分呈可塑状或呈稍密状，土芯以柱状为主，局部土质结构松散或呈软塑状。
2 大坝加固设计
2.1 加固方案确定
根据安全超高计算，坝顶高程为179.00m，因此，须对大坝进行加高培厚处理。经方案比选，本工程加固方案为在大坝上游新加坝体，将大坝加高加厚，上游坝坡坡比1：3;下游上部坝坡削坡成1：2.5，下部增加压坡和排水棱体。
2.2 新加坝体材料和坝体防渗设计
作为应急供水的水源工程，本工程大坝的运行方式和一般的土坝有所不同。一般的土坝对水库水位的降落速度有严格的控制，主要是为了防止因水库水位骤降引起大坝坝坡的失稳。本工程水库按照每天10万m3的供水量，水位从正常蓄水位175.25m降落到死水位163.50m，降落的最快速度为每天3.47m，见表1。
表1 水库水位降落速度表
为了保证水库水位骤降时的坝坡稳定，设计着重从控制上游新加坝体的渗透系数和加强防渗以降低现有坝体的浸润线两方面来考虑。
2.2.1 控制新加坝体的渗透系数
坝体浸润线下降的速度，一般决定于库水位下降的速度V、土坝坝体的渗透系数k以及土体的给水度u等因素，与坝体的结构形式特别是坝体及地基上游面的排水条件也有很大关系。其中土体的给水度u表示单位体积土体在饱和含水情况下水位下降后排出的水量，又称土体的排水孔隙率。其值大小取决于土的性质、密实程度以及排水的时间等因素，可由实验或根据经验确定，经验公式：u=0.117×k1/7。
根据对上游坝坡排水条件不好的均质土坝和心墙砂壳坝的分析计算结果，可以确定：
（1）k/（uV）<0.1时为骤降，此时坝体内渗流自由面在库水位降落后仍保持有总水头的90%左右，故可以近似认为坝体浸润线基本保持不变，这种情况对上游坝坡的稳定最为不利，为偏于安全可以按照库水位开始降落前稳定渗流的浸润线位置进行坝坡稳定分析。
（2）k/（uV）>60时为缓慢下降，此时坝体自由面保持有总水头的10%以下，已不致影响坝坡，因此一般不需要进行不稳定的计算。
（3）0.1
2.2.2 防渗设计
防渗方案选择采用PE复合土工膜防渗。复合土工膜是一种新颖的工程材料，它是由土工织物、土工膜、土工织物三层组成，积聚了土工织物和土工膜的优点，具有质轻、防渗性能好，有较好的延展性、适应变形、施工简单和造价低等特点，是一种理想的防渗材料。
土工膜厚度根据承受水压力、垫层土料粒径和土工膜物理力学指标确定，采用《土坝安全与加固》（牛运光编著）中的公式4-9计算：
式中：δ─土工膜厚度，mm;
γ─水的容重，kN/m3;
H─铺设薄膜范围内的最大水头，m，H=26m;
d─垫层土壤最大粒径，mm，d=50mm;
[σ]─膜的允许拉应力，kPa，[σ]=12×103kPa;
E─薄膜的弹性模量，kPa，E=70×103kPa。 经计算，δ=0.0019mm。参考厂家资料，选用两布一膜的PE复合土工膜（300g/m2/PE0.5/250g/m2），其物理力学指标为：抗拉强度19kN/m，延伸率53.6%，CBR顶破强度3.41kN，垂直渗透系数4.76×10-13cm/s，幅宽4.0m。由于本工程为城市供水的水源水库，PE土工膜应符合《食品包装用聚乙烯成型品卫生标准》（GB9687-88），所用原材料应符合《食品包装用聚乙烯树脂卫生标准》GB/T5009.58-2003，其他辅助材料应符合相应的国家现行有关标准的规定。
新加坝体沿土工膜抗滑稳定分析，防渗体滑动指土工膜与保护层及膜与下垫层之间的滑动，土工膜沿垫层滑动可通过在坝坡面设防滑锯齿槽来解决。上游新加坝体沿土工膜滑动需进行抗滑稳定计算。当上游新加坝体透水性良好，库水位降落，浸润面与库水位同步下降时，可用《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T225-98）附录A公式计算材料间的平面滑动稳定安全系数：
式中：Fs─抗滑稳定安全系数;
W1、W2—主动楔ABCD和被动楔CDE的单宽重量，kN/m;
C1—沿BC面防护层（上垫层）土料与土工膜之间的粘着力，kN/m2;
φ1、φ2—内摩擦角;
C2—防护层土料的粘聚力，kN/m2;
α、β—坡角;
L1、L2—BC和CE的长度，m。
由于上游新加坝体和防护层为透水材料，故本次计算取C1=C2=0;经计算，Fs=2.39，满足要求。新加坝体沿土工膜抗滑稳定计算简图见图1。
图1 新加坝体沿土工膜抗滑稳定计算简图
2.3 加固设计（如图2所示）
图2 大坝加固横剖面图
（1）加高后大坝坝顶高程为179.00m，坝顶宽度为5m，最大坝高26.50m，加固设计如图2所示。
（2）上游新加坝体填筑前，先清除现有的块石护坡及垫层。上游新加坝体采用透水性较好的风化料和石渣填筑，底部最大宽度约32m，顶部宽度3m，填筑后上游坡坡比1：3。
（3）坝顶加高部分采用粘土填筑，粘土坝体底宽3m，上游坡比1：1，下游坝坡坡比1：2.1。
（4）下游坝体169.00m高程以上进行削坡，削坡后下游坝坡坡比1：2.1。169.00m高程设2m宽的马道，马道以下用风化料进行压坡，压坡后下游坝坡坡比为1：3。
（5）下游坝脚加设排水棱体，棱体顶高程160.00m，宽3m，棱体下游坡比1：1.5。
（6）在上游新加坝体与老坝体及粘土坝体之间设复合土工膜防渗。复合土工膜放在整平的老坝体及粘土坝体上，复合土工膜与岸坡及坝脚采用砼齿槽相接。复合土工膜上设0.3m厚的粗砂保护层。为增加复合土工膜与坝体的抗滑性能，在原坝体上游坡面设四道抗滑齿槽，齿槽间距10m。
（7）大坝上游采用砼预制块护坡，护坡厚度0.12m，护坡下设0.15m厚的砾石垫层和0.15m厚的砂垫层。下游坝坡采用草皮护坡。
3 结语
综上所述，水库的应急水源的重要性越来越高，对于土坝的加固设计重点要从控制上游坝体的渗透系数和降低坝体的浸润线来进行思考，通过实地考察水库的实际情况，来制定有效的加固方案，并采用高效的材料，使水库应急水源土坝的稳定得到提高，创造更好的社会效益。
参考文献：
[1]SL274-2001，碾压式土石坝设计规范[S].
[2]SL/T225-98，水利水电工程土工合成材料应用技术规范[S].