水库主坝除险加固设计论文
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水库主坝除险加固设计论文
提要：在王吴水库主坝除险加固设计中，根据现状存在的安全隐患，经过多方案比选，提出了经济可行、技术合理的除险加固设计方案。
目前，主坝除险加固设计方案已经通过山东省水利厅、淮河水利委员会组织的专家审查，工程施工正在进行。
除险加固工程完成后，将彻底消除工程存在的安全隐患，使水库充分发挥其综合利用效益，促进当地社会经济的持续发展。
1 工程概况
王吴水库位于高密市柏城镇褚家王吴村南的胶河上游，水库控制流域面积344km2，总库容为6684万m3，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、供水、水产养殖、发电等综合利用的中型水库。
水库枢纽工程由主坝、副坝、溢洪道、放水洞、水电站等建筑物组成。
水库保护胶河下游高密市城区及五个镇街的41.5万人、50万亩农田的生命财产安全，以及胶济铁路、胶新铁路、济青高速公路、胶王公路、308国道等交通干线的安全运行。
王吴水库于1958年建成蓄水，建成以来在防洪、灌溉、供水、养殖等方面发挥了显著的经济效益和社会效益。
经过50多年运行，虽经多次加固维修，但仍存在着多种安全隐患。
2011年11月经水利部大坝安全管理中心核查，水库鉴定为三类坝，为病险水库，必须进行除险加固。
主坝为壤土均质坝，坝长1376m，最大坝高14.4m，坝顶总宽6.1m，坝顶高程56.40m，防浪墙顶高程57.80m。
上游坝坡在48.00m高程设
1.5m宽戗台，戗台以上坡比为1：3.0，以下为1：3.5；下游坝坡在49.60m高程设1.5m宽戗台，戗台以上坡比为1：
2.5，以下为1：
3.0。
上游坝坡为干砌预制砼六角块护坡；下游坝坡为草坡护坡，坝坡坡面设排水沟，坝脚设排水体。
2 主坝存在的安全隐患
（1）坝顶和防渗体高程不满足设计要求。
主坝高程55.50～56.55m 以上防渗体加高部分为砾石土填筑，且上下游贯通，渗透系数4.52×10-3～5.64×10-3cm/s，透水性强。
防浪墙基础局部坐落于砾石土上，未与防渗体连接。
按水库现状水位指标核算，现状坝顶高程、防渗体顶高程均不满足设计要求。
（2）上游护坡不合格。
预制砼质量较差，抗冻标号不满足要求，护坡局部沉陷，冻融剥蚀严重，反滤层不合格，局部淘空；预制砼砌块厚度较薄，不满足设计要求。
（3）主坝河槽段坝基砾质粗砂层相对密度为0.36～0.53，在地震设防烈度Ⅶ度条件下，上、下游坝基存在液化可能。
（4）防浪墙不合格。
防浪墙基础局部坐落于砾石土上，未与防渗体连接；砌筑砂浆不饱满，结构强度较低，部分坝段防浪墙缺失，已不能发挥其作用。
3 除险加固设计
3.1坝体顶部防渗加固
坝体加高部分砾石土厚度为0.5～1.3m，现状防浪墙基础深0.6～0.8m。
根据坝顶碎石土分布和防浪墙基础埋深，坝体顶部防渗加固范围为桩号0+810～1+175坝段。
按照工程实际情况，选择防浪墙基础加深和开槽填筑水泥土两个方案进行比选。
前者的优点是施工工艺简单，缺点是投资稍大；后者施工工序较复杂，但投资较小。
由于防渗加固工程量较小，防浪墙基础以下最大深度只有0.5m，经综合考虑，坝体顶部防渗加固采用防浪墙基础加深方案，施工时要求将重建防浪墙浆砌块石基础坐落在坝体壤土上。
3.2 上游护坡拆除重建
主坝现状上游护坡为干砌预制砼六角块，根据工程安全检测结果，现状预制砼质量较差，抗冻标号不满足要求，护坡局部沉陷，冻融剥蚀严重，反滤层不合格，局部淘空；且工程现状预制砼六角块护坡厚度只有20cm，不满足设计要求，为确保工程安全运行，上游护坡加固采用拆除重建方案。
上游护坡重建可供比较的方案有两个，一是干砌方块石护坡，二是砼预制块护坡。
其中，干砌方块石护坡具有坚固耐久、抗冲刷能力强的优点，而砼护坡易剥蚀、老化、耐久性差，在工程投资较为接近的情况下，上游护坡拆除重建采用方案一的干砌方块石护坡。
上游护坡拆除重建底高程48.0m，上部至坝顶，范围为主坝桩号0+382～1+758坝段。
护坡石料选用单块厚25cm以上、重45kg以上的方块石，反滤层重建设计采用三层，自上而下分别为：第一层为2～
4cm的碎石，厚15cm；第二层为300g/m2的反滤土工布，第三层为10cm厚的中粗砂。
3.3 坝基抗震加固
根据主坝现状抗震动力复核结果，由于坝基砾质粗砂层相对密度较小，在地震设防烈度Ⅶ度条件下，主坝河槽段上、下游坝基存在振动液化可能，必须进行抗震加固。
坝基抗震加固比较了抛石压重和砂层翻压两个方案，由于砂层翻压方案需要修筑围堰，而且围堰工程量较大，无论从技术角度还是经济角度分析，与压重方案比较，都有明显的不足。
根据工程实际情况和目前的施工技术水平，考虑溢洪道加固石方开挖量较大，上、下游坝基抗震加固均采用抛石压重方案，压重范围为桩号1+000～1+130的主坝河槽段。
压重料优先利用上游护坡拆除的砼六角块，不足部分利用溢洪道开挖的块石。
上游坝基压重平台顶高程48.00m，顶宽30.0m，压重体上游坡脚边坡1∶1；下游坝基压重平台顶高程49.00m，顶宽25.0m，压重体下游坡脚边坡1∶1.5。
主坝河槽段上游坝脚现有一应急加固施工平台，平台顶高程约为45～49m，该施工平台由粘性土、碎石构成，坝基抗震加固施工前必须进行清除。
3.4 坝脚排水
由于主坝河槽段下游坝基抗震加固采用抛石压重方案，桩号
0+980～1+150的坝段需要新建下游坝脚排水体，与两侧现有排水体
衔接。
新建坝脚贴坡排水和纵向排水沟均采用干砌方块石结构，贴坡排水高2.5m，纵向排水沟边坡1：0.5，底宽0.5m，沟深为0.8m。
坝脚排水体表层为厚25cm的干砌方块石，底部反滤层设计采用三层，自上而下分别为：第一层为2～4cm的碎石，厚15cm；第二层为300g/m2的反滤土工布；第三层为10cm厚的中粗砂。
4 主坝加固后稳定计算
根据坝体结构和加固措施，选择1+091断面和1+439断面为加固后主坝稳定分析断面，其中1+091断面位于主坝河槽段，1+439断面位于主坝阶地段。
4.1 坝体渗透稳定计算
渗流计算采用有限单元法，计算程序为河海大学研制的《土质边坡渗流稳定分析程序》（AutoBank6.1），加固后发生在主坝两个计算断面坝体内的最大水力坡降和位置见表1。
可见，主坝加固后，在各种水位条件下计算断面的最大水力坡降均小于允许坡降，坝体不会发生渗透破坏。
4.2 坝坡抗滑稳定计算
坝坡抗滑稳定分析采用有限单元法，计算程序为河海大学研制的《土质边坡渗流稳定分析程序》（AutoBank6.1）。
按规范要求，选择库水位为兴利水位、设计洪水位、校核洪水位、1/3坝高水位的稳定渗流期，库水位由设计洪水位骤降至闸底板高程、校核洪水位骤降
至兴利水位的水位降落期，以及兴利水位遇Ⅶ度地震共七种工况，进行上、下游坝坡抗滑稳定计算，1+091断面和1+439断面各种计算工况下的坝坡抗滑稳定安全系数见表2。
表中数据说明，水库实施除险加固工程后，各种工况下的坝坡稳定安全系数均大于规范允许值，满足设计要求。
4.3 抗震动力计算
王吴水库坝址区地震设防烈度为Ⅶ度，必须对主坝进行抗震动力分析。
土坝地震液化分析包括静力计算和动力计算，静力计算可以确定坝体和坝基在遭遇地震作用前的初始应力状态，在特定初始应力状态及给定地震波作用下，坝体的地震反应可以通过动力计算分析得到。
由静力和动力分析结果，结合坝体和坝基材料动力试验参数可以对坝基液化进行判定。
选择主坝1+091断面进行加固后抗震动力分析，由计算结果可以看出，在兴利水位遭遇Ⅶ度地震时，加固后断面由于设置了压重平台，上游坝基液化区域位于压重平台前侧，远离坝脚，使上游坝坡稳定不受影响；下游坝基无液化区域，说明加固后解决了坝基砾质粗砂层的地震液化问题。
5 结语
在王吴水库主坝除险加固设计中，根据现状存在的安全隐患，经过多方案比选，提出了经济可行、技术合理的除险加固设计方案。
目
前，主坝除险加固设计方案已经通过山东省水利厅、淮河水利委员会组织的专家审查，工程施工正在进行。
除险加固工程完成后，将彻底消除工程存在的安全隐患，使水库充分发挥其综合利用效益，促进当地社会经济的持续发展。
