浅谈独木水库大坝除险加固设计

一、工程概况

曲靖市独木水库位于篆长河上游，属珠江流域南盘江水系。水库位于曲靖市麒麟区东南部的东山镇与富源县交界处，距市区61km。水库始建于1958年，1978年11月进行加固配套，1986年竣工验收并投入运行。水库径流面积196km2，年均产水量1.41亿m3，拥有水面10000余亩，总库容10560万m3，兴利库容9942万m3，灌溉面积13.2万亩，是一座以农业灌溉为主，兼顾防洪、城市供水及发电任务的大型水库。独木水库已运行近50年，由于大坝浸润线较高，下游坝坡稳定性不满足规范要求，大坝存在安全隐患；各输水隧洞闸门年久失修、漏水严重，输水洞及溢洪道启闭机老化严重，金属结构存在安全隐患；卡基输水隧洞底板及洞身结构也不同程度的存在一定的安全隐患。经云南省大坝安全鉴定专家组进行鉴定，独木水库大坝为三类坝。独木水库于2009年1月开始除险加固施工，2011年3月竣工。除险加固后的独木水库枢纽工程由大坝、高位输水涵洞、低位输水隧洞、卡基输水隧洞、溢洪道和坝后电站组成。大坝最大坝高36.30m，坝型为均质土坝，已达1000年一遇设计、10000年一遇校核的国家标准。水库除险加固套后，实现了年供水量7600万m3，灌溉农田13.2万亩，解决13.04万人和27822头大牲畜的饮水问题，也解决了下游篆长河流域30万人口及鲁布革电站等的防洪安全问题，2020年后水库还将向曲靖市年供水4000万m3。独木水库大坝坝型为粘土均质土坝，大坝坝顶高程为2010.20m，大坝最大坝高36.30m，坝顶长156.00m。上游坝坡三级坡比为1∶3、1∶3.5、1∶3.6，分别在1997.2m、1984.2m高程处变坡，未设马道。下游坡比为1∶2、1∶2.5、1∶3，分别在2000.50m、1989.50m高程设宽度2.0m、6.0m的马道。下游坝底设水平褥垫式排水体，坝趾设有堆石排水棱体、截水墙和量水堰。排水棱体顶高程为1978.50m，顶宽1.4m，外边坡坡比为1∶2。

二、大坝存在的主要病害

独木水库是曲靖市麒麟区东山镇、罗平县阿岗镇和陆良县活水乡部分辖区农业灌溉的唯一水源地，它的建成极大地促进了曲靖市工农业的发展。但水库自1958年建成以来，虽经多次除险加固处理，大坝仍存在安全隐患。大坝由于坝土碾压不均匀，压实质量较差，坝基清基不彻底，下游坝体透水性较差，致使坝体及坝基渗水严重，大坝坝内排水暗管及坝脚排水棱体存在着部分堵塞问题，大坝下游坝坡下部高程1982.50m～1978.50m范围内存在湿润面积约563m2的浸湿现象，大坝下游坝脚出现渗水，大坝坝体、坝基与坝体接触带及两坝肩也存在着绕坝渗漏现象。根据坝脚量水堰观测资料分析，1998年库水位为2003.19m时，渗流量仅7.46L/s，1997年库水位为2004.36m时，渗流量为19.31L/s，到2005年库水位为2002.58m时，渗流量高达31.70L/s，这说明坝体及坝基渗流量有逐年加大的趋势，其原因在于坝体本身渗流有可能加大，坝基及坝肩存在绕坝渗漏，同时，由于灌浆时间较长，坝基帷幕本身存在老化失效问题。因此，坝体渗漏有进一步加大的趋势。由于坝体浸润线偏高，下游坝坡在设计洪水位及正常蓄水位稳定渗流期，抗滑稳定安全系数分别为1.192、1.195，均小于规范允许的最小安全系数1.35；在校核洪水位稳定渗流期，下游坡抗滑稳定安全系数为1.185，小于规范允许的最小安全系数1.25；大坝下游坡设计洪水位及正常蓄水位稳定渗流区加7度地震工况安全系数为1.025、1.031，小于规范允许的最小安全系数1.15。大坝坝顶路面破损严重，两坝肩岸坡未进行护坡，岸坡岩体破碎，风化、剥蚀严重。

三、大坝除险加固工程设计处理方案

1.大坝除险加固整体处理方案简述

针对独木水库大坝所存在的主要病害，对大坝除险加固采用的整体处理方案为：（1）对大坝坝体、坝基与坝体接触带及两坝肩存在的渗漏问题，采取了坝体防渗墙结合两坝肩帷幕灌浆处理；（2）对大坝下游坝坡下部存在的浸湿现象，采取了在浸水潮湿区增设贴坡排水体的处理方式；（3）对大坝坝内排水暗管及坝脚排水棱体存在着部分堵塞问题，采取了间隔翻修处理；（4）对大坝下游草皮护坡进行整修；（5）将大坝上游坝坡高程1997.20m以上的干砌石护坡改为预制混凝土护坡；（6）重建坝顶公路，在坝顶上游侧增设混凝土防护墙，对左坝肩边坡进行支护处理；（7）增设变形观测及渗流观测设施等。

2.大坝除险加固的主要处理方案设计

（1）大坝坝顶结构加固设计依据调洪演算结果，水库除险加固后，水库正常蓄水位1907.00m，设计洪水位为2006.07m（P=0.1%），校核洪水位为2006.41m（p=0.01%）。通过风浪计算并考虑安全超高，经复核坝顶高程满足设计要求，不需进行加高，因此，坝顶高程维持现状高程2010.2m不变。但考虑到本工程的大坝坝顶兼固乡村公路，且大坝坝顶路面破损严重，故从安全等方面综合考虑，在坝顶上游侧增设一道高出坝顶0.8m的混凝土防护墙，坝顶路面采用20cm厚的钢筋混凝土路面，其下分别铺设15cm厚的水泥碎石垫层及级配碎石各一层。（2）大坝防渗处理设计大坝河床段坝体及坝基采用防渗墙防渗处理，两岸防渗采用帷幕灌浆处理。防渗墙轴线布置在坝轴线上游5.0m，混凝土防渗墙厚0.6m，河床段和两岸坡防渗墙底界均嵌入强风化岩体≥2m，防渗墙最大造孔深度44.2m。两坝肩帷幕灌浆轴线布置在防渗墙上游80cm处，按单排孔布置，孔距为1.2m，采用水泥浆处理。施工时，先进行防渗墙施工，待防渗墙施工完毕后，再进行两坝肩帷幕灌浆施工，坝肩帷幕灌浆与坝体防渗墙相接，形成整体防渗体系。（3）大坝下游排水体处理设计新增贴坡排水体设置在大坝下游坝坡浸水潮湿区，新增贴坡排水体表面为40cm厚的干砌块石，其下分别设置30cm厚的反滤碎石和20cm厚的反滤砂。新增贴坡排水体与下游排水棱体紧密相连，形成一个良好的排水通道，达到降低坝体浸润线的目的。同时，对部分堵塞的排水棱体采取间隔翻修处理，排水棱体间隔翻修分两段进行，每段底宽5m，两段之间间隔10m。（4）大坝下游草皮护坡的修整处理设计下游坝坡采用C15混凝土弧形网格草皮护坡形式，这种护坡的结构形式简单，最终实施效果良好，这种护坡形式充分体现了既环保又美观的设计理念。（5）大坝下游坝坡设计大坝针对自身存在的病害采取上述处理方式后，经过稳定及渗流复核计算，大坝坝体浸润线有了明显降低，下游坝坡在设计洪水位及正常蓄水位稳定渗流期，抗滑稳定安全系数分别为1.650、1.668，均大于规范允许的最小安全系数1.35；在校核洪水位稳定渗流期，下游坡抗滑稳定安全系数为1.640，大于规范允许的最小安全系数1.25；大坝下游坡设计洪水位及正常蓄水位稳定渗流区加7度地震工况安全系数为1.431、1.452，均大于规范允许的最小安全系数1.15，说明独木水库的大坝除险加固设计处理方案是合理的。

四、结语

（1）独木水库对大坝坝体、坝基与坝体接触带及两坝肩的渗漏问题采取了坝体防渗墙结合两坝肩帷幕灌浆的防渗处理、对下游坝坡浸水潮湿区采取了贴坡排水体处理、对坝内排水暗管及坝脚排水棱体存在着部分堵塞部位采取了间隔翻修等处理方式能很好的体现土石坝的“上堵下排”的设计原则，降低了坝体浸润线，避免了下游排水体的大面积翻修，达到了对症下药解除大坝病害的目的。（2）独木水库除险加固工程于2009年1月施工，2011年3月通过了工程竣工验收。从工程竣工验收至今，水库每年蓄水达到设计要求。从观测情况来看，水库蓄水运行正常，说明水库除险加固设计是成功的。（3）通过独木水库对大坝除险加固处理设计，以期对类似病险水库的大坝除险加固设计提供参考。

作者:游健 金葵 李木凤 单位:云南省水利水电勘测设计研究院 云南省电力学校