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广东省水利电力勘测设计研究院 广东广州市 510635
摘要：主坝是潮南区红场水库除险加固工程的重要组成部分，文章通过对主坝加固设计的简述，为该类工程的设计提供了一定的技术参考。
关键词：水利工程；主坝；除险加固
1工程基本概况
1.1 红场水库的概况
红场水库位于广东省汕头市潮南区红场镇，是一座结合防洪、灌溉、供水兼顾发电等综合利用的中型水庫。根据《防洪标准》（GB50201-94）及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），红场水库为Ⅲ等中型工程，主要水工建筑物包括大坝、溢洪道和输水涵管等，为3级建筑物，设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。工程现状设计洪水位245.84m，校核洪水位248.17m。
主坝为均质土坝，坝轴线长250m，坝顶高程252.03m～252.25m，最大坝高39.5m，坝顶宽8m，上游为干砌石护坡，下游为草皮护坡。红场水库大坝初建于1976年10月，1977年10月完成。
现主坝上游坡坡比为1：2.5～2.75，根据安全复核计算上游坡各工况安全稳定系数均满足规范要求，但复核结果显示上游坝坡浆砌石衬砌厚度不足，而且多处护坡已崩塌，破坏严重，故此次加固对上游坡进行更换，采用钢筋混凝土板进行防护。
根据安全复核结论，主坝现状填土渗透系数偏大，坝体浸润线高，下游坝坡抗滑安全系数不满足要求，上游坝坡浆砌石衬砌厚度不足，应对大坝进行系统加固。
1.2 加固方案的比选
根据安全复核结论，大坝下游坡抗滑稳定安全系数不满足要求，现状填土渗透系数偏大，坝体浸润线高，故此次加固放缓大坝下游坡，采用系统的防渗措施改善坝体结构。对于防渗加固措施拟提供三个加固方案进行比选，均考虑垂直防渗，方案一：在坝体设高压摆喷防渗墙同时解决坝体及坝基防渗问题；方案二：
在坝顶做两排劈裂灌浆解决坝体及坝基防渗问题；方案三：在坝顶中心线上游造一道薄壁混凝土防渗墙，深入到坝基面以下2m处，以解决坝体及坝基防渗问题。通过方案比较，选取方案三作为推荐方案，即混凝土防渗墙方案。
场址附近主要的区域性断裂有北东向钱东～惠城断裂，北西向榕江断裂等。据《中国地震烈度区划图》，场区在地震区划图上属华南震区，东南沿海地震亚区，泉州～汕头地震带的南端，地震基本烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速值为0.15g，区内地震活动频繁。
2主坝加固设计
2.1坝顶高程计算
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），按下式计算坝顶超高：
Y=R+e+A
式中：A——安全加高（m）；
e——最大风壅水面高度（m）；
R——最大波浪在坝坡上的爬高（m），按莆田试验站公式计算，采用累计频率为1%的波浪爬高值。
坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，取其最大值：
坝顶超高及坝顶高程计算结果列于表1。
表1 坝顶高程计算成果表
项目名称 单位 设计洪水位加正常运用条件 正常蓄水位加正常运用条件 校核洪水位加非常运用条件 正常蓄水位加非常运用条件
坝前水位 m 245.85 243.79 248.17 243.79
计算坝顶超高 m 3.20 3.25 1.91 1.91
其中：波浪爬高 m 2.49 2.54 1.51 1.51
风壅水面高度 m 0.010 0.011 0.004 0.005
安全加高 m 0.7 0.7 0.4 0.4
地震区安全超高 m 1.5
计算坝顶高程 m 249.05 247.04 250.08 245.7
根据以上计算，大坝所需最小坝顶高程为250.08m，取整后为250.1m，本次土坝加固采用的坝顶高程为250.1m。
2.2砼护坡计算
大坝上游砼护坡厚度依据《碾压式土石坝设计规范》，按照下式计算：
式中，
η——系数，对整体式大块护面板取1.0；
hp——累积频率为1%的波高；
b——沿坝坡向板长，b = 3.0m；
ρc——砼板的密度，ρc = 2.5t/m3；
m——坡比。
砼护坡厚度计算结果见表2。
表2 大坝上游护坡计算成果表
项目
名称 单位 设计洪水位加正常运用条件 正常蓄水位加正常运用条件 校核洪水位加非常运用条件 正常蓄水位遇地震加正常运用条件
砼护坡厚度计算 mm 146 146 81 81
计算砼护坡最大厚度为146mm，考虑到浇筑方便等要求，本工程采用厚150mm现浇C20砼护面，并在表层配φ8@200mm×200mm钢筋网，纵横分缝间距均为3m，纵缝错开布置，填封材料采用聚乙烯闭孔泡沫板，缝宽20mm，砼护坡范围为上游坡脚222.3m～250.1m，250.1m～251.8m范围为浆砌石框格草皮护坡。为保证水位骤降时坝体水顺利排出，在243.79m～250.1m高程设置排水管，间距2m，梅花型布置，排水管采用φ20mmPVC排水管。
3加固后渗流计算分析
3.1坝体材料参数及计算断面
加固后坝体填筑土料的物理力学指标见表3。
表3 新筑坝土料及坝坡稳定计算参数
部位 有效应力 渗透系数 容重（γ）
（土料） c′（kPa） φ′（°） （cm/s） （kN/m3） 坝体填土 19.5 29 2.22×10-4 18.1
全风化花岗岩 21 31 1.06×10-4 18
排水体 0 40 0.1 21
地质横断面坝横0+132.36处于主坝的中间位置，其反映了主坝的最大坝高及基础关系，而且，与水流方向接近平行的f3断层就在该断面附近，故选取该断面作为加固后坝体渗流稳定及结构穩定的典型计算断面，详见图1。
图1 坝横0+132.36加固后坝体断面
大坝渗流分析采用河海大学开发的《Autobank6.0版》进行，计算方法为有限元法。
大坝渗流计算的主要工况有：
1）正常蓄水位243.79m，下游无水；
2）设计洪水位245.84m，下游无水；
3）校核洪水位248.17m，下游无水；
4）水库水位由校核洪水位248.17m降至新建溢洪道堰顶高程240.8m的非稳定渗流。计算时的库水位下降速率由库容曲线及溢洪道泄洪能力推算。
5）渗流计算结果及分析
坝体及坝基渗流比降及渗流量计算结果见表4。
表4 渗流计算成果
断面 工况 最大出逸水力梯度
（骤降工况考察上游坡） 单宽渗流量
（m3/d/m）
坝横
0+132.36 正常蓄水位 0.22 1.19
设计洪水位 0.24 1.24
校核洪水位 0.28 1.35
校核洪水位至堰顶高程的水位骤降
加固后坝体浸润线计算结果见图2～图3。
图2 断面坝横0+132.36正常蓄水位（设计洪水位 校核洪水位）工况浸润线
图3 水位由校核洪水位降落至溢洪道堰顶高程时t=0和t=48h的浸润线
由计算结果可知，大坝的浸润线在砼护坡和混凝土防渗墙后降落。浸润线突降后，均穿过排水棱体，在坝脚出逸，排水棱体发挥了作用，排水棱体使出逸点降到坝脚处。
坝坡及坝基的水力比降均在允许比降范围内，满足土体渗透安全的要求。
4 加固后坝坡稳定分析
依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），采用计及条块间作用力的毕肖普条分法计算坝坡抗滑稳定安全系数时，对于3级坝，其坝坡抗滑稳定最小安全系数：正常运用条件[K允]=1.30，非常运用条件Ⅰ[K允]=1.20，非常运用条件Ⅱ[K允]=1.15。
采用表3中新填筑坝土料地质参数建议值进行计算，计算成果见表5。
坝坡稳定计算工况如下：
正常运用条件：
（1）上游侧为正常蓄水位243.79m，下游侧无水，稳定渗流期的上、下游坝坡稳定。
（2）上游侧为设计洪水位245.84m，下游侧无水，稳定渗流期的上、下游坝坡稳定。
非常运用条件：
（3）上游侧为校核洪水位248.17m，下游侧无水，稳定渗流期的上、下游坝坡稳定。
（4）上游水位由校核洪水位248.17m降落至溢洪道堰顶高程240.79m，下游侧无水，非稳定渗流期上游坝坡稳定。
（5）上游侧为正常蓄水位243.79m，下游侧无水，稳定渗流期遇Ⅶ度地震的上下游坝坡稳定。
表5 坝坡稳定计算安全系数成果表
工 况 坝横0+132.36
上游坡 下游坡
正常运用 正常蓄水位 2.183 1.535
设计洪水位 2.255 1.473
非常运用Ⅰ 校核洪水位 2.315 1.409
校核洪水位至堰顶高程的水位骤降 1.941 -
非常运用Ⅱ 正常蓄水位+7度地震 1.732 1.327
由计算结果可以看出，所有计算断面上、下游坡在所有工况下的抗滑稳定安全系数均满足规范要求。
坝坡稳定计算简图见图4～图5。
图4 库水位由校核洪水位降至溢洪道堰顶高程时上游坝坡最不利滑动面
图5 正常蓄水位遇地震时断面坝横0+132.36上下游坝坡最不利滑弧
5 结论
潮南区红场水库除险加固工程先后经项目业主、审查、审批单位、设计单位多次论证而确定。在项目实施过程中，在施工中未发现的实际地质地形条件变化的情况，主坝全部按照既定设计内容施工，没有发生任何变化，目前工程运行情况良好，因此，主坝设计方案是科学合理的。
参考文献：
[1] 曾楚武.广东省潮南区红场水库除险加固工程初步设计报告[R].广东：广东省水利电力勘测设计研究院，2011
[2] 中华人民共和国水利部.SL274-2001 碾压土石坝设计规范[S].北京：中华人民共和国行业标准，2002.
[3] 中华人民共和国水利部.GB50201-94 防洪标准[S].北京：中华人民共和国行业标准，2002.
摘要：主坝是潮南区红场水库除险加固工程的重要组成部分，文章通过对主坝加固设计的简述，为该类工程的设计提供了一定的技术参考。
关键词：水利工程；主坝；除险加固
1工程基本概况
1.1 红场水库的概况
红场水库位于广东省汕头市潮南区红场镇，是一座结合防洪、灌溉、供水兼顾发电等综合利用的中型水庫。根据《防洪标准》（GB50201-94）及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），红场水库为Ⅲ等中型工程，主要水工建筑物包括大坝、溢洪道和输水涵管等，为3级建筑物，设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。工程现状设计洪水位245.84m，校核洪水位248.17m。
主坝为均质土坝，坝轴线长250m，坝顶高程252.03m～252.25m，最大坝高39.5m，坝顶宽8m，上游为干砌石护坡，下游为草皮护坡。红场水库大坝初建于1976年10月，1977年10月完成。
现主坝上游坡坡比为1：2.5～2.75，根据安全复核计算上游坡各工况安全稳定系数均满足规范要求，但复核结果显示上游坝坡浆砌石衬砌厚度不足，而且多处护坡已崩塌，破坏严重，故此次加固对上游坡进行更换，采用钢筋混凝土板进行防护。
根据安全复核结论，主坝现状填土渗透系数偏大，坝体浸润线高，下游坝坡抗滑安全系数不满足要求，上游坝坡浆砌石衬砌厚度不足，应对大坝进行系统加固。
1.2 加固方案的比选
根据安全复核结论，大坝下游坡抗滑稳定安全系数不满足要求，现状填土渗透系数偏大，坝体浸润线高，故此次加固放缓大坝下游坡，采用系统的防渗措施改善坝体结构。对于防渗加固措施拟提供三个加固方案进行比选，均考虑垂直防渗，方案一：在坝体设高压摆喷防渗墙同时解决坝体及坝基防渗问题；方案二：
在坝顶做两排劈裂灌浆解决坝体及坝基防渗问题；方案三：在坝顶中心线上游造一道薄壁混凝土防渗墙，深入到坝基面以下2m处，以解决坝体及坝基防渗问题。通过方案比较，选取方案三作为推荐方案，即混凝土防渗墙方案。
场址附近主要的区域性断裂有北东向钱东～惠城断裂，北西向榕江断裂等。据《中国地震烈度区划图》，场区在地震区划图上属华南震区，东南沿海地震亚区，泉州～汕头地震带的南端，地震基本烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速值为0.15g，区内地震活动频繁。
2主坝加固设计
2.1坝顶高程计算
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），按下式计算坝顶超高：
Y=R+e+A
式中：A——安全加高（m）；
e——最大风壅水面高度（m）；
R——最大波浪在坝坡上的爬高（m），按莆田试验站公式计算，采用累计频率为1%的波浪爬高值。
坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，取其最大值：
坝顶超高及坝顶高程计算结果列于表1。
表1 坝顶高程计算成果表
项目名称 单位 设计洪水位加正常运用条件 正常蓄水位加正常运用条件 校核洪水位加非常运用条件 正常蓄水位加非常运用条件
坝前水位 m 245.85 243.79 248.17 243.79
计算坝顶超高 m 3.20 3.25 1.91 1.91
其中：波浪爬高 m 2.49 2.54 1.51 1.51
风壅水面高度 m 0.010 0.011 0.004 0.005
安全加高 m 0.7 0.7 0.4 0.4
地震区安全超高 m 1.5
计算坝顶高程 m 249.05 247.04 250.08 245.7
根据以上计算，大坝所需最小坝顶高程为250.08m，取整后为250.1m，本次土坝加固采用的坝顶高程为250.1m。
2.2砼护坡计算
大坝上游砼护坡厚度依据《碾压式土石坝设计规范》，按照下式计算：
式中，
η——系数，对整体式大块护面板取1.0；
hp——累积频率为1%的波高；
b——沿坝坡向板长，b = 3.0m；
ρc——砼板的密度，ρc = 2.5t/m3；
m——坡比。
砼护坡厚度计算结果见表2。
表2 大坝上游护坡计算成果表
项目
名称 单位 设计洪水位加正常运用条件 正常蓄水位加正常运用条件 校核洪水位加非常运用条件 正常蓄水位遇地震加正常运用条件
砼护坡厚度计算 mm 146 146 81 81
计算砼护坡最大厚度为146mm，考虑到浇筑方便等要求，本工程采用厚150mm现浇C20砼护面，并在表层配φ8@200mm×200mm钢筋网，纵横分缝间距均为3m，纵缝错开布置，填封材料采用聚乙烯闭孔泡沫板，缝宽20mm，砼护坡范围为上游坡脚222.3m～250.1m，250.1m～251.8m范围为浆砌石框格草皮护坡。为保证水位骤降时坝体水顺利排出，在243.79m～250.1m高程设置排水管，间距2m，梅花型布置，排水管采用φ20mmPVC排水管。
3加固后渗流计算分析
3.1坝体材料参数及计算断面
加固后坝体填筑土料的物理力学指标见表3。
表3 新筑坝土料及坝坡稳定计算参数
部位 有效应力 渗透系数 容重（γ）
（土料） c′（kPa） φ′（°） （cm/s） （kN/m3） 坝体填土 19.5 29 2.22×10-4 18.1
全风化花岗岩 21 31 1.06×10-4 18
排水体 0 40 0.1 21
地质横断面坝横0+132.36处于主坝的中间位置，其反映了主坝的最大坝高及基础关系，而且，与水流方向接近平行的f3断层就在该断面附近，故选取该断面作为加固后坝体渗流稳定及结构穩定的典型计算断面，详见图1。
图1 坝横0+132.36加固后坝体断面
大坝渗流分析采用河海大学开发的《Autobank6.0版》进行，计算方法为有限元法。
大坝渗流计算的主要工况有：
1）正常蓄水位243.79m，下游无水；
2）设计洪水位245.84m，下游无水；
3）校核洪水位248.17m，下游无水；
4）水库水位由校核洪水位248.17m降至新建溢洪道堰顶高程240.8m的非稳定渗流。计算时的库水位下降速率由库容曲线及溢洪道泄洪能力推算。
5）渗流计算结果及分析
坝体及坝基渗流比降及渗流量计算结果见表4。
表4 渗流计算成果
断面 工况 最大出逸水力梯度
（骤降工况考察上游坡） 单宽渗流量
（m3/d/m）
坝横
0+132.36 正常蓄水位 0.22 1.19
设计洪水位 0.24 1.24
校核洪水位 0.28 1.35
校核洪水位至堰顶高程的水位骤降
加固后坝体浸润线计算结果见图2～图3。
图2 断面坝横0+132.36正常蓄水位（设计洪水位 校核洪水位）工况浸润线
图3 水位由校核洪水位降落至溢洪道堰顶高程时t=0和t=48h的浸润线
由计算结果可知，大坝的浸润线在砼护坡和混凝土防渗墙后降落。浸润线突降后，均穿过排水棱体，在坝脚出逸，排水棱体发挥了作用，排水棱体使出逸点降到坝脚处。
坝坡及坝基的水力比降均在允许比降范围内，满足土体渗透安全的要求。
4 加固后坝坡稳定分析
依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），采用计及条块间作用力的毕肖普条分法计算坝坡抗滑稳定安全系数时，对于3级坝，其坝坡抗滑稳定最小安全系数：正常运用条件[K允]=1.30，非常运用条件Ⅰ[K允]=1.20，非常运用条件Ⅱ[K允]=1.15。
采用表3中新填筑坝土料地质参数建议值进行计算，计算成果见表5。
坝坡稳定计算工况如下：
正常运用条件：
（1）上游侧为正常蓄水位243.79m，下游侧无水，稳定渗流期的上、下游坝坡稳定。
（2）上游侧为设计洪水位245.84m，下游侧无水，稳定渗流期的上、下游坝坡稳定。
非常运用条件：
（3）上游侧为校核洪水位248.17m，下游侧无水，稳定渗流期的上、下游坝坡稳定。
（4）上游水位由校核洪水位248.17m降落至溢洪道堰顶高程240.79m，下游侧无水，非稳定渗流期上游坝坡稳定。
（5）上游侧为正常蓄水位243.79m，下游侧无水，稳定渗流期遇Ⅶ度地震的上下游坝坡稳定。
表5 坝坡稳定计算安全系数成果表
工 况 坝横0+132.36
上游坡 下游坡
正常运用 正常蓄水位 2.183 1.535
设计洪水位 2.255 1.473
非常运用Ⅰ 校核洪水位 2.315 1.409
校核洪水位至堰顶高程的水位骤降 1.941 -
非常运用Ⅱ 正常蓄水位+7度地震 1.732 1.327
由计算结果可以看出，所有计算断面上、下游坡在所有工况下的抗滑稳定安全系数均满足规范要求。
坝坡稳定计算简图见图4～图5。
图4 库水位由校核洪水位降至溢洪道堰顶高程时上游坝坡最不利滑动面
图5 正常蓄水位遇地震时断面坝横0+132.36上下游坝坡最不利滑弧
5 结论
潮南区红场水库除险加固工程先后经项目业主、审查、审批单位、设计单位多次论证而确定。在项目实施过程中，在施工中未发现的实际地质地形条件变化的情况，主坝全部按照既定设计内容施工，没有发生任何变化，目前工程运行情况良好，因此，主坝设计方案是科学合理的。
参考文献：
[1] 曾楚武.广东省潮南区红场水库除险加固工程初步设计报告[R].广东：广东省水利电力勘测设计研究院，2011
[2] 中华人民共和国水利部.SL274-2001 碾压土石坝设计规范[S].北京：中华人民共和国行业标准，2002.
[3] 中华人民共和国水利部.GB50201-94 防洪标准[S].北京：中华人民共和国行业标准，2002.