小型水库大坝稳定计算及除险加固方案比选
郭 招
（陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局，陕西 咸阳 712000）
［摘 要］ 扶风县五郡沟水库由于施工质量差、年久失修等原因，长期处于带病运行状态，危及水库运行、度汛以及宝鸡峡总干渠输水咽喉韦水倒虹工程等安全。原坝上游坡抗滑稳定安全系数在正常工况下为1.33，地震工况下1.14，均满足规定要求：下游坝坡安全系数在正常工况为1.14，地震工况下1.02，均不满足规范要求值，需加固；经比较，选择坝体上游坡铺复合土工膜防渗方案为坝体加固方案。将溢洪道堰顶高程由现状抬高1.0 m，并进行砌护及消能，作为溢洪道加固实施方案。工程2010年完成至今运行良好。说明计算准确、方案设计科学合理，可供同类工程借鉴。
［关键词］ 水库；除险加固；大坝稳定性；方案优化
1 工程概况
五郡沟水库位于新店镇五郡沟上，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养殖的小（一）型水库。水库工程由均质土坝、溢洪道以及库内12座抽水站等组成。水库工程于1969年10月动工兴建，1971年6月基本建成，设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为50年一遇。五郡沟水库开始设计拟采用抽韦水补给水库，但因韦水常流量小，抽水得不到保证。在冯家山水库建成后，由冯家山水库北干八支渠退水兴利，1976年蓄水50万m3，因溢洪道没有衬砌，水库安全受到威胁，1977年5～7月对溢洪道进口及部分陡坡段进行了砌护，由于左坝肩的绕坝渗流，同时在下游坝面增加贴坡排水。1984年4月由于灌区地下水补给及八支渠退水，库水位达549.2 m（溢洪道堰顶高程为550.0 m），浸润线在542 m高程溢出，坝肩绕坝渗漏严重，1985年再次加固将溢洪道降低2 m（进口降至548.0 m高程），在下游坝面增加框架式表面排水和下游排水棱体，并对坝体进行了水泥粘土灌浆。
2 存在问题
五郡沟水库由于施工质量差等原因，长期处于带病运行状态，存在主要问题是：
（1）原设计防洪标准远低于现行《防洪标准》要求。五郡沟水库为小（一）型水库，原设计洪水标准20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核；按照现行《防洪标准》（GB50201-94）有关规定，其防洪标准应为30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。
（2）工程设施年久失修存在多处渗漏。五郡沟水库运行三十余年，左坝肩中下部有清水渗漏，渗漏量为5.0 L/s。右坝肩与岸坡结合处也有明显渗水。坝体下游坡左半部明显下沉呈凹陷状态，溢洪道未衬砌，无放水设施，坝体内浸润线较高，下游坝坡不稳定。
（3）安全防汛基础条件差危险大。由于五郡沟水库没有放水设施，水库常年蓄满，最高库水位548.0 m，一旦失事，将直接威胁扶风县城、西宝公路北线和宝鸡峡总干韦水倒虹工程安全。
3 坝体渗流计算
（1）计算工况
依据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）要求，计算正常蓄水位549.0 m和下游相应最低水位535.0 m情况下的坝体稳定渗流，由于在设计洪水位和校核洪水位情况下，水位历时较短，难以形成稳定渗流，故不进行设计洪水位和校核洪水位情况下的渗流计算。
（2）计算断面及参数指标
计算断面选取实测河床最大断面，坝体填筑料渗透系数采用《扶风县五郡沟水库除险加固工程地质勘察报告》的推荐值，坝基土分别采用大于、等于、小于坝体填筑料渗透系数计算，当坝基为相对不透水时，计算浸润线与实测浸润线一致，渗透指标采用值见表1。
表1 渗透指标采用值
填筑料名称 渗透系数（cm/s)水平 垂直 坝体土1.0×10-5 1.0×10-5 坝基土1.0×10-6 1.0×10-6 复合土工膜1.0×10-8 砼心墙1.0×10-7
（3）计算结果及分析
本次渗流计算采用DQB程序计算。计算工况为：上游库水位为正常水位548.0 m，下游水位535.0 m时的浸润线和等势线，坝体渗透坡降计算结果见表2。
表2 大坝填土渗透坡降成果
最大值 最小值 平均值0.53 0.15 0.26 0.5渗透坡降（i） 允许渗透坡降（i允）
从上表可看出坝填土的渗透坡降满足规范要求。计算出河床剖面坝体和坝基的单宽渗流量：q=0.038 m3/d.m，计算出坝体及坝基的总渗流量：Q=2.926 m3/d。
4 坝体稳定计算及加固设计
4.1 坝体稳定计算
稳定计算一般分稳定渗流期和库水位降落期分别计算。
稳定计算采用土石坝边坡稳定分析程序《STAB》计算。计算断面取河床最大断面。为了解决下游坝坡不稳定问题和左右坝肩的渗漏问题，设计考虑了3种方案，方案（1）：坝体上游坡铺复合土工膜方案；方案（2）：下游坝坡540 m高程以下压脚培厚方案；方案（3）：浇筑塑性砼心墙防渗方案。
从表3结论看：①原坝上游坡抗滑稳定安全系数在正常工况下为1.33，地震工况下1.14，均满足规定要求：下游坝坡安全系数在正常工况为1.14，地震工况下1.02，均不满足规范要求值，需加固；②三种加固设计方案稳定计算结果均满足规范要求。
表3 坝体稳定计算成果表（计及条块间作用力）
计算部位 计算情况 原坝坡 加固设计 规范要求（4、5）正常 70地震 正常 70地震 正常 70地震上游坡 549 m水位降落至死水位540 m 1.33 1.14 1.25 1.10方案（1）：1.26 方案（1）：1.10下游坡 上游549 m水位，下游532 m水位 1.14 1.02方案（2）：1.26 方案（2）：1.14方案（3）：1.21 方案（3）：1.11 1.25 1.10
4.2 坝体加固设计
三种加固方案比较见表4。
表4 三种方案比较表
方案序号 方案名称 优 点 缺 点 投资（万元）方案（1） 坝体上游坡铺复合土工膜防渗施工简单，投资不大对灌溉有影响67.8安全可靠，投资最少，采用常规施工方法，施工较容易方案（3） 塑性砼心墙防渗方案方案（2）下游坝坡540 m高程以下贴坡式粘土培厚不能解决坝肩绕渗、不能降低浸润线51.78安全可靠，防渗效果良好 投资较大164.38
从防渗效果、施工难易程度、投资经济性3方面比较、综合考虑后，选择方案（1）为推荐方案。
4.3 坝体加固方案
（1）上游坝坡
上游坝坡抗滑稳定满足要求，坝坡死水位以上分二级坡比，542 m高程以上为1∶3.0，以下为1∶3.5。原上游坝坡无砌护，本次设计对542 m高程以上采用0.3 m干砌石护坡、干砌石下分别铺0.2 m厚碎石垫层、0.1 m厚粗砂垫层。防渗复合土工膜铺在粗砂垫层下，复合土工膜铺设范围为：上至坝顶，下到淤积高程535.0 m以下坝体左右侧与岸坡结合处，要求沿迎水坡面、进入左右坝肩岸坡长度不小于10m，铺膜前先对坝肩按1∶1.5坡度削坡处理，再铺土工膜，土工膜压顶采用人工开槽压顶处理。
（2）下游坝坡
现状下游坝坡坡比共分3级，从上至下分别为1∶2.0、1∶2.5、1∶1.5。由于上游坡铺膜防渗后坝体已经满足稳定渗流安全。因此坝下游坡不需配厚加固，设计仅新修坝面排水设施，在下游坡坝体与左右肩结合处布设排水沟，净尺寸：宽0.4 m，深0.3 m，排水沟采用M7.5浆砌石砌筑，从545 m高程排水沟下设混合反滤料，保证坝肩绕渗排水通畅。坝面排水沟，布设在542 m高程、与左右坝肩的排水沟相通，沟道断面尺寸采用砌筑材料与上同，坝面在清除杂质整平后采用草皮护坡处理。对原排水棱体进行翻修加固，将干砌石棱体恢复到断面尺寸，并布设混合反滤料，厚度为40 mm。对坝后现状排水沟道采用M7.5浆砌石进行砌护，确保坝面排水顺畅。
5 溢洪道加固设计
5.1 方案比选
本次溢洪道设计采用两种方案，方案（1）维持原现状溢洪道堰顶高程、堰长及溢洪道轴线基本不变，主要对进口段、平流段、陡坡段进行砌护及消能工设计；方案（2）根据调洪及坝高复核计算，将溢洪道堰顶高程由现状抬高1.0 m，堰长不变，并对溢洪道进行优化设计，长度缩短了96.73 m，并进行砌护及消能设计。经技术经济比较，选择方案（2）为实施方案。
5.2 溢洪道水力计算
5.2.1 溢流堰水位-流量关系
根据溢洪道实测横断面尺寸，拟定堰顶549.0 m，断面采用曲线实用堰，流量系数0.40。堰顶水位-流量关系见表5。
表5 堰顶水位-流量关系表
水位（m） 549 550 551 552 553泄量 Q（m3/s） 0 15.95 45.11 82.87 127.58
5.2.2 水面线计算
根据调洪演算结果，溢洪道设计下泄量为60.6 m3/s，相应洪水位为551.41 m，校核下泄量为101.2 m3/s，相应洪水位为552.40 m。
5.3 溢洪道加固方案
根据溢洪道地质条件及水力计算结果，溢洪道加固设计方案为：
进口段采用30 cm厚浆砌石衬砌，溢流堰段边墙较高，采用M7.5浆砌石档土墙砌筑，经计算，满足稳定要求;
平流段采用30 cm厚C20砼衬砌，砼表面布置φ10@200双向温度钢筋，陡坡段采用50 cm厚C20砼衬砌，砼表面布置φ10@200双向温度钢筋，消力池段采用80 cm厚C20砼衬砌，砼表面布置φ10@200双向温度钢筋。
平流段、陡坡段及消力池段下部均设30 cm厚2∶8灰土垫层，垫层下设一道φ150 mm纵向网格排水管，横向每隔10 m设一网格排水管。
6 结语
扶风县五郡沟水库除险加固，结合实际对水库大坝渗流量等进行了科学计算，针对存在问题有的放矢，精心比选优化工程设计方案，努力打造水库除险加固的优质样板。工程2010年完工后至今运行状况良好，说明计算方法准确，方案设计科学合理。
［中图分类号］TV697.3
［文献标识码］B
文章编号：1673-9000（2017）05-0123-02
［收稿日期］ 2017-04-19
［作者简介］ 郭招（1979-），男，陕西乾县人，工程师，主要从事水利工程管理工作。