沙沟水库除险加固方案优化比选

沙沟水库除险加固方案优化比选

牛国纯凡忠卫

中水电（天津）建筑工程设计院有限公司天津301700

摘要：沙沟水库是一座以防洪为主，并兼顾灌溉效益的中型水库，设计总库容2368万m3。由于坝体填筑质量差，底部存在强透水层，经运行多年，水库渗漏严重，下游坝坡不稳。针对坝体渗漏和坝坡稳定问题，本次除险加固设计采用4个加固方案进行比较，选用下游削坡培土+塑性混凝土防渗墙方案，该方案投资较省、施工质量易保证、加固效果较好，可为类似工程提供参考。

关键词：除险加固；优化比选；塑性混凝土防渗墙；沙沟水库

OptimizationandSelectionofReinforcementchemeForShaGouReservoir

Abstract:ShaGoureservoirisamedium-sizedreservoirwithfloodcontrolandirrigationbenefit.Thetotalstoragecapacityis23680thousandm3.Duetothepoorfillingqualityofthedam,thereisastrongpermeablelayeratthebottom.Aftermanyyearsofoperation,thereservoirseepageisseriousandthedownstreamdamslopeisunstable.Inviewoftheaboveproblemsthispapergivesfourreinforcementschemes.Thefinalschemeistheplanofdownstreamsloperidgingandplanofplasticconcreteanti-seepagewall.Theinvestmentoftheschemeisrelativelylow,theconstructionqualityiseasytoguarantee,andthereinforcementeffectisbetter,whichcanprovidereferenceforsimilarprojects.

KeyWords:Reinforcement,OptimizationComparison,PlasticConcreteCutoffWall,ShaGouReservoir

1工程概况

沙沟水库位于黄河支流清水河上游支流的沙沟河上，地处宁夏中卫市沙坡头区兴仁镇，距中卫市120km。沙沟水库的主要任务是防洪、拦沙和灌溉。水库建于2003年，主要建筑物包括均质土坝、引水卧管、输水箱涵及溢洪道。坝体为均质土坝，坝长526m，最大坝高38m，设计总库容2368万m3。水库为Ⅲ等中型工程，主要建筑物级别为3级。

坝体岩性从上到下依次为：人工填土（砂壤土、壤土）、砂壤土、壤土和午城黄土。

2015年11月，中卫市水务局委托南京水利科学研究院对沙沟水库大坝进行了安全评价。安全评价结论沙沟水库大坝为“三类坝”，为使工程发挥正常效益，工程需进行除险加固。大坝坝体存在的主要问题为：（1）水库坝体填土碾压质量差，坝体填土压实度不满足规范要求，清基不彻底；（2）坝体渗透坡降不满足渗透稳定要求，渗漏损失大；（3）下游坝坡安全系数不满足规范要求[1]。

2大坝原坝体安全复核

2.1原坝体渗流计算

（1）计算方法

根据坝体断面型式和建基面的地质条件选取典型断面进行计算，采用加拿大GeoStudio软件进行计算。程序利用平面有限元数值分析方法确定渗流场。为比较真实地了解渗流状况，上、下游计算长度均取1倍坝宽，基础计算深度取1倍坝高。

（2）计算参数与计算工况

1）计算参数

表1沙沟水库坝体坝基材料分区渗透系数表

2）计算工况：

正常蓄水位工况：上游水位1651.12m，下游无水；

设计洪水位工况：上游水位1655.20m，下游无水；

校核洪水位工况：根据调洪演算结果，校核洪水位出现时间很短，不会形成稳定渗流，因此不进行计算；

水位骤降工况：由校核洪水位1657.85m骤降至正常蓄水位1651.12m。

（3）计算结果

表2坝体0+440断面渗流计算成果表

根据计算，现状坝体0+440断面在正常蓄水位和设计洪水位工况下出逸比降均满足要求，水位骤降工况下出逸比降不满足要求，且出逸点较高，大坝设计洪水位时单宽渗流量为5.93m3/d/m，预测大坝的每年的渗流量约为70.50万m3，与安全评价结论基本一致。根据现场勘察，坝体下游常年渗水，由于没有监测资料，无法判定每年的具体渗水量，从常年渗水的现象可以判定与本次对现状坝体的渗流计算结果基本吻合。

2.2原坝体稳定计算

（1）计算方法

坝坡稳定分析采用毕肖普法，按计土条间作用力的圆弧滑动。按《碾压式土石坝设计规范》公式，采用Geostudio软件进行计算。选取大坝典型断面0+440进行计算。

（2）计算参数

表3大坝坝坡抗滑稳定分析选用的物理性质指标与力学参数表

（3）计算工况

按照《碾压式土石坝设计规范》第8.3条计算要求，主要计算内容[2]：

1）稳定渗流期的上、下游坝坡（取正常蓄水位和设计洪水位）；

2）水库水位降落期的上游坝坡（由校核洪水位骤降至正常蓄水位）；

3）正常运用遇地震时的上、下游坝坡（正常蓄水位遇地震）。

（4）计算结果

表4坝体0+440断面稳定计算成果

根据计算结果，坝体0+440断面各个工况上游坝坡稳定系数均满足规范要求，但下游坡均不满足规范要求。因此，需对主河床段的坝体进行加固。

3除险加固方案设计及比选

本次沙沟水库除险加固工程主要任务是消除大坝渗漏和下游坝坡安全隐患，恢复水库防洪标准达到1000年一遇，保证水库下游0.4万人的防洪安全，并为下游0.15万亩农田灌溉提供水资源保障。针对此种情况，拟定以下4种除险加固方案进行比较。

3.1方案设计

方案一：上游培土+塑性混凝土防渗墙方案。坝轴线上游2m设置0.40m厚塑性混凝土防渗墙，维持原坝体下游坡不变，下游坝坡为1:2.5/1:2.75/1:3.00，首先对坝顶进行加宽，现状坝顶宽度为5.0m，根据《碾压式土石坝设计规范》，3级坝坝顶宽度为5.0~10.0m，因此，坝顶最大加宽至10.0m，同时在上游填土将上游坡进行放缓，改变上游坡比，直至边坡稳定满足规范要求。

方案二：下游削坡培土方案。维持原坝体上游坡不变，上游坝坡为1:2.75/1:3.0/1:3.25，对下游坝坡按照1:2边坡进行削坡后，对下游坝体进行加厚，坝顶加宽至10m，改变下游坝坡坡比，直至边坡稳定满足规范要求。

方案三：下游削坡培土+塑性混凝土防渗墙方案。坝轴线上游2m设置0.40m厚塑性混凝土防渗墙，维持原坝体上游坡不变，上游坝坡为1:2.75/1:3.0/1:3.25，对下游坝坡按照1:2边坡进行削坡后，对下游坝体进行加厚，坝顶加宽至10m，改变下游坝坡坡比，直至边坡稳定满足规范要求。

方案四：拆除主河床范围坝体，并清除坝基下部的砂壤土，坝体按照原设计断面进行恢复，坝顶宽5m，上游坡比1:2.75/1:3/1:3.25，下游坡比为1:2.5/1:2.75/1:3，填土压实度≥0.98，渗透系数k≤5.59×10-5。

3.2渗流及稳定计算结果

表5坝体培厚方案渗流及稳定计算成果表

根据计算结果，上述4个方案均能解决坝体稳定及渗流稳定问题。

3.3方案比选

对上述4种除险加固方案进行工程量及投资比选，大坝加固范围为：桩号0+250~0+526。方案工程量及投资比较表见下表。

表6坝体加固方案工程量及投资比较表

经投资比选，下游削坡培土方案工程投资最少为1336.15万元，上游培土+塑性混凝土防渗墙和下游削坡培土+塑性混凝土防渗墙方案投资比较接近。上游培土需将水库内水放空且护坡工程量巨大，因此不予选用。单纯下游削坡培土方案解决了下游坝坡稳定问题，但坝体内渗漏通道问题仍未解，仍存在渗漏安全隐患。考虑防渗在本次工程任务中的重要性，本次推荐采用下游削坡培土+塑性混凝土防渗墙方案。

4结语

坝体防渗和边坡稳定是坝体除险加固的重要内容，选择经济合理、施工简便的加固方案，对于减少工程投资、延长大坝使用寿命具有重要意义。通过本次除险加固工程的实施，可使沙沟水库达到设计防洪标准、滞洪削峰、防洪减灾，有效拦蓄上游来水，为下游农田灌溉提供水源保障，促进水资源的合理开发和利用。

参考文献

[1]李卓，杨阳，李铮，等.宁夏回族自治区中卫市沙沟水库大坝安全评价报告[R].南京：李卓，2015.

[2]SL274-2001，碾压式土石坝设计规范[S].