土坝加固设计方法优化

7.2.4.1 坝顶高程确定

按照《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)计算坝顶超高。坝顶超高按式(3.4-1)计算。其中A设计工况取0.5m,校核工况取0.3m。

(1)风壅水面高度e。计算公式采用式(3.4-2)。

(2)平均波高和平均波周期采用莆田试验站公式计算,即采用式(3.4-3)计算。

(3)平均波长。采用式(3.4-4)计算。

(4)平均波浪爬高。正向来波在m＝1.5～5.0的单一斜坡上的平均爬高按式(3.4-5)计算,其中m＝2.97。

设计波浪爬高值应根据工程等级确定,4级坝采用累积频率为5%的爬高值R5%。

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001),坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和,分别按以下组合计算,取其最大值。①设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；②正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；③校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；④正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高,再加地震安全加高。

根据鲁甸县气象站的观测资料统计分析,多年平均最大风速为15.3m/s,设计风速正常运用情况下乘以系数1.5为23m/s,吹程400m。坝顶高程计算结果见表7.2-1。

表7.2-1　李家龙潭水库坝顶高程计算结果表

从表7.2-1看出,地震工况控制坝顶高程,根据计算情况取坝顶高程为1964.10m。

现大坝坝顶高程为1963.60m,加高后的坝顶高程为1964.10m,大坝需加高高度为0.50m,可采取在坝顶加0.5m防浪墙,原坝体不加高方案。

7.2.4.2 大坝加固方案

李家龙潭水库为特定历史条件下的产物,现坝体存在较多的质量缺陷。主要表现为上游护坡破坏、下游无护坡、坝体填土干密度较小、坝体防渗性能较差,坝基渗漏严重,坝顶高度低,宽度小,不满足设计要求等问题。但大坝需要解决的主要问题是渗漏稳定问题。

为了保证大坝的安全,应尽可能大的降低坝体内浸润线,封堵坝体坝基渗漏通道,针对主坝在此考虑了3种防渗方案：方案一是坝体采用复合土工膜、基础采用高压定喷桩防渗；方案二是坝体坝基均采用复合土工膜防渗；方案三是坝体坝基均采用高压定喷桩防渗。由于坝顶需加高0.5m,故采用坝顶加混凝土防浪墙方案。

(1)方案一。结合上游护坡改建,拆除原干砌石护坡,坡面整平后铺设两布一膜复合土工膜,以防止随着水库运用水位升高后,坝体浸润线升高引起坝体新的变形,导致沿坝体裂缝以及填筑结合面可能产生的集中渗漏。复合土工膜铺设到1949.00m高程,此高程以下采用高压定喷桩作为坝基防渗,顶部与复合土工膜连接,底部嵌入基岩1m。此方案的优点是既可彻底解决坝体与坝基的渗漏问题,又可减少施工围堰和施工期间的基坑排水,工程投资又省。

(2)方案二。结合上游护坡改建,拆除原干砌石护坡,坡面整平后铺设两布一膜复合土工膜,直至基础2.3m厚的Q4坡积层(主要由砂土、砂岩和泥岩碎石)以下1m。此方案的复合土工膜与坝基5.3m厚黏土和淤泥层连接,解决了坝体本身的防渗,坝基防渗采用5.3m厚黏土和淤泥层。此方案的优点是工程投资省,缺点是必须修筑施工围堰,而且要挖除坡脚上较厚的淤泥,基坑排水和开挖工作实施困难很大。

(3)方案三。坝体与坝基均采用高压定喷桩防渗墙,即在坝顶向下做高压定喷桩,直至岩石下1m。此方案的优点是可以彻底解决坝体坝基防渗,减少施工期围堰、基坑排水等投资,缺点是高压定喷桩投资较土工膜大,造成工程总投资偏高。

复合土工膜具有适应变形能力强,防渗性能好的特点,而且在近几年的病险水库加固处理中得到了广泛的应用,施工工艺成熟。因此,选择适应坝体变形的坝体土工膜、坝基高压定喷桩防渗方案,即方案一。

两岸基岩裸露的,采用喷混凝土减少渗漏量,喷混凝土厚0.05m。喷混凝土范围按2倍的坝高考虑,为30m,以延长两岸渗径,减小两岸绕渗。喷混凝土前,应对岩石边坡上的浮土、悬石和风化剥落层进行清除。为了保证喷混凝土质量,采取边清除边喷射的方法。

7.2.4.3 坝顶加高

根据坝顶高程计算结果,坝顶需加高0.5m,由于加高高度较低,可采用在坝顶上游侧加混凝土防浪墙方案。现坝顶高程不变,为1963.60m,防浪墙顶高程1964.10m,高出坝顶0.5m。

7.2.4.4 坝体裂缝处理

裂缝处理采用开挖回填的方法处理。

(1)深度不超过1.5m的裂缝,可顺裂缝开挖成梯形断面的沟槽。

(2)深度大于1.5m的裂缝,可采用台阶式开挖回填。

(3)横向裂缝开挖时应作垂直于裂缝的结合槽,以保证其防渗性能。

坝体裂缝处理,开挖前需向裂缝内灌入白灰水,以利于掌握开挖边界；开挖时顺裂缝开挖成梯形断面的沟槽,根据开挖深度可采用台阶式开挖,确保施工安全。裂缝相距较近时,可一并处理。裂缝开挖后防止日晒、雨淋。

回填土料与坝体土料相同,应分层夯实,达到原坝体的干密度。回填时要注意新老土的接合,边角处用小榔头击实。注意勿使槽内发生干缩裂缝。

7.2.4.5 防渗设计

1.防渗方案

结合上游护坡改建,拆除原干砌石护坡,坡面整平后铺设两布一膜复合土工膜,以防止随着水库运用水位升高后,坝体浸润线升高引起坝体新的变形,导致沿坝体裂缝以及填筑结合面可能产生的集中渗漏。复合土工膜铺设到1949.00m高程,此高程以下采用高压定喷墙作为坝基防渗,顶部与复合土工膜连接,底部嵌入基岩1m。

坝基采用高压定喷桩防渗,孔距1.2m,墙体最小厚度0.1m。

为增加护坡稳定性,在高程986.00m、982.70m、974.70m及坡脚设止滑槽。

复合土工膜顶部与坝顶上游侧防浪墙连接,埋入防浪墙底部,与输水涵洞混凝土采用锚固连接,底部无定喷墙段挖槽埋在土中,与定喷墙连接采用挖平墙顶,土工膜铺到墙顶,上部浇筑30cm厚的混凝土,保证定喷墙与土工膜的连接可靠。

两岸基岩裸露的,采用喷混凝土减少渗漏量,喷混凝土厚0.05m,喷混凝土前,应对岩石边坡上的浮土、悬石和风化剥落层进行清除。喷混凝土范围按2倍的坝高考虑,为30m,以延长两岸渗径,减小两岸绕渗。

2.复合土工膜选型

工程常用土工膜有聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)两种。PVC膜比重大于PE膜；PE膜较PVC膜易碎化；PE膜成本价低于PVC膜；两者防渗性能相当；PVC膜可采用热焊或胶粘,PE膜只能热焊；PVC膜和PE膜还有一个突出差别,就是膜的幅宽,PVC复合土工膜一般为1.5～2.0m,PE复合土工膜可达4.0～6.0m,相应地接缝PE膜比PVC膜减少1倍以上。而且,PE膜接缝采用热焊,施工质量较稳定,焊缝质量易于检查,施工速度快,工程费用低。PVC膜虽然可焊接,可胶粘,但胶粘施工质量受人为因素较大,大面积施工中粘缝质量较难控制,成本较高；采用焊接时温度控制很关键,温度较高易碳化,较低则焊接不牢。

在物理性能、力学性能、水力学性能相当的情况下,大面积土工膜施工,为减少接缝,确保施工质量,土工膜采用PE膜。根据工程类比,PE膜厚度选用0.5mm。

复合土工膜是膜和织物热压粘合或胶粘剂粘合而成,土工织物保护土工膜以防止土工膜被接触的卵石碎石刺破,防止铺设时被人和机械压坏,亦可防止运输时损坏,织物材料选用纯新涤纶针刺非织造土工织物,规格为200g/m2。复合土工膜采用两布一膜,规格为200g/0.5mm/200g。

鉴于坝体防渗需要全部由复合土工膜来承担,为了适应大坝未来较大的变形,土工织物采用长丝结构。为了减少接缝,降低大坝发生问题的几率,复合土工膜幅宽采用5m。

鉴于复合土工膜防渗系统对该工程安全的重要性,其指标应满足以下基本要求：断裂强度不小于26kN/m,断裂伸长率不小于65%,撕破强度不小于0.7kN,CBR顶破强力不小于6.0kN。此外,土工膜应具有较好的抗老化、抗冻性能。

3.复合土工膜施工注意事项

坝坡复合土工膜是由一幅幅土工膜拼接而成的,接缝多,因此施工很关键,施工质量是土工膜防渗性能好坏的一个决定性因素。复合土工膜的铺设要注意以下几点。

(1)复合土工膜施工前操作人员要经过上岗前的技术培训,培训合格后方可进行施工。

(2)土工膜由厂家运至仓库后,即作抽样检查,对不合格产品及时要求厂家更换。

(3)土工膜铺设前,清除坡面杂物等,将坡面夯拍整平。

(4)土工膜铺设时注意土工膜张弛适度,避免应力集中和人为损伤。要求土工膜与接触面吻合平整,防止土工膜折皱形成渗水通道的现象。

(5)土工膜接缝焊接前必须清除膜面的脏物保证膜面清洁,膜与膜接合平整后方可施焊。施工宜在室外气温5℃以上、风力4级以下、无雨雪天气。阴雨天应在雨棚下作业,以保持焊接面干燥。在爬行焊接过程中,操作人员要仔细观察焊接双缝质量,随时根据环境温度的变化调整焊接温度及行走速度。可先在试样上试焊,定出合理的工艺参数再正式焊接。正式焊接时对焊缝要仔细检查,主要看2条焊缝是否清晰、透明,有无气泡、漏焊、熔点或焊缝跑边等。不合格的要进行补焊。在焊接过程中和焊接后2h内,焊接面不得承受任何拉力,严禁连接面发生错动。

(6)膜、布的连接,要松紧适度,自然平顺,确保膜布联合受力。对焊接接头应100%检查,采用接缝充水或充气的方法检查。接缝强度不低于母材的80%。

(7)复合土工膜的铺设应自上向下滚铺。

(8)复合土工膜在坝顶上游侧墙及泄水涵洞的衔接处,应把复合土工膜裁剪成适合该角隅的形状,注意防止角隅处复合土工膜架空,不贴基面。

(9)尽量不在酷热天气、强阳光下铺设。铺设过程中,作业人员不得穿硬底皮鞋及带钉的鞋。

(10)为防止大风吹损,在铺设期间所有的复合土工膜均应用沙袋或软性重物压住,接缝焊接后把沙袋移压在接缝上,直至保护层施工完为止。当天铺设的复合土工膜应在当天全部拼接完成。复合土工膜完成铺设和拼接后,应及时(48h内)回填保护层。斜坡保护层应妥善保护,防止阳光直射复合土工膜或雨水冲刷保护层。

(11)铺设干砌石护坡时应采取可靠的保护措施,确保土工膜不受损坏。

7.2.4.6 坝的计算分析

1.渗流计算

(1)计算方法。渗流计算程序采用河海大学工程力学研究所编制的《水工结构分析系 统(AutoBANK v5.0)》。计算采用二维有限元法,按各向同性介质模型,采用拉普拉斯方程式,用半自动方式生成四边形单元,对复杂的剖分区域需要用若干个四边形子域拼接形成,划分单元对子域依次进行。

(2)计算断面。坝总长120m,选择河床最大断面进行渗流计算。上游正常蓄水位1962.60m,下游水位与地面平。

(3)基本参数选取。根据地质勘探资料,结合工程的材料特性,选用的坝身、坝基材料渗流计算参数见表7.2-2。

表7.2-2　李家龙潭水库坝身、坝基渗流材料计算参数表

(4)渗流计算成果及分析。渗流计算结果见图7.2-1及表7.2-3。

图7.2-1　李家龙潭水库渗流计算成果图(单位：m)

表7.2-3　李家龙潭水库二维渗流计算成果表

从渗流计算结果看：由于坝体采用复合土工膜,坝体浸润线位置均较低,对大坝稳定有利。坡脚处的最大渗透坡降为0.01,小于压实黏土的容许水力坡降建议值0.32,因此不会发生渗透破坏。(www.xing528.com)

2.坝坡稳定计算分析

该坝为4级建筑物。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)的要求及工程情况,大坝抗滑稳定应包括正常情况和非常情况,计算情况如下。

(1)正常运用条件。

1)水库水位处于正常蓄水位和设计洪水位与死水位之间的各种水位稳定渗流期的上游坝坡,规范要求安全系数不应小于1.25。

2)水库水位处于正常蓄水位和设计洪水位稳定渗流期的下游坝坡,规范要求安全系数不应小于1.25。

(2)非常运用条件。

1)条件Ⅰ。①本次加固对原坝体体型未改变,因此不再复核施工期的稳定；②水库水位的非常降落,每年灌溉期,库水位从正常蓄水位降落到死水位。

2)条件Ⅱ。正常运用条件遇地震的上下游坝坡,规范要求安全系数不应小于1.10。大坝按Ⅶ度地震设防。

稳定计算采用黄河勘测设计有限公司与河海大学工程力学研究所联合研制的《土石坝稳定分析系统r1.2》。该程序有规范规定的瑞典圆弧法和考虑条块间作用力的各种方法。计算方法采用计及条块间作用力的采用简化毕肖普法圆弧滑动。

简化毕肖普法公式见式(3.4-7)。

李家龙潭水库坝体和坝基材料强度指标见表7.2-4。

表7.2-4　李家龙潭水库坝体和坝基材料强度指标表

稳定计算成果见表7.2-5和图7.2-2。在上游坝坡铺设复合土工膜后,坝体浸润线降低,上下游坝坡在各计算工况下均满足抗滑稳定要求。

表7.2-5　李家龙潭水库坝稳定计算成果汇总表

图7.2-2　李家龙潭水库坝稳定计算成果图(单位：m)

3.复合土工膜的稳定分析

根据《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(SL/T225—1998),需验算水位骤降时,防护层与土工膜之间的抗滑稳定性,采用规范附录A中推荐的计算方法。计算采用极限平衡法。坝坡复合土工膜上面铺设了30cm厚的砂砾石和30cm厚干砌石,为等厚保护层,因此抗滑稳定安全系数可按式(3.4-8)计算。

根据工程经验,土工织物与砂砾石之间的摩擦角取26°。上游坝坡坡度为1:2.97。边坡计算的抗滑安全系数为1.45,边坡复合土工膜与砂砾石之间的抗滑稳定安全系数满足 《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)规定的4级建筑物骤降情况的安全系数1.25的要求。

复合土工膜直接铺设在主坝材料土坡上。土工织物与土的摩擦系数一般为0.43左右,取0.43计算；计算的土工织物与大坝边坡的抗滑稳定安全系数为1.27,安全系数满足规范要求。

为增强复合土工膜的抗滑稳定性,在高程1958.00m、1953.00m及坡脚设止滑槽。

李家龙潭水库的主要功能是灌溉,水位降落速度较慢,随着库水的降落,坝坡干砌石后的水位也会随之下降,对坝坡稳定不会造成危害。

增加止滑槽提高防渗结构的抗滑稳定性规范中有此规定,并且在已完工的除险加固工程中有所应用。如：义乌长堰水库为黏土斜墙坝,坝高37m,坝坡分3级,分别为1:1.5、1:2.6及1:2.8；采用复合土工膜防渗加固,设3道抗滑沟。

7.2.4.7 坝顶结构设计

原坝顶宽度2.8～4.3m,为了交通方便和坝体美观,本次设计将坝顶宽度统一定为4.0m。坝顶路面采用沥青路面,厚0.34m,其中,灰土基层厚0.3m,沥青碎石层厚0.04m。路面设倾向下游的单面排水坡,坡度为2%。

7.2.4.8 上游坝坡处理及设计

主坝上游坝面由于采用复合土工膜防渗,须对上游坝面进行清基,因此,与上游护坡改造相结合,统一考虑。

为了保证复合土工膜与坝体连接质量和避免其他材料对土工膜的破坏,上游坝面应清除干砌石护坡及其垫层,并应保持坝面平顺。

复合土工膜直接铺设在原坝坡上。土工膜上游面为防止波浪淘刷、风沙的吹蚀、紫外线辐射以及膜下水压力的顶托而浮起等,需要在土工膜上设保护层。保护层分为面层和垫层。保护层面层采用0.3m厚的干砌石,要求石料坚硬,抗风化能力强。保护层垫层采用0.15m厚的碎石料,粒径范围为10～40mm的连续级配。

7.2.4.9 下游坝坡处理及设计

现大坝下游坝坡变形严重,坡面遍布冲沟,且有滑坡堆积体,应对其进行整修。整修原则是在保证坝坡稳定的前提下,为了减少工程投资,原坝坡基本不变,仅对坝坡进行整修。现坝坡表面清除0.3m厚杂草等,其余整平碾压。整修后下游坝坡在1956.10m高程设一马道,宽2.0m,马道以上坝坡为1:2.9,以下至排水棱体间为1:2；排水棱体顶高程1949.30m,宽3m,以下坡度为1:1.5。

下游坝面采用草皮护坡。为了保证草皮护坡的成活率,在下游坝坡填筑垂直厚度0.3m厚的耕植土。

7.2.4.10 下游排水棱体设计

现下游坝脚排水棱体坍塌、脱落严重,需进行整修。将原排水棱体表面风化破碎的岩石清除,其余部分整平。为了保证排水畅通,在清除后的下游面,分别铺设垂直厚度0.2m的砂砾石、粗砂和0.4m厚的干砌石。

棱体排水顶高程与原设计相同,为1949.30m,顶宽3.3m,外坡1:1.5。

7.2.4.11 下游排水设计

李家龙潭大坝高度较低,仅在下游坝坡1956.10m高程马道和排水棱体顶部各设置1排纵向排水沟；在下游坝脚和两岸岸边连接处设计排水沟,以便收集下游坝坡和两岸岸坡雨水。下游坝坡排水汇入坝下游坝脚排水沟,形成完整的排水系统。下游坝脚的排水最终汇集到位于河漫滩最低处的渗流监测处,然后经渠流入下游河道。排水沟宽0.4m,深0.4m,采用浆砌石砌筑。

7.2.4.12 主要工程量

李家龙潭水库大坝加固主要工程量见表7.2-6。

表7.2-6　李家龙潭水库大坝加固主要工程量表

续表

7.2.4.13 大坝观测设计

1.监测设计原则

(1)突出重点、兼顾全局,即密切结合工程具体情况,以危及建筑物安全的因素为重点监测对象,做到少而精。同时兼顾全局,又要能全面反映工程的运行状况。

(2)由于该工程为已建工程,因此以外部变形和坝体渗流为主。监测项目的设置和测点的布设应满足监测工程安全资料分析的需要。

(3)对于监测设备的选择要突出长期、稳定、可靠。

2.监测项目选择

为确保大坝的安全运行,掌握大坝的工作状态,根据《土石坝安全监测技术规 范》(SL60—1994)要求,结合该工程的实际情况以及类似工程的经验,该工程设置了如下监测项目。

(1)坝体的水平位移和垂直位移监测。

(2)坝体的浸润线监测。

(3)坝基渗透压力和绕坝渗流监测。

(4)上下游水位以及气温监测。

3.大坝安全监测

(1)已有安全监测项目。李家龙潭水库无观测设施,未进行系统的详细观测。

(2)监测布置。

1)坝体的水平位移和垂直位移监测。外部变形监测是判断大坝是否正常运行的重要指标。根据该水库自身的特点以及运行情况,在坝顶平行坝轴线方向上布设1条测线,其位于坝顶下游侧,每条测线上每间隔30～40m设置1个测点。

另外,为监测坝体沉陷情况,布设坝顶位移测点兼顾沉陷监测,另在坝体下游马道上设1道水准测点。

2)坝体浸润线监测。对土石坝而言,坝体浸润线的高低是大坝稳定与否的关键,为监测坝体浸润线的分布情况,沿坝轴方向共布设两个监测断面进行监测。一个断面选择在最大坝高处,另一个断面位于输水隧洞处,每个断面布设3个测压管。

3)坝基渗透压力和绕坝渗流监测。绕坝渗流监测在左、右岸各设1排测压管。

4)渗流量监测。在坝体下游适当位置设置量水堰进行监测。

5)上下游水位监测。根据该水库目前现状,上游水位测点不好布置,经过认真考虑,拟在隧洞的竖井内布设1支水位计,通过水压力的变化来测定上游水位的高低。

4.监测工程量

李家龙潭水库大坝监测工程量表7.2-7。

表7.2-7　李家龙潭水库大坝监测工程量表