我国在20世纪六七十年代, 修建了大量的小型水库, 大多以土石坝为主, 因为土石坝施工简单, 造价便宜, 能够很好的适应复杂的地质条件, 因此广泛应用于各种水库施工中[1-2]。然而这些水库由于在修建的时候疏于监管, 并且在长期的运行中缺乏维护, 使得这些水库大坝存在大量的安全隐患, 为了保证水库可以安全的运营, 大批病险水库开始除险加固工作, 除险加固主要是依据坝体的渗流和稳定性计算。
土石坝的除险加固方法通常依据土石坝加固原因、原理、目的以及性质来分类, 按加固原因可分为3类加固方法。
渗透破坏加固方法的原理是在上游采取相应的加固措施, 尽量阻止来水渗入坝体或坝基, 并使渗水在下游通畅的排出, 但是坝体或坝基的变形和强度不改变, 且坝体或坝基上的土粒不被来水冲走, 即下游排水减压和导渗, 上游主要起防渗作用。通常采取防渗加固和排渗加固相结合的方法, 效果较明显。
土石坝滑坡的加固依据的准则是减少滑动力, 增加抗滑动力, 在对土石坝滑坡进行加固设计时, 应首先进行滑坡勘察以及土工试验, 分析产生的原因, 在采取合理的措施。通常在土石坝中采用的是主动滑动段减重和滑坡体前缘·抛石固脚, 加重压破的方法。
土石坝中出现裂缝时, 当土石坝为粘性土时, 且裂缝不超过5mm时, 可采用开挖回填的方法处理, 当裂缝分布在坝体内和非滑动面上时, 可采取裂缝灌浆的方法。也可将二者相结合来处理土石坝中的裂缝。
某水库大坝建于1966年, 为均质土坝, 最大坝高16.32m, 坝顶高程为408.43m (黄海高程) , 坝顶宽2.201m。由于建设年代久远, 根据大坝安全评价报告及现场检查, 长寨沟水库存在一些问题和隐患, 主要是大坝坝体、坝基和坝肩存在严重的渗漏问题以及大坝上游坝坡未护坡, 迎水面侵蚀相当严重, 沿水面线以上形成一条约2米宽的滑移带;下游坝面也未护坡, 被雨水冲刷凹凸不平, 杂草丛生, 乱石林立, 无排水体;坝顶高低起伏, 坝坡上原有的石质简易便道已损坏等等。因此为保证长寨沟水库大坝安全运行, 对其进行除险加固十分必要。
针对大坝坝体存在的渗漏问题, 在治理时我们坚持“上截下疏, 以截为主”的原则。根据坝体实际情况, 采取土工膜与充填灌浆联合防渗方案, 即死水位以上采取土工膜防渗, 死水位到坝基采取充填灌浆。PE复合土工膜防渗是一种新型防渗方式, 在近来的除险工程加固中得到了广泛的应用。一般是在死水位以上坝面上铺设厚的细土垫层, 再铺设土工膜材料, 上设适当厚度的保护层;在死水位到坝基采用充填灌浆。此方案优点是防渗效果好, 但是施工要求不高, 不需将水库放空处理。
为保证上、下游坝坡稳定, 采取培厚上、下游坝坡的工程措施增加坝坡稳定性。整治后的上游坝坡从上到下依次为1:2.5、1:3.0, 采用0.2m厚预制C15砼块护坡, 以下依次布置0.15m厚砂砾石垫层、土工膜和0.15m厚沙找平层。下游坝坡整治后共分三级, 第一级采用削填方式将坡比调整为1:2.0, 第二级1:2.0, 第三级为堆石排水棱体, 加厚后坡比为1:1.5, 并沿坝面与两岸坡相交处设置排水沟, 排水沟断面尺寸300X300mm。同时为了灌浆施工需要, 在上游设置M7.5浆砌条石镇脚, 下游坝坡坡比为1:2.0、1:2.0、1:1.5, 下游坡沿两岸设排水沟。
根据地质勘察报告以及土工试验报告, 得到整治后坝体材料的物理力学参数如下:
坝体土的天然容重为19.5 KN/m3, 饱和容重为20.2KN/m3, 干容重为15.2KN/m3, C值为22.99Kpa, Φ值为15.75°, 渗透系数为4.08×10-6 cm/s。
坝基的的天然容重为24 KN/m3, 饱和容重为25.5KN/m3, 干容重为21KN/m3, C值为0.7Kpa, Φ值为35°, 渗透系数为1.0×10-5cm/s。
采用里正软件计算坝坡的抗滑稳定性安全系数, 计算以下三种工况:
工况一:水库在施工期的上、下游坝坡;工况二:稳定渗流期的上、下游坝坡;工况三:水库水位降落期的上游坝坡的稳定计算。计算断面取经整治后的大坝河床部位最大横断面。如图1所示:
通过计算, 分别得到坝体上、下游坝坡的抗滑安全系数, 如下表2所示, 坝体的渗流稳定计算结果如下表3所示。
从表2可知:大坝在正常和非正常工作条件的坝坡抗滑稳定安全系数均大于《碾压式土石坝设计规范》 (SL274-2001) 规定的5级坝坝坡抗滑稳定允许最小安全系数, 水库大坝经加固整治后可达到整体稳定安全。
根据规范可知, 大坝的允许渗透坡降[J]=0.68, 而计算所得的, 坝体最大渗透坡降J=0.432<[J]=0.68, 由此可知整治后长寨沟水库大坝满足渗透稳定要求。
土石坝坝坡的稳定性分析是土石坝除险加固工作的重要环节, 也是大坝稳定性复核的主要内容之一。应结合工程实际, 及时分析坝体的稳定, 从而减少坝体事故发生的概率, 使水库大坝发挥更大的经济和社会效益。
摘要：由于水库的长期运行, 工程必然存在老化、人为破坏以及自然侵蚀等现象, 为了使水库大坝能够继续安全的运行, 发挥更大的经济效益, 因此需要对这些水库大坝进行除险加固。本文结合某病险书库工程的缺陷和隐患, 对小型水库的土石坝的除险加固进行分析, 并取得了较好的效果。
[1] 陈仲颐, 周景星.土力学[M].北京:清华大学出版社, 1994:239-259
[2] SL.274-2001, 碾压式土石坝设计规范[S]
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