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摘要:对于存在的病险的水库大坝，我们必须对大坝病险进行分析，进而采取相应的除险加固措施，以确保水库大坝的安全运行。本文结合米村水库工程实例，对大坝除险加固设计进行了分析。为类似工程的除险加固提供了参考依据。
关键词: 病险水库；大坝工程；加固设计；稳定分析；措施
中图分类号：TU753.8 文献标识码：A 文章编号：
水库除了为人们提供日常生活、农业灌溉、工业生产用水之外，更重要的是在防御洪水灾害发挥着不可替代的作用。但由于水库的使用年限的增加、工程质量不合格以及水库维护管理的疏忽等原因，导致不少病险水库的出现。病险水库的存在严重影响大坝安全，对下游广大人民的生命财产安全造成严重威胁。随着国民经济的不断发展，国家日益重视水利基础设施建设，病险水库的治理作为水利工作的重点也得到了重视。
1工程概况
米村水库位于灵山县石塘镇东面的石塘村，距离石塘圩3km，地理位置为东经109°31'，北纬22°34'。水库所在地属西江水系，为西江支流石塘江。水库始建于1958年1月，于1959年9月完工，是一座以灌溉为主的水库。
米村水库集雨面积为8.15km2，总库容为545.06万m3，工程等别为IV等，属小（1）型工程，永久性主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。水库原来设计按50年一遇洪水标准设计，设计洪水位为65.88m；按500年一遇洪水标准校核，校核洪水位为66.51m；正常蓄水位为63.95m。水库建成后没进行过加固。
水库枢纽由大坝、溢洪道和输水涵组成。大坝为均质土坝，原设计坝顶高程为68.47m，最大坝高为18.4m，坝顶长为104m，坝顶宽为5.0m。溢洪道为明渠型式，设计底宽为20.0m， 过水渠底高程为63.95m，设计最大下泄量为90.0m3/s，现已成为当地村民的种植地（包括水田和旱地），有一条乡村砼公路通过溢洪道中部。输水涵为坝下埋管，涵管直径为0.7m，采用斜卧管梯级放水型式，坝内水平涵管设计进口高程为52.00m。
2 大坝除险加固工程
通过坝顶高程复核，计算坝顶高程为67.107m，而现场实测大坝坝顶高程为67.02~67.29m，所以现状坝顶高程局部不能达到设计标准，不能满足防洪要求。但坝顶宽度满足现行规范和水库运行要求，达到防洪安全标准。
经现场检查和地质勘察报告表明，坝体两端与山体接合部位的51.93m高程处每边各发现一渗漏孔，当水位达到63.0m高程时开始出现渗漏。拟推荐大坝采用劈裂灌浆。上游干砌石护坡局部翻修、灌砂后新建砼护坡；下游坝坡清基后培厚加固，整坡后植草，重建下游排水棱體。对坝顶整平，修筑砼防汛公路。增设下游坝坡、坝端等排水系统、人行踏步。
3 大坝工程加固设计
3.1 大坝坝顶高程复核
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306—2001）的地域划分，本工程区地震动峰值加速度为0.15g，对应的地震烈度值为Ⅶ度。按《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）规定，地震基本烈度大于Ⅵ度地区的水工建筑物需要进行抗震复核，故本设计阶段考虑地震影响。
3.1.1 坝顶高程
根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）规定，坝顶高程等于水库静水位与超高之和。按以下三种运用条件计算，取其最大值：
工况一：正常蓄水位或设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；
工况二：校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；
工况三：正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高加地震涌浪高。
3.1.2 坝顶超高按下式计算：
Y=R+A（式1）
式中：Y—坝顶超高；R—波浪爬高；A—安全超高，4、5级建筑物：A设=0.5m，A校=0.3m ，地震涌浪高度A地震=1.0m。
3.1.3 波浪爬高计算
根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001附录A，波浪要素由莆田试验站公式计算
（式2）
（式3）
（式4）
式中：hm—平均波高（m）；W—计算风速（m/s）；Tm—平均波周期（s）；Hm—水域平均水深(m)；Lm—平均波长（m）；g—重力加速度，取9.81m/s2；D—风区长度，根据风向玫瑰图，采用最不利等效风区长度，按下式计算：
（式5）
Di—计算点至水域边界的距离(m)；αi—第i条射线与主射线的夹角。
设计波浪爬高值根据工程等级确定，1级、2级、3级坝采用累积频率为1%的爬高值R1%，4级、5级坝采用累积概率为5%的波浪爬高值R5%。上述参数取值及计算结果见表1。
表1波浪爬高计算参数采用表
波浪爬高按式6计算
（式6）
式中：
Rm—波浪爬高(m)；m—单坡的坡度系数；KΔ—斜坡的糙率渗透性系数；Kw—经验系数。
经复核，大坝现状坝顶高程为67.02~67.29m，局部不能满足计算坝顶高程67.107m要求。
3.2 大坝现状渗流稳定分析
3.2.1 大坝渗流复核计算
大坝渗流复核计算采用北京理正岩土系列软件计算，并结合实测结果进行比较复核，确定计算浸润线。
大坝坝基、坝体钻探资料结果表明，坝体土渗透系数K=2.25×10-4～2.29×10-4cm/s，以花岗岩风化残积砂质粘性土为主；坝基自上往下为残积土和强风化土，残积土渗透系数为1.11×10-4～1.12×10-4cm/s 。根据米村水库的实际情况，选取最大标准断面进行渗流分析计算，渗透系数取值见表2。
表2 坝体、坝基渗透系数取值表
3.2.2 成果分析
（1）浸润线分析：正常蓄水位时，大坝年渗透量共为2.15万m3，表明大坝坝体渗漏量偏大；根据浸润线计算结果得知，设计洪水位和校核洪水位时，水库大坝浸润线逸出点较高。
（2）根据地质勘察报告，坝体填筑土为素填土，按照发生流土型破坏考虑，安全系数取值为2.0，从下游坡面逸出。
根据南京水利科学院的流土临界比降计算公式（《水工设计手册》第3卷第255页）进行计算
（式7）
式中：
流土的允许比降为：（式8）
式中：
经计算得[J]=0.455。
由以上计算结果得知，下游坡逸出段比降小于允许比降，大坝坝体土在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位的渗透比降均满足要求，但大坝渗透量偏大，浸润线较高，渗透水从下游坝坡面上逸出，因此需要对大坝进行防渗处理。
3.3 大坝稳定分析
3.3.1 计算方法
加固前的大坝坝坡稳定复核计算采用北京理正岩土系列计算软件.
3.3.2 基本参数取值（见表3）
表3大坝稳定分析物理力学指标计算值
3.3.3 断面选择
根据坝址地形地质图，选择大坝最大标准剖面为坝坡稳定最不利断面，只要此断面满足稳定分析的安全要求，则整个坝体均可满足安全要求。
3.3.4 浸润线
浸润线由地质勘察实测，并结合现场实际出逸点情况绘制，同时利用地质勘察所取得的渗透计算资料反推浸润线加以复核验证，以正确反映大坝现状的渗流情况。
4 大坝存在的安全隐患和除险加固措施
根据钻探资料揭示本工程场区内的岩土层分布情况是素填土、第四系残积层（Qal）、基岩。素填土主要以花岗岩风化残积砂质粘性土为主，局部含中粗砂、砾砂等；残积土主要以砂质粘性土为主；基岩为强风化泥质粉砂。填土含水量平均23.3%，压缩指数平均0.60属于高压缩性粘性土，压实度偏低。标贯击数、压缩模量、抗剪强度、均较高，但孔隙比较大，干密度较小，填土分布不均匀、结构较松散。勘探成果表明坝体大部分属中等透水性，少部分（在坝体下部）属弱透水性。
经现场检查和地质勘察报告表明，坝体两端与山体接合部位的51.93m高程处每边各发现一渗漏孔，当水位达到63.0m高程时开始出现渗漏。
4.1 大坝坝体加固
由于现状坝顶高程局部不能满足防洪安全要求，进行坝顶整平，并修筑砼防汛公路，拟对上游坡整修和下游坡培厚。大坝坝顶高程整平为67.20m，坝顶长104m，坝顶宽调整为5.0m，采用砼路面，为了便于坝顶排水，设2％横坡倾向上、下游侧；局部整修原上游干砌石护坡，并灌砂和浇筑砼护面；培厚下游坡，下游坡坡比为1：2.5、1：2.75，采用植草（马尼拉）护坡，二级坝坡之间马道宽为1.5m。
4.2 大坝的防渗处理
从以上安全复核分析可知，坝体土渗透性偏大，浸润线出逸点位置较高，除了重建下游排水棱体外，为满足“上堵下排”的原则，加强坝身（含坝体填土、坝身原状土）的防渗处理是当务之急。坝基残积土渗透系数为9.8×10-5～1.484×10-4cm/s，需进行处理。
4.3 坝体排水、坝区人行道
在大坝下游坡脚重建排水棱体，排水棱体高为3.1m，迎水坡坡比为1：1.5，背水坡坡比为1:2，排水棱体顶部宽度为1.2m。按规范要求做好反滤层，即由外层到内层分别设20~40mm级的碎石、5~20mm级的碎石及粗砂层各厚300mm。
在大坝下游坝坡、坡脚、坝端增设排水沟，坝坡、坝端排水沟宽为0.3m，坡脚排水沟宽为0.6m，坝坡、坝端排水沟采用“U”型预制的砼构件，排水沟与人行道步级相结合设置。
5 结束语
综上所述，该水库大坝除险加固工程已完工并通过了竣工验收。目前水库按设计要求运行正常，各项加固措施均达到了除险的目的，帷幕灌浆起到有效作用，坝体下游未见白蚁，下游坡面干燥，坝体未见异常，水库的面貌焕然一新。
参考文献
[1] 蔡风飞.坝体防渗墙与坝基帷幕灌浆联合防渗处理工程实例[J].水利科技,2011年02期
[2] 王金河.小型病险水库大坝除险加固问题分析[J].黑龙江科技信息.2011年19期
关键词: 病险水库；大坝工程；加固设计；稳定分析；措施
中图分类号：TU753.8 文献标识码：A 文章编号：
水库除了为人们提供日常生活、农业灌溉、工业生产用水之外，更重要的是在防御洪水灾害发挥着不可替代的作用。但由于水库的使用年限的增加、工程质量不合格以及水库维护管理的疏忽等原因，导致不少病险水库的出现。病险水库的存在严重影响大坝安全，对下游广大人民的生命财产安全造成严重威胁。随着国民经济的不断发展，国家日益重视水利基础设施建设，病险水库的治理作为水利工作的重点也得到了重视。
1工程概况
米村水库位于灵山县石塘镇东面的石塘村，距离石塘圩3km，地理位置为东经109°31'，北纬22°34'。水库所在地属西江水系，为西江支流石塘江。水库始建于1958年1月，于1959年9月完工，是一座以灌溉为主的水库。
米村水库集雨面积为8.15km2，总库容为545.06万m3，工程等别为IV等，属小（1）型工程，永久性主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。水库原来设计按50年一遇洪水标准设计，设计洪水位为65.88m；按500年一遇洪水标准校核，校核洪水位为66.51m；正常蓄水位为63.95m。水库建成后没进行过加固。
水库枢纽由大坝、溢洪道和输水涵组成。大坝为均质土坝，原设计坝顶高程为68.47m，最大坝高为18.4m，坝顶长为104m，坝顶宽为5.0m。溢洪道为明渠型式，设计底宽为20.0m， 过水渠底高程为63.95m，设计最大下泄量为90.0m3/s，现已成为当地村民的种植地（包括水田和旱地），有一条乡村砼公路通过溢洪道中部。输水涵为坝下埋管，涵管直径为0.7m，采用斜卧管梯级放水型式，坝内水平涵管设计进口高程为52.00m。
2 大坝除险加固工程
通过坝顶高程复核，计算坝顶高程为67.107m，而现场实测大坝坝顶高程为67.02~67.29m，所以现状坝顶高程局部不能达到设计标准，不能满足防洪要求。但坝顶宽度满足现行规范和水库运行要求，达到防洪安全标准。
经现场检查和地质勘察报告表明，坝体两端与山体接合部位的51.93m高程处每边各发现一渗漏孔，当水位达到63.0m高程时开始出现渗漏。拟推荐大坝采用劈裂灌浆。上游干砌石护坡局部翻修、灌砂后新建砼护坡；下游坝坡清基后培厚加固，整坡后植草，重建下游排水棱體。对坝顶整平，修筑砼防汛公路。增设下游坝坡、坝端等排水系统、人行踏步。
3 大坝工程加固设计
3.1 大坝坝顶高程复核
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306—2001）的地域划分，本工程区地震动峰值加速度为0.15g，对应的地震烈度值为Ⅶ度。按《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）规定，地震基本烈度大于Ⅵ度地区的水工建筑物需要进行抗震复核，故本设计阶段考虑地震影响。
3.1.1 坝顶高程
根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）规定，坝顶高程等于水库静水位与超高之和。按以下三种运用条件计算，取其最大值：
工况一：正常蓄水位或设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；
工况二：校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；
工况三：正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高加地震涌浪高。
3.1.2 坝顶超高按下式计算：
Y=R+A（式1）
式中：Y—坝顶超高；R—波浪爬高；A—安全超高，4、5级建筑物：A设=0.5m，A校=0.3m ，地震涌浪高度A地震=1.0m。
3.1.3 波浪爬高计算
根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001附录A，波浪要素由莆田试验站公式计算
（式2）
（式3）
（式4）
式中：hm—平均波高（m）；W—计算风速（m/s）；Tm—平均波周期（s）；Hm—水域平均水深(m)；Lm—平均波长（m）；g—重力加速度，取9.81m/s2；D—风区长度，根据风向玫瑰图，采用最不利等效风区长度，按下式计算：
（式5）
Di—计算点至水域边界的距离(m)；αi—第i条射线与主射线的夹角。
设计波浪爬高值根据工程等级确定，1级、2级、3级坝采用累积频率为1%的爬高值R1%，4级、5级坝采用累积概率为5%的波浪爬高值R5%。上述参数取值及计算结果见表1。
表1波浪爬高计算参数采用表
波浪爬高按式6计算
（式6）
式中：
Rm—波浪爬高(m)；m—单坡的坡度系数；KΔ—斜坡的糙率渗透性系数；Kw—经验系数。
经复核，大坝现状坝顶高程为67.02~67.29m，局部不能满足计算坝顶高程67.107m要求。
3.2 大坝现状渗流稳定分析
3.2.1 大坝渗流复核计算
大坝渗流复核计算采用北京理正岩土系列软件计算，并结合实测结果进行比较复核，确定计算浸润线。
大坝坝基、坝体钻探资料结果表明，坝体土渗透系数K=2.25×10-4～2.29×10-4cm/s，以花岗岩风化残积砂质粘性土为主；坝基自上往下为残积土和强风化土，残积土渗透系数为1.11×10-4～1.12×10-4cm/s 。根据米村水库的实际情况，选取最大标准断面进行渗流分析计算，渗透系数取值见表2。
表2 坝体、坝基渗透系数取值表
3.2.2 成果分析
（1）浸润线分析：正常蓄水位时，大坝年渗透量共为2.15万m3，表明大坝坝体渗漏量偏大；根据浸润线计算结果得知，设计洪水位和校核洪水位时，水库大坝浸润线逸出点较高。
（2）根据地质勘察报告，坝体填筑土为素填土，按照发生流土型破坏考虑，安全系数取值为2.0，从下游坡面逸出。
根据南京水利科学院的流土临界比降计算公式（《水工设计手册》第3卷第255页）进行计算
（式7）
式中：
流土的允许比降为：（式8）
式中：
经计算得[J]=0.455。
由以上计算结果得知，下游坡逸出段比降小于允许比降，大坝坝体土在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位的渗透比降均满足要求，但大坝渗透量偏大，浸润线较高，渗透水从下游坝坡面上逸出，因此需要对大坝进行防渗处理。
3.3 大坝稳定分析
3.3.1 计算方法
加固前的大坝坝坡稳定复核计算采用北京理正岩土系列计算软件.
3.3.2 基本参数取值（见表3）
表3大坝稳定分析物理力学指标计算值
3.3.3 断面选择
根据坝址地形地质图，选择大坝最大标准剖面为坝坡稳定最不利断面，只要此断面满足稳定分析的安全要求，则整个坝体均可满足安全要求。
3.3.4 浸润线
浸润线由地质勘察实测，并结合现场实际出逸点情况绘制，同时利用地质勘察所取得的渗透计算资料反推浸润线加以复核验证，以正确反映大坝现状的渗流情况。
4 大坝存在的安全隐患和除险加固措施
根据钻探资料揭示本工程场区内的岩土层分布情况是素填土、第四系残积层（Qal）、基岩。素填土主要以花岗岩风化残积砂质粘性土为主，局部含中粗砂、砾砂等；残积土主要以砂质粘性土为主；基岩为强风化泥质粉砂。填土含水量平均23.3%，压缩指数平均0.60属于高压缩性粘性土，压实度偏低。标贯击数、压缩模量、抗剪强度、均较高，但孔隙比较大，干密度较小，填土分布不均匀、结构较松散。勘探成果表明坝体大部分属中等透水性，少部分（在坝体下部）属弱透水性。
经现场检查和地质勘察报告表明，坝体两端与山体接合部位的51.93m高程处每边各发现一渗漏孔，当水位达到63.0m高程时开始出现渗漏。
4.1 大坝坝体加固
由于现状坝顶高程局部不能满足防洪安全要求，进行坝顶整平，并修筑砼防汛公路，拟对上游坡整修和下游坡培厚。大坝坝顶高程整平为67.20m，坝顶长104m，坝顶宽调整为5.0m，采用砼路面，为了便于坝顶排水，设2％横坡倾向上、下游侧；局部整修原上游干砌石护坡，并灌砂和浇筑砼护面；培厚下游坡，下游坡坡比为1：2.5、1：2.75，采用植草（马尼拉）护坡，二级坝坡之间马道宽为1.5m。
4.2 大坝的防渗处理
从以上安全复核分析可知，坝体土渗透性偏大，浸润线出逸点位置较高，除了重建下游排水棱体外，为满足“上堵下排”的原则，加强坝身（含坝体填土、坝身原状土）的防渗处理是当务之急。坝基残积土渗透系数为9.8×10-5～1.484×10-4cm/s，需进行处理。
4.3 坝体排水、坝区人行道
在大坝下游坡脚重建排水棱体，排水棱体高为3.1m，迎水坡坡比为1：1.5，背水坡坡比为1:2，排水棱体顶部宽度为1.2m。按规范要求做好反滤层，即由外层到内层分别设20~40mm级的碎石、5~20mm级的碎石及粗砂层各厚300mm。
在大坝下游坝坡、坡脚、坝端增设排水沟，坝坡、坝端排水沟宽为0.3m，坡脚排水沟宽为0.6m，坝坡、坝端排水沟采用“U”型预制的砼构件，排水沟与人行道步级相结合设置。
5 结束语
综上所述，该水库大坝除险加固工程已完工并通过了竣工验收。目前水库按设计要求运行正常，各项加固措施均达到了除险的目的，帷幕灌浆起到有效作用，坝体下游未见白蚁，下游坡面干燥，坝体未见异常，水库的面貌焕然一新。
参考文献
[1] 蔡风飞.坝体防渗墙与坝基帷幕灌浆联合防渗处理工程实例[J].水利科技,2011年02期
[2] 王金河.小型病险水库大坝除险加固问题分析[J].黑龙江科技信息.2011年19期