和平水库大坝工程特性及防渗性分析

和平水库大坝工程特性及防渗性分析

1水库枢纽工程和平水库是一座小水库。这是一项用于农业灌溉、防洪、市政供水、发电等综合用途的节水工程。水库于1976年9月开工扩建,1977年10月竣工。水库原设计按20年一遇洪水设计,200年一遇洪水校核。水库总库容512万m3,有效库容343万m3。枢纽工程由大坝、溢洪道、放水设施、电站等组成。大坝为粘土心墙土坝,最大坝高29.45m,坝顶长150m,坝顶宽2.0m,坝顶高程729.45m。大坝上游坡比为1∶2.6～1∶3.6,下游坡比为1∶2.4～1∶3.0。溢洪道布置于左坝肩山体上游隘口,堰顶高程723.5m,堰顶宽30m。放水设施布置于左坝肩山体,由斜式梯级进水口和输水平管组成;孔口及闸门均为混凝土结构;输水平管总长110m,为钢筋混凝土穿坝涵管。2水库主要工程地质条件及评价2.1心墙土料质量大坝原为坝高约14m的均质土坝,后培厚加高并设置粘土心墙而成,根据勘探成果,坝体填土为新坝壳填土、心墙和原坝体填土。心墙填土为粘土夹碎石,干～湿,硬塑～可塑状态,土质不均匀。碎石主要为紫红色泥岩,强风化为主,含量约30%;心墙填土粗颗粒含量约39%,粉粒含量22%,粘粒含量39.1%,心墙土料满足规范要求。根据土工试验成果,新坝壳土层、心墙土层和原坝体填土多呈饱和、硬塑～可塑状态;坝体填土压实不均匀,心墙填土整体为中等～高压压缩性土,新坝壳填土为中等压缩性土,原坝体填土属中等压缩性土,心墙、新坝壳填土、原坝体填土的压实度分别是93.6%～94.6%,92.6%,95.7%,《规范》要求是96%～98%。均达不到《规范》要求。浸润线以上新坝壳填土φ′=23.6°,C′=25kPa,心墙填土φ′=22°,C′=28.81kPa;浸润线以下新坝壳填土φ′=19.9°,C′=20.74kPa,心墙填土φ′=22.6°,C′=20.24kPa,浸润线以上各单元填土的物理力学性质要比浸润线以下的好。2.2渗透系数数据分析对坝体各填土层累计进行现场注水试验31段;土样室内渗透试验16组。根据钻孔注水试验成果,浸润线以上的新坝壳和心墙填土的渗透系数的大值平均值分别为1.29×10-3,2.69×10-3;浸润线以下新坝壳、心墙填土和原坝体填土的渗透系数的大值平均值分别为7.63×10-4,9.62×10-4,7.10×10-4。土样室内渗透试验成果,所有土样的渗透系数K值>10-4。因现场注水试验更具有真实性,故以现场注水试验成果作为坝壳和心墙渗透系数K值。根据规范判别,新坝壳土体、心墙土体、原坝体土体均属中等透水,不满足《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)要求的小于1×10-4。2.3下伏泥岩的沉积相根据钻孔揭露,由于清基不彻底,坝基底部残留一层厚1.3～3.6m的冲洪积含淤泥质粘土砂卵砾石层,该层上部淤泥质粘土含量比下部高,灰黑色,呈可塑～软塑状。下伏泥岩为灰绿色、灰黄色的中厚层～厚层夹薄层状,强～弱风化,泥岩物理力学性比较差,属软岩类。根据在坝基进行的现场注、压水试验结果,含淤泥质粘土砂卵砾石层和强风化泥岩,渗透系数K大值平均值分别为3.96×10-3,3.05×10-3,属于中等透水体。3水库渗漏安全评价3.1坝体填土渗透系数值大坝为粘土心墙土坝,因大坝没有设置测压管,而无实测浸润线资料。根据坝面变形调查和测量成果,桩号0+090大坝断面为最大断面,此断面坝体变形严重,下游坝坡720m高程以上已产生大面积凹陷,720m高程以下坡面发生多处隆起,使设置于720m高程的马道因受坡面隆起变形而几乎消失。因此,本次选择桩号0+090断面作为计算断面具有典型代表性。渗流计算所需的各坝体填土渗透系数值为:浸润线以上新坝壳和心墙填土分别为1.29×10-3,2.69×10-3;浸润线以下新坝壳、心墙填土和原坝体填土分别为7.63×10-4,9.62×10-4,7.10×10-4。3.2设计渗流方程据现场检查,大坝下游坝脚排水棱体完整,排水设施运行正常,计算时按有排水棱体的心墙坝渗流模型,采用有限单元法计算。渗透有限元分析基本方程:[K]{H}+[M](∂H∂t)={Q}根据《碾压式土石坝设计规范》,并结合大坝安全鉴定的要求,渗流计算考虑水库运行中出现的各种不利组合:(1)上游正常高水位与下游相应的最低水位;(2)上游设计洪水位与下游相应的水位;(3)上游校核洪水位与下游相应的水位;(4)库水位降落时对上游坝坡稳定最不利的情况。3.3国家大坝的浸渍线确定(1)选择桩号0+090断面作为计算剖面,根据计算成果绘制库水位724.35m时实测浸润线,同时绘制根据土工试验提供的渗透系数建议值计算得的相应库水位的浸润线(见图1),从图1看出,根据土工试验建议值计算得的浸润线与测压管实测浸润线基本吻合。采用反演的方法,调整各土层渗透系数,使得理论计算浸润线与钻孔实测浸润线相近,推求出各土层的综合渗透系数,以此作为坝体浸润线计算的依据;(2)和平水库大坝无实测浸润线,典型断面计算的最大渗压坡降在正常水位、设计水位和校核水位工况下均小于临界值,说明坝体渗流基本稳定;(3)虽然坝趾设有排水堆石棱体,设有反滤层保护,但局部反滤层已经破坏,或可能已被淤堵,大坝在渗流作用下可能会发生管涌、流土破坏。4水库抗滑稳定分析与评价4.1计算剖面和计算方法选择桩号0+090断面作为计算断面。计算方法采用北京理正软件的碾压式土石坝边坡稳定分析软件,按简化毕肖普法公式进行分析计算。4.1.1有效蓄洪期和水库水位下降期的压力法K=∑{[Cb+(W1+W2)+γwZb−ub)tgφ]1mθ}∑(W1+W2)sinβm0=cosθ+sinθtgθK4.1.2水库总供水能力在下降阶段K=∑{[Ccub+((W−u1b)tgφcu]1mθ}∑Wsinβmθ=cosθ+sinθtgθK4.2坝高上、下游坡稳定根据《碾压式土石坝设计规范》,结合大坝安全鉴定要求,大坝抗滑稳定分析计算考虑如下工况:(1)稳定渗流期:正常高、设计洪水水位时的上、下游坝坡稳定;校核水位时的上、下游坡稳定;库水位为坝高的1/3时的上游坝坡稳定;(2)库水位降落期:校核水位骤降至正常水位723.50m的上游坝坡稳定。4.3计算参数的确定根据勘探和土工试验成果,大坝稳定计算力学参数见表1。4.4坝坡抗滑稳定验算计算成果见表2,从表2计算结果表明:在大坝的最大断面0+090断面,其下游坝坡在校核水位、设计水位和正常水位的抗滑稳定安全系数分别为1.04,1.09,1.17,小于规范要求的最小值1.15,1.25,1.25,根据《水库大坝安全评价导则》之土石坝结构安全分级规定,和平水库大坝结构安全评为C级。5水库大坝除险加固根据和平水库大坝安全评价结论,大坝存在诸多安全隐患,水库处于病险状态,已严重影响水库的安全运行,大坝安全分类为“三类坝”,需对水库大坝进行除险加固。根据大坝存在的主要安全隐患,及和平水库实际情况,建议:①坝顶加宽及坝坡修整;②坝体加密及坝基防渗处理。5.1坝坡面排水系统由于原大坝坝顶宽度不足而高度有富余,可采取“削顶带帽”,将坝顶宽度增加到3.5m,坝顶公路采用混凝土路面。上游坝坡按1∶2.5修整放坡后采用混凝土护面,混凝土护面护至坡脚处并设防滑齿墙。下游坝坡按原坝坡进行修整,从上至下按1∶2.4,1∶2.5,1∶3.5放坡,并加宽原马道宽。在马道内侧设置横向排水沟,与坝肩处纵向排水沟构成完整的坡面排水系统。修整坝脚处排水棱体,更换其表层干砌石和上游侧反滤料。下游坝坡采用草皮护坡。5.2防渗灌浆处理根据坝体填土物理力学性状及渗流计算成果,为提高坝体的密实度及防渗性能,建议采用高压摆喷灌浆的方案对大坝防渗心墙进行灌浆处理,灌浆高程范围为坝顶往下至岩土分界线以下1m。对坝基进行防渗帷幕灌浆处理。帷幕灌浆钻孔轴线与坝体摆喷灌浆孔轴线相同。防渗帷幕灌浆,上灌至岩土分界线,下灌至5Lu线以下3m,并与