浅谈某水库除险加固设计 10页

浅谈某水库除险加固设计摘要：针对某水库存在的问题,在水库渗流、大坝稳定、泄洪能力等计算分析的基础上，进行了加固设计。通过加固处理，确保了该水库工程加固质量，实现了水库功能的正常发挥。关键词：病险水库；除险；加固设计一、工程概述某水库位于广西钦州市风景区境内，水库坝址以上集雨面积33.16km?,水库总库容1620万m?,于1958年9月动工兴建,1963年7月建成。主要建筑物由大坝、溢洪道及输水涵管组成。1980年新建了输水隧洞和坝后一座装机容量为2X125kw水电站。是一座以灌溉、防洪为主,兼有发电、供水和旅游观光等综合效益的屮型水库。水库运行至今已50年，水库存在较多安全隐患。2008年12月，广西水利厅组织专家对该水库进行安全鉴定。鉴定该水库大坝为“三类坝”。二、工程存在问题(1)大坝两岸山体由于开挖边坡较陡，经雨水长期冲刷出现较多崩塌；大坝上游干砌石风化严重，排水沟堵塞；下游坡沉陷，排水沟堵塞，杂草从生，坝体多处有蚁穴、鼠洞存在。排水棱体块石风化严重，局部有架空现象；坝顶有不同程度的沉降，防浪墙局部损坏。(2)大坝清基不彻底，防渗处理及心墙土料防渗性能不满足规范要求，心墙下游反滤过渡层设量高度不够，下游存在散浸和集中渗漏现象。n(1)大坝填土压实度为90%,不满足国家现行规范要求，坝体填土渗透系数大值平均值为3.25X10-?cm/s,粘土心墙渗透系数大值平均值为2.68X10-?cm/s,属于屮等透水。(2)正常溢洪道两侧翼墙及边墙多处发生倾斜、开裂，翼墙及边墙稳定不满足规范要求；底板开裂严重；消力池和尾水渠防洪堤多次遭到水毁，影响大坝安全。(3)输水隧洞进口边坡有裂缝，伸缩缝止水老化，洞身混凝土老化严重，存在蜂窝、钢筋裸霧现象。空蚀、渗水现象严重，隧洞闸门年久失修，锈蚀，变形严重，闸门漏水严重，启闭机老化，不能正常工作。(4)大坝安全监测和水文测报设施不完善，管理设施陈旧落后，防汛抢险道路不通。三、工程加固设计(-)大坝1•渗流分析与防渗加固设计(1)渗流分析。渗流计算分析采用二维有限元法，计算程序采用《理止渗流分析软件》。根据大坝原竣工图，并结合原施工、运行状况及地质条件，选取最大坝高剖面作为渗流分析对象。计算剖面的材料分区为：坝基风化岩体、岩体、坝基砂砾石层、坝売砂石料和心墙黏土料、混凝土防渗墙等。根据原大坝设计、安全鉴定阶段及本次加固设计的补充地勘成果,并参照国内己有的类似土石坝确定计算采用参数值。经分析，库水位降落时，由于坝壳料透水性较好，•且库水位降落速度n较慢，坝壳中浸润线与库水位基本同步下降，故确定计算工况为：①水库上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；②水库上游设计水位与下游相应的最高水位；③水库上游校核洪水位与下游相应的最高水位。本文针对3种工况对大坝进行渗流分析。为比较人坝防渗加固效果，分别对防渗加固前后各种工况下人坝渗流状况进行了分析。分析成果见表1。表1大坝渗流有限元计算成果（2）大坝防渗加固设计。大坝防渗加固选择混凝土防渗墙+左坝肩帷幕灌浆和高喷防渗墙+坝基帷幕灌浆两个方案。经综合比较工程量、施工工艺等，确定釆用混凝土防渗墙+左坝肩帷幕灌浆进行防渗加固处理设计方案。混凝土防渗墙采用冲击钻或抓斗依次造孔，以泥浆固壁形成完整的孔槽，在杷j孔中浇筑混凝土，最后形成一道连续的混凝土防渗墙。防渗墙厚度主要由结构强度、抗渗强度、耐久性及施工条件等确定。防渗墙墙体截面主应力应满足：式中，M为弯矩；W为截面模量，B2/6；N为竖向力（包括竖向水压力、土压力和墙体自重）；F为截面积，取单宽计算时F二B；。①为渗透上托力;。1,2分别表示受压区、受拉区的应力；［。］为规范允许应力。防渗墙墙厚t应满足：t$H/［J］（2）式中，H为上下游水头差；［J］为防渗填料允许水力梯度。根据计算成果和施丁丁艺，防渗墙施T要求为：①防渗墙混凝土厚度为60cm；②混凝土防渗墙抗压强度R28^15MPa,弹性模量小于20000MPa,n抗渗等级为W8；③防渗墙混凝土配合比由试验确定；④混凝土防渗墙坝基入岩深度，强风化时不小于2叭弱风化时不小于1叽2.坝坡稳定分析与加固设计(1)计算基本条件。①计算剖面。根据原设计报告，结合施工、运行状况及地质条件，选定最高坝体剖面为典型计算剖面进行稳定分析，与渗流计算剖面相同。②计算参数。为了查明坝体填筑质量，验证岩土物理力学参数和工程地质条件，进行了勘探钻孔取样和岩上物理力学性能试验。根据安全鉴定和本次除险加固设计阶段的岩土物理力学性能试验成果，结合原设计参数取值，并考虑坝体各部位填筑施工质量，综合选定计算参数。坝体砂砾料抗剪强度取值，考虑到坝壳砂砾石料为无黏性土，根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),采用线性和非线性两种抗剪强度指标，以利于坝体稳定对比分析。(2)计算工况及安全标准。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),大坝稳定分析内容包括稳定渗流期的上、下游坝坡和水库水位降落期的上游坝坡。大坝稳定计算工况及安全系数见表20表2坝坡稳定计算丁况及安全标准(3)计算方法和程序。大坝坝坡抗滑稳定分析采用计及条间作用力的简化毕肖普法。依据中国水利水电科学院编制的土质边坡稳定分析程序STAB-95,可进行土石坝坝体和坝坡的施工期、正常蓄水期、库水位降落、地震等工况的有效应力分析或总应力分析及水位骤降时的总应力分析，采用此程序对大坝坝坡抗滑稳定进行分析计算。(4)稳定计算成果分析。大坝坝坡抗滑稳定分析计算成果见表3on表3大坝坝坡抗滑稳定计算成果加固后大坝坝坡最小抗滑稳定安全系数满足规范要求。坝坡加固设计。加固处理方案比较了将大坝上游坝坡削坡放缓、坝顶下移、下游帮坡与上游坝坡现浇15CH1厚C20混凝土护坡两个方案。经过综合比较，选定上游坝坡采用现浇15cm厚C20混凝土护坡（死水位以下抛石护脚）加固设计方案。①上游坝坡加固设计。在原「砌右护坡基础上设置混合砂砾找平层，再现浇15cm厚C20混凝土护坡，护坡范围由水库死水位高程护至坝顶，死水位高程以下采用抛石护脚，左右坝肩设0.3X0.4m排水沟。②下游坝坡加固设计。由于原下游坝坡局部塌陷，坡面凹凸不平，草皮护坡质量差，局部坝坡填土裸露，因此拟对下游坝坡设计坡比为1：2.5O高程82.Om处设马道,宽2.Om,在马道内侧设0.3X0.4m排水沟，在左右坝肩设0.3X0.4m排水沟。下游坝坡按1：2.5修整后，种植优质草皮护坡（马尾拉草）。坝脚堆石排水棱体将表面风化砌石拆除后再回砌至原貌，排水棱体顶增设20cm厚C20混凝土压顶。（6）坝顶加固设计。坝顶设计考虑景观要求，防浪墙采用型结构C20混凝土挡墙，宽0.4米，高0.8米，在坝顶上游侧防浪墙上设不锈钢护栏；坝顶宽为6.80m,fy车道宽6.00m,C25混凝土路基沥青路面；坝顶下游侧设C20混凝土路缘石，宽0・4m,高0.5m,路缘石上设不锈钢护栏。（二）溢洪道溢洪道总体布置和泄流能力均不变，针对进口段、控制段、泄槽段、消力池段和尾水渠段存在的问题进行加固设计。n进口翼墙为贴坡式挡土墙。根据有关地质资料确定的计算?数，填土内摩擦角取32。，基底摩擦系数f取0.50o复核计算成果见表4。从表4可以看出正常和设计洪水计算工况翼墙抗滑和抗倾覆稳定均不满足要求。表4进口左翼墙复核计算成果注：木阶段考虑6种工况进行翼墙稳定分析。①工况1：墙前无水，墙后排水至第一排水孔位置；②丁况2：墙前正常水位，墙后排水失效，按满水考虑；③工况3：墙前设计水位，墙后排水失效，按满水考虑；④工况4：墙前校核水位，墙后排水失效，按满水考虑；⑤工况5：墙前设计或校核洪水骤降，墙后排水失效，按满水考虑；⑥工况6：墙前设计或校核洪水骤降，墙后排水有效，按半水考虑。前3种工况为基本组合，后3种工况为特殊组合。当合力偏心距超过允许值时，omax应重新计算。(1)进口段加固。进口翼墙拆除重建，按基本和特殊组合计算并确定满足抗滑稳定、抗倾覆稳定和基面应力要求的贴坡式挡土墙结构。(2)控制段加固。主要是根据混凝土裂缝和碳化情况对原边墙和交通拱桥结构进行处理，更换橡胶坝。对混凝土裂缝进行凿槽嵌缝处理,回填环氧砂浆，再进行化学灌浆处理。对交通桥、闸墩老混凝土表1佃用砂子打毛，涂抹lOnrni厚的丙乳砂浆饰面。(3)泄槽段加固。主要是底板现浇筑25cm厚聚丙烯纤维混凝土。对原结构混凝土裂缝回填环氧砂浆或布设跨缝限裂钢筋；新老混凝土结合面凿毛、涂刷界面粘结胶并布设①16锚筋；布设一层①20@20和①6@20钢筋网；结构分缝与原底板一致，设止水铜片、沥青嵌缝。(4)消力池段加固。扩大消力池范围，采用0.8m厚C20钢筋混凝土n透水底板，排水孔直径为5cm,消力池与尾水渠设1：3坡连接；两侧边墙采用混凝土贴坡式挡墙，墙顶与非常溢洪道出口溢流面相接，墙身设排水孔，左侧墙顶设截水沟。（5）尾水渠段加固。针对不能满足设计流量600m3/s要求问题，对桩号0+131.75〜0+171.75m段进行全断面50cm厚浆砌块石护砌,末端设2m深的防冲槽；桩号0+171.75〜0+726.12m段左侧采用1：1坡比50cm厚浆砌石护岸。（三）输水隧洞输水隧洞进口边坡冇裂缝，伸缩缝止水老化，隧洞衬砌混凝土强度大部分为C15,洞身混凝土老化严重，不满足设计耍求，存在蜂窝、钢筋裸露、结构缝普遍严重渗水、多处冲蚀、破坏严重等缺陷。对原结构进行了复核计算，研究了输水隧洞加固设计方案。（1）原结构复核。①计算荷载。基本荷载为I韦I岩压力、I韦I岩抗力、衬砌自重、正常水位及调压井中产牛最高涌浪时洞内静水压力或设计洪水位时洞内静水压力、稳定渗流情况下的地下水压力；特殊荷载为校核水位时的内外水压力。②荷载基本组合。衬砌自重+正常蓄水位下的内外水压力+围岩压力+围岩抗力；衬砌自重+考虑水击压力（此时最大内水压力33.2m）的内外水压力+|韦I岩压力+|韦|岩抗力。荷载特殊组合为衬砌自重+校核水位时内外水压力+围岩压力+围岩抗力。③计算参数。钢筋混凝土衬砌容重取25kN/m3,外水头折减系数取0.6,围岩按II［类考虑，岩石容重取26.n5kN/m3,岩石坚固系数取3.0,单位岩石抗力系数取2kN/cm3,衬砌内径2.0m,混凝土衬砌厚度30cmo采用边值法対洞身结构进行复核计算的结果表明，木工程输水隧洞属小偏心受拉构件，150号混凝土强度基本满足要求，最大裂缝宽度超过0.3mm,混凝土衬砌抗裂性能不满足规范要求。（2）输水隧洞加固设计。对于输水隧洞拆除重建与增设混凝土衬砌两个方案。根据工程实际情况进行可行性和经济比较，并进行结构计算分析方案比选，确定满足要求的采用的新增一层C20钢筋混凝土衬砌方案进行加固。混凝土衬砌厚25cm、布设①20@20（分布筋①14）结构钢筋，新老衬砌混凝土间布设长2.5m间排距为2m的①22锚筋、拱顶中心角120°范围冋填灌浆，按洞长每6m布设结构缝，分缝设铜片止水。输水隧洞进口钢桁架交通桥、检修平板钢闸门和出口弧形工作钢闸门全部更新，对闸门门槽埋件进行局部维修处理。四、工程加固效果分析（一）工程质量检测2011年6月工程加固开始施工后，项目法人委托广西水科所实验屮心对大坝防渗墙、基础帷幕灌浆、大坝护坡预制块、溢洪道泄槽与消力池和尾水渠混凝土、输水隧洞衬砌混凝土、输水隧洞锚杆和防汛公路混凝土等进行了检测。检测结论为：工程质量满足设计要求。项目法人委托广西水利机电检测部门对水库输水隧洞进出口闸门等金属结构工程几何尺寸及制造组装偏差、焊缝内部质量、门体及埋件的喷锌丿孚度进行了检测。检测结论为：该水库输水隧洞进出口闸门的制作质量符合要求。n（―）防渗墙加固效果（1）墙体检查。混凝土浇筑28d后，在桩号0+133.5m墙体布检查孔,孔径91mm,钻孔取出的芯样较完整。対该孔进行3次现场注水试验。结果为:第一次孔深0〜5m,渗透系数1.08X10-7cm/s,第2次孔深0〜15m,渗透系数0.92X10-7cm/s,第3次孔深0〜23.5m,渗透系数0.78X10-7cm/so均满足设计要求（设计值为K