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摘要：本文介绍水库基本情况, 针对其病害提出几种加固设计方案进行比较分析, 从中选取了最经济合理、技术可靠、施工简单易行的方案, 供同类工程借鉴参考。
关键词：土坝; 除险加固; 设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
土坝存在的问题
由于历史条件的限制, 大坝质量不满足现行规范的要求, 工程运用过程中出现不少险情, 虽然进行了多次加固处理, 但安全隐患仍未消除, 目前土坝存在以下问题:
1. 坝体填筑质量差, 存在渗流安全隐患, 坝体填土层的平均渗透系数为5.93 X10- 4 cm/ s, 防渗不满足要求; 坝基残积土层及强风化砂岩透水严重, 坝基强风化砂岩透水率为3.2~ 30Lu, 为强透水层。当水库在正常水位96. 3m 运用时, 左右岸坡与坝体填土接触带处在高程90m 处存在较强渗透区域。
2. 大坝坝顶及上下游坝坡局部塌陷, 变形严重。在非常运行工况时, 上游坡抗滑稳定安全系数小于规范值, 抗滑稳定不满足安全要求。
水库土坝加固设计作以下计算分析
土坝断面设计
根据碾压式土石坝设计规范第5. 3.1 条的规定, 坝顶宽选用5.0m。坝顶路面采用20cm 厚泥结碎石。
1.1 坝顶超高的确定
Y= R + e+ A
式中: R 为最大波浪在坝坡上的爬高; e 为最大风雍水面高度; A 为安全加高, 按土坝设计规范表4.4 - 2采用。设计情况下A = 0.5m, 校核情况下A = 0. 3m。设计波浪爬高及设计风雍高度, 采用土坝设计规范附录一推荐的莆田实验站公式进行计算。
风雍高程计算
e= K w2D cosB( 2gH )
式中: e 为计算点处的风雍水面高度( m ); K 为综合摩阻系数, 取K = 3.6 x 10- 6; w 为水面以上10m 高程处的风速( m / s) ; D 为吹程( m ); H 为水深( m ); B为风向与坝轴线法向夹角( 度)。
1.2 断面拟定
土坝长480m, 坝顶高程121.00m, 最大坝高7.5m, 坝顶宽5. 0m。根据既有坝坡情况及参照同类水库工程, 确定上游坡坡比为1:2.5 无马道。
坝体稳定分析
2.1 土坝渗流计算
坝体由均质黏性土组成, 黏土渗透数为4.31 @ 10- 5 cm / s; 地基为低液限黏土, 平均土层厚在2.0 ~5.0m, 渗透系数为3.50 x 10- 6 cm /s。因此对土坝浸润线按不透水地基均质土坝计算。
2.2 坝体渗流稳定分析
大坝为均质黏土坝, 坝坡稳定计算采用有效应力办法, 用不计土条间作用力的瑞典园弧法。坝坡稳定安全系数, 按规范第8. 3.11条的规定, 工程等级为Ⅳ级时, 坝坡抗滑稳定最小安全系数; 正常运用条件下仍采用k= 1. 15, 非常运用条件下采用k= 1.05。
土坝加固设计方案
大坝加固设计主要包括以下内容: 大坝坝体培厚、坝坡放缓设计; 大坝坝体防渗、坝基截渗设计; 坝顶、上下游坝坡及大坝排水棱体改建等。
1. 大坝坝体培厚、坝坡放缓设计
现阶段大坝渗流及抗滑稳定成果表明: 在非常运用情况下, 迎水坡的抗滑稳定不满足规范要求。因此必须采取坝体培厚、坝坡放缓等工程措施以增大迎水坡稳定性, 设计方案必须综合考虑各方面因素, 满足安全、适用、经济等要求。
1) 上游培厚、坝坡放缓, 下游坝坡不变
将原上游坝坡1 :2. 5、1:2.75、1 :3. 3 三级变坡通过坝体底部培厚为1:2. 75、1 :3. 0、1 :3. 50, 变坡处高程分别为89. 00m 和77. 00m, 坝顶宽度维持6.0m。大坝下游坝坡原设计为1 :2. 5、1 :2. 8、1 :3.2、1 :1.50, 維持不变。
2) 上游坝坡削坡放缓, 下游坝坡相应培厚
将原上游坝坡从高程89. 00m 起向上通过削坡改成1:2. 75, 变坡处高程为77. 00m, 上游坝坡为1 :2. 75、1 :3.3 二级变坡。坝顶总宽不变, 大坝轴线向下游移动2.75m。下游坝坡在原坝坡基础上相应培厚, 维持原坡比不变。变坡处高程分别为92. 00m、83. 00m、74.50m, 变坡处设宽2.0m 马道, 马道内侧设排水沟。
3) 上游坝坡底部培厚、上部消坡放缓, 下游坝坡相应培厚
将原上游坝坡三级变坡通过底部培厚、上部消坡放缓改成1 :2. 75、1 :3.0、1:3. 5, 变坡处高程分别为89.00m 和77. 00m, 坝顶总宽维持6. 0m 不变, 大坝轴线向下游移2.00m。下游坝坡在原坝坡基础上相应培厚, 维持原坡比不变。变坡处高程分别为92. 00m、83.00m、7 4. 50m, 变坡处设宽2.0m 马道, 马道内侧设排水沟。
大坝坝体防渗设计
冲抓套井回填粘土防渗墙
利用冲抓式打井机具, 在土坝渗漏范围造井, 用粘性土料分层回填夯实, 形成一连续的套接粘土防渗墙,截断渗流通道, 以起到防渗目的。此外, 在回填粘土夯击时, 夯锤对井壁的土层挤压, 使其周围土体密实, 提高堤坝质量, 从而达到坝体防渗、加固的目的。采用排套井平行坝轴线布置, 套井直径为1.1m, 排距为0.8m,套井深入坝基强风化层内1m。套井回填土料要求采用非分散性土料, 粘粒含量在35%~ 50%之间, 渗透系数不大于5.0 x10- 6 cm/ s, 干密度要大于1.5g/ cm3 , 干密度与含水量通过现场试验控制在设计要求的范围内。
机械造槽法修建沥青混凝土防渗墙
沥青混凝土具有较好的塑性和柔性, 防渗和适应变形的能力均较好, 产生裂缝时, 有一定自行愈合的能力。在大坝坝体范围内, 采用机械造槽法修建沥青混凝土防渗墙, 结合坝肩及坝基帷幕灌浆方案, 形成一道防渗体系。设计防渗墙厚度参照基础防渗墙的实践经验和造孔能力, 采用0.8m。设计选用CZ- 20 型冲孔钻机施工, 造孔宽度为0.8m, 用泥浆固壁防渗防塌。
劈裂灌浆
劈裂灌浆防渗机理,是沿土坝轴线的小主应力面, 用一定的泥浆压力人为地劈开坝体, 灌注泥浆, 利用浆坝互压、泥浆析水固结和坝体湿陷密实等作用, 使所有与浆脉连通的裂缝、洞穴等隐患得到充填、挤压密实,形成竖直边浆体防渗墙。同时, 由于灌浆压力在坝体内部所产生的应力再分配, 也能改善坝体的应力状态, 促进变形稳定。
劈裂灌浆按双排孔布置, 孔距为4. 0m, 孔径为1.0mm, 排距为0. 5m, 孔深入基岩强风化层1. 0m。钻孔灌浆采用分序钻灌, 这样可以使灌入的浆液平衡均匀分布于坝体, 有利于泥浆排水固结, 避免坝体产生不均匀沉陷和位移。施工时, 先钻灌一序孔, 后在序孔中间等分插灌二序孔。坝体灌浆帷幕设计厚度为30cm。第一序孔复灌次数为10 次, 第二序孔复灌次数为5 次。
大坝坝基和坝肩防渗加固设计
根据地勘报告, 水库大坝坝基为强风化砂岩, 部分基础面还存在有残积土层, 总体上坝基强风化层和残积土层的透水性较强, 因此必须对大坝坝基及坝肩进行防渗加固处理。
对于已建大坝坝基的防渗处理, 比较成熟的方法有帷幕灌浆和高压喷射灌浆, 就本工程的实际情况, 基础覆盖层强风化层的透水率为30Lu, 可灌性和灌浆质量可以通过灌浆试验确定。本设计以帷幕灌浆方案作为推荐方案, 具体方案: 基础帷幕灌浆钻孔, 单排布置, 孔
距为2. 0m, 与坝体劈裂灌浆上游排共轴线, 钻入弱风化基岩深为5m。
结束语：
土石坝加固的方法很多, 每种方法都具有自己的适用范围、局限性和优缺点, 在设计时应根据具体病险情况、加固要求、工程费用等方面进行综合考虑, 从中选取最经济合理、技术可靠、施工简单的可行方案，方案实施后土坝安全问题能得到满足。
参考文献
[1] 吴海金. 水库土石坝加固技术分析及其应用举例[ J] . 科技资讯, 2009, ( 20) : 33- 34.
关键词：土坝; 除险加固; 设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
土坝存在的问题
由于历史条件的限制, 大坝质量不满足现行规范的要求, 工程运用过程中出现不少险情, 虽然进行了多次加固处理, 但安全隐患仍未消除, 目前土坝存在以下问题:
1. 坝体填筑质量差, 存在渗流安全隐患, 坝体填土层的平均渗透系数为5.93 X10- 4 cm/ s, 防渗不满足要求; 坝基残积土层及强风化砂岩透水严重, 坝基强风化砂岩透水率为3.2~ 30Lu, 为强透水层。当水库在正常水位96. 3m 运用时, 左右岸坡与坝体填土接触带处在高程90m 处存在较强渗透区域。
2. 大坝坝顶及上下游坝坡局部塌陷, 变形严重。在非常运行工况时, 上游坡抗滑稳定安全系数小于规范值, 抗滑稳定不满足安全要求。
水库土坝加固设计作以下计算分析
土坝断面设计
根据碾压式土石坝设计规范第5. 3.1 条的规定, 坝顶宽选用5.0m。坝顶路面采用20cm 厚泥结碎石。
1.1 坝顶超高的确定
Y= R + e+ A
式中: R 为最大波浪在坝坡上的爬高; e 为最大风雍水面高度; A 为安全加高, 按土坝设计规范表4.4 - 2采用。设计情况下A = 0.5m, 校核情况下A = 0. 3m。设计波浪爬高及设计风雍高度, 采用土坝设计规范附录一推荐的莆田实验站公式进行计算。
风雍高程计算
e= K w2D cosB( 2gH )
式中: e 为计算点处的风雍水面高度( m ); K 为综合摩阻系数, 取K = 3.6 x 10- 6; w 为水面以上10m 高程处的风速( m / s) ; D 为吹程( m ); H 为水深( m ); B为风向与坝轴线法向夹角( 度)。
1.2 断面拟定
土坝长480m, 坝顶高程121.00m, 最大坝高7.5m, 坝顶宽5. 0m。根据既有坝坡情况及参照同类水库工程, 确定上游坡坡比为1:2.5 无马道。
坝体稳定分析
2.1 土坝渗流计算
坝体由均质黏性土组成, 黏土渗透数为4.31 @ 10- 5 cm / s; 地基为低液限黏土, 平均土层厚在2.0 ~5.0m, 渗透系数为3.50 x 10- 6 cm /s。因此对土坝浸润线按不透水地基均质土坝计算。
2.2 坝体渗流稳定分析
大坝为均质黏土坝, 坝坡稳定计算采用有效应力办法, 用不计土条间作用力的瑞典园弧法。坝坡稳定安全系数, 按规范第8. 3.11条的规定, 工程等级为Ⅳ级时, 坝坡抗滑稳定最小安全系数; 正常运用条件下仍采用k= 1. 15, 非常运用条件下采用k= 1.05。
土坝加固设计方案
大坝加固设计主要包括以下内容: 大坝坝体培厚、坝坡放缓设计; 大坝坝体防渗、坝基截渗设计; 坝顶、上下游坝坡及大坝排水棱体改建等。
1. 大坝坝体培厚、坝坡放缓设计
现阶段大坝渗流及抗滑稳定成果表明: 在非常运用情况下, 迎水坡的抗滑稳定不满足规范要求。因此必须采取坝体培厚、坝坡放缓等工程措施以增大迎水坡稳定性, 设计方案必须综合考虑各方面因素, 满足安全、适用、经济等要求。
1) 上游培厚、坝坡放缓, 下游坝坡不变
将原上游坝坡1 :2. 5、1:2.75、1 :3. 3 三级变坡通过坝体底部培厚为1:2. 75、1 :3. 0、1 :3. 50, 变坡处高程分别为89. 00m 和77. 00m, 坝顶宽度维持6.0m。大坝下游坝坡原设计为1 :2. 5、1 :2. 8、1 :3.2、1 :1.50, 維持不变。
2) 上游坝坡削坡放缓, 下游坝坡相应培厚
将原上游坝坡从高程89. 00m 起向上通过削坡改成1:2. 75, 变坡处高程为77. 00m, 上游坝坡为1 :2. 75、1 :3.3 二级变坡。坝顶总宽不变, 大坝轴线向下游移动2.75m。下游坝坡在原坝坡基础上相应培厚, 维持原坡比不变。变坡处高程分别为92. 00m、83. 00m、74.50m, 变坡处设宽2.0m 马道, 马道内侧设排水沟。
3) 上游坝坡底部培厚、上部消坡放缓, 下游坝坡相应培厚
将原上游坝坡三级变坡通过底部培厚、上部消坡放缓改成1 :2. 75、1 :3.0、1:3. 5, 变坡处高程分别为89.00m 和77. 00m, 坝顶总宽维持6. 0m 不变, 大坝轴线向下游移2.00m。下游坝坡在原坝坡基础上相应培厚, 维持原坡比不变。变坡处高程分别为92. 00m、83.00m、7 4. 50m, 变坡处设宽2.0m 马道, 马道内侧设排水沟。
大坝坝体防渗设计
冲抓套井回填粘土防渗墙
利用冲抓式打井机具, 在土坝渗漏范围造井, 用粘性土料分层回填夯实, 形成一连续的套接粘土防渗墙,截断渗流通道, 以起到防渗目的。此外, 在回填粘土夯击时, 夯锤对井壁的土层挤压, 使其周围土体密实, 提高堤坝质量, 从而达到坝体防渗、加固的目的。采用排套井平行坝轴线布置, 套井直径为1.1m, 排距为0.8m,套井深入坝基强风化层内1m。套井回填土料要求采用非分散性土料, 粘粒含量在35%~ 50%之间, 渗透系数不大于5.0 x10- 6 cm/ s, 干密度要大于1.5g/ cm3 , 干密度与含水量通过现场试验控制在设计要求的范围内。
机械造槽法修建沥青混凝土防渗墙
沥青混凝土具有较好的塑性和柔性, 防渗和适应变形的能力均较好, 产生裂缝时, 有一定自行愈合的能力。在大坝坝体范围内, 采用机械造槽法修建沥青混凝土防渗墙, 结合坝肩及坝基帷幕灌浆方案, 形成一道防渗体系。设计防渗墙厚度参照基础防渗墙的实践经验和造孔能力, 采用0.8m。设计选用CZ- 20 型冲孔钻机施工, 造孔宽度为0.8m, 用泥浆固壁防渗防塌。
劈裂灌浆
劈裂灌浆防渗机理,是沿土坝轴线的小主应力面, 用一定的泥浆压力人为地劈开坝体, 灌注泥浆, 利用浆坝互压、泥浆析水固结和坝体湿陷密实等作用, 使所有与浆脉连通的裂缝、洞穴等隐患得到充填、挤压密实,形成竖直边浆体防渗墙。同时, 由于灌浆压力在坝体内部所产生的应力再分配, 也能改善坝体的应力状态, 促进变形稳定。
劈裂灌浆按双排孔布置, 孔距为4. 0m, 孔径为1.0mm, 排距为0. 5m, 孔深入基岩强风化层1. 0m。钻孔灌浆采用分序钻灌, 这样可以使灌入的浆液平衡均匀分布于坝体, 有利于泥浆排水固结, 避免坝体产生不均匀沉陷和位移。施工时, 先钻灌一序孔, 后在序孔中间等分插灌二序孔。坝体灌浆帷幕设计厚度为30cm。第一序孔复灌次数为10 次, 第二序孔复灌次数为5 次。
大坝坝基和坝肩防渗加固设计
根据地勘报告, 水库大坝坝基为强风化砂岩, 部分基础面还存在有残积土层, 总体上坝基强风化层和残积土层的透水性较强, 因此必须对大坝坝基及坝肩进行防渗加固处理。
对于已建大坝坝基的防渗处理, 比较成熟的方法有帷幕灌浆和高压喷射灌浆, 就本工程的实际情况, 基础覆盖层强风化层的透水率为30Lu, 可灌性和灌浆质量可以通过灌浆试验确定。本设计以帷幕灌浆方案作为推荐方案, 具体方案: 基础帷幕灌浆钻孔, 单排布置, 孔
距为2. 0m, 与坝体劈裂灌浆上游排共轴线, 钻入弱风化基岩深为5m。
结束语：
土石坝加固的方法很多, 每种方法都具有自己的适用范围、局限性和优缺点, 在设计时应根据具体病险情况、加固要求、工程费用等方面进行综合考虑, 从中选取最经济合理、技术可靠、施工简单的可行方案，方案实施后土坝安全问题能得到满足。
参考文献
[1] 吴海金. 水库土石坝加固技术分析及其应用举例[ J] . 科技资讯, 2009, ( 20) : 33- 34.