水库主坝存在的问题及防渗加固设计
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【摘 要】坝体渗漏和裂缝是水库大坝运行过程中常见的质量通病，若不进行有效的防渗加固处理，则会影响到水库的质量安全。为此，本文结合工程实例，分析了水库主坝加固前的状况及存在的问题，重点就水库主坝防渗加固工作进行探讨，可供类似防渗加固工程参考。
【关键词】水库；基础处理；坝坡设计；防渗加固
水库作为水利工程基础设施建设中的重要组成部分，是拦洪蓄水和调节水流的水利工程建筑物，主要担负着防洪、发电、灌溉和供水等重任，在促进城市经济发展方面具有重要的作用。但由于我国大多数水库使用年限较长，加上受到地质条件、施工和人员操作等因素的影响，水库主坝坝体时常会出现渗漏和裂缝等质量通病，如不进行合理的控制和防范，不仅会影响到水库功能的正常发挥，严重情况下很可能导致人员的伤亡和财产的损失。因此，水库应对出现质量通病的坝体进行防渗加固处理，确保水库的质量安全。
1.工程概况
某水库是一座以防洪为主，兼顾养殖、灌溉和防洪等功能的中型水库，坝顶长度为115.00m，宽度为7.00m，坝顶高程为235.31m，最大坝高50.00m，坝顶设高1.00m的混凝土防浪墙，采用人工堆石、定向爆破堆石和含砾砂粉质粘土作为坝体。
2.主坝存在的问题
主坝填筑压实度与防渗体系达不到现行规范要求，并造成坝体沉降量大和多次出现裂缝，工程质量不合格。主坝防渗体系存在缺陷，斜墙填筑质量差，渗透性偏大，过大沉降产生的横向裂缝可能进一步削弱了斜墙的防渗功能；左、右坝肩存在绕坝渗漏接触带渗漏；主坝渗透稳定性不满足要求。
坝体变形量大，最大累计沉降量达829mm，最大沉降率为1.86%，远超过一般经验和规范要求，运行中曾出现严重裂缝尤其是出现过与坝轴线斜交裂缝，存在一定的安全隐患，而且水库一直限制低水位运行，未经受高水位考验；下游坡偏陡，其抗滑稳定安全系数不能满足规范要求，主坝上游采用草皮护坡，不符合规范要求，主坝结构不安全。
监测设施落后、不完善，监测布置不合理，监测手段落后。主坝存在蚁害隐患。
水库拦河坝存在病险与安全隐患，属“三类坝”。
3.主坝防渗加固设计
3.1 主坝防渗加固方案的选择
考虑到兴建工程时的特殊历史情况和长期运行中所出现的问题，水库主坝目前存在诸多安全隐患问题，主坝防渗体存在质量问题，粘土斜墙以及粘土斜墙与坝基接触段存在渗漏和渗透变形，需进行防渗加固处理。主坝防渗加固处理的目的是截断坝体和接触段的渗漏通道。针对工程特点和存在的问题，提出了对主坝进行除险加固处理的多个方案，通过钢筋混凝土面板防渗加固方案和沥青混凝土面板防渗加固方案等多方案的综合技术、经济比较后，选用钢筋混凝土面板防渗加固方案。
3.2 主坝结构设计
鉴于混凝土面板对变形的敏感性较强，而原人工堆实体和爆破堆石体未经碾压，弹性模量较小，受力后变形较大，而面板堆石坝主堆石区为坝体的主要支承体，面板受水压作用后，大部分的力通过主堆石区传递至坝基，因此为减少变形，对部分人工堆实体和爆破堆石体予以挖除，重新填筑主堆石区。
首先挖除高程230.31m以上坝体结构、原上游坝面的粘土斜墙、原反滤层和原部分人工堆石、部分爆破堆石，开挖后上游坝坡为1：1.3，开挖后河床段上游坝脚距离坝轴线（原坝顶中心）距离为55.00m。坝面防渗采用新建钢筋混凝土面板防渗。在开挖面上游侧分区填筑，分层碾压，自上游至下游依次分为3个主要填筑区：垫层区（2A区，水平宽度2.00m）、过渡区（3A区，水平宽度5.50m）、主堆石区（3B区）。另在面板周边缝附近设置特殊垫层区（2B区）。下游坝坡设坡面处理区。
3.3 主坝基础处理
趾板范围内所有地质钻孔必须进行封孔，孔口高程低于正常蓄水位的钻孔须全孔封堵，孔口高程高于正常蓄水位的钻孔，封口高程为233.51m。为减少地基沉陷和坝基渗漏，趾板基础要求置于弱风化基岩上。对趾板基础进行固结和帷幕灌浆，固结灌浆孔为两排，排距3.0m、孔距3.0m，建基面以下孔深5.0m；防渗帷幕孔一排，帷幕孔距2m，孔深要求深入相对不透水层（透水率≤3Lu）以下5.0m，左岸帷幕延伸到正常蓄水位与相对隔水层线相交处，右岸帷幕延伸到与副坝左岸防渗帷幕相连接。为防止趾板在基础灌浆时被抬动，趾板基础设有锚筋，锚筋间距为1.50m×1.50m，伸入基岩内2m。通过趾板的断层需按其破碎带宽度的1.5倍深挖，回填C15混凝土处理并向下游延伸5m。
3.4 主坝下游坝坡设计
3.4.1 安全鉴定坝坡稳定分析情况
安全鉴定时下游坝坡稳定分析选择主坝最大坝高断面进行分析，分析方法采用简化毕肖普法进行分析计算，滑裂面为圆弧，材料抗剪强度采用有效应力抗剪强度指标和总应力抗剪强度指标，根据计算得出下游坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.16，不满足规范要求。
3.4.2 下游坝坡坡度的确定
（1）下游坝坡稳定计算方法
根据《碾压土石坝设计规范》（SL274-2001）第8.3.4条的规定：“面板堆石坝的粗粒料（堆石体）应采用非线性抗剪强度指标进行稳定计算”。对于粗粒料，内摩擦角随法向应力增加而减少，呈现明显的非线性现象，即抗剪强度是小主应力的函数，在靠近坝坡面的小应力部位抗剪强度或内摩擦角较高，在靠近坝底的高应力部位抗剪强度或内摩擦角较低，但由于目前采用非线性计算的工程还比较少，经验还不多，规范没有规定采用非线性抗剪强度指标的稳定安全系数标准。
根据《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228-98）第5.3.1条的规定：“混凝土面板堆石坝坝坡参照已建工程选用，一般可不进行稳定分析，当存在下列情况之一时，须进行相应的稳定分析：①坝基有软弱夹层或坝基砂砾石层中存在细砂层、粉砂层或粘性土夹层；②坝址位于地震设计烈度8、9度的坝；③施工期堆石坝体过水或堆石坝体用垫层挡水度汛、且挡水水深较高时；④坝体用软岩堆石料填筑；⑤地形条件不利”。考虑到本工程趾板基础考虑座落于基岩上，其余坝基表层土均予以挖除，爆破堆石和人工堆石均未进行碾压，故对下游坝坡进行坝坡抗滑稳定分析。 下游坝坡抗滑稳定计算采用简化毕肖普法，滑裂面采用折线，选取大坝最大断面进行计算。简化毕肖普法按下式计算：
（4）下游坝坡保持不变的可能性
下游坝坡保持不变下游坝坡计算结果见表2。
表2 下游坝坡保持不变抗滑稳定安全系数计算成果
由计算结果可知，在下游坝坡保持不变时工况一、工况二条件下下游抗滑稳定安全系数均不满足规范要求，因此下游坝坡保持不变是不可能的，须对下游坝坡进行放缓处理。
（5）下游坝坡坡度的确定
常规混凝土面板堆石坝坝体堆石料经过碾压后坝坡一般采用1：1.3或1.4，本工程坝体堆石料为爆破堆石和人工堆石均未进行碾压，坝坡须适当放缓，参照已建类似工程经验并结合布置要求，将下游坝坡放缓至1：1.5，即对原下游一、二级马道以上坝坡进行放缓坝坡处理：坝坡与原二级马道以下坝坡一样，均放缓至1：1.5（以下游二级马道下游边为基准，在高程216.31m、225.31m处各设一级宽2.00m的马道）。即以下游二级马道下游边为基准，在高程216.31m、225.31m处各设一级宽2.00m的马道，一、二级坝坡均放缓至1：1.5，高程216.31m以下坝坡保持不变。
对下游坝坡放缓后的抗滑稳定进行计算，确定其合理性。
下游坝坡放缓后下游坝坡计算结果见表3。
根据计算成果表明，下游坝坡放缓后下游坝坡抗滑稳定性均满足规范要求，且在正常运用条件工况二（设计洪水位时）略大于规范要求，仅仅大了0.005，因此表明下游坝坡放缓至1：1.5是合理的，也是经济的，不可能再加陡。
4.结语
水库主坝坝体的防渗加固质量的好坏直接影响到水库的正常运作。因此，应根据水库的地质条件，选择合理的、经济的防渗加固处理方案，同时还应提高管理人员的操作水平，加强施工质量评定工作的力度，以确保水闸工程的质量安全。
本工程防渗处理结果表明，钢筋混凝土面板防渗方案具有防渗可靠、安全度高和经济性高等优点，能够从根本上治理水库坝体的病害，具有良好的应用前景。
参考文献：
[1] 林尤坚.探讨水库大坝防渗加固技术[J].城市建设理论研究.2012年第28期.
[2] 陈思东.坑内水库大坝防渗加固设计探讨[J].科技与企业.2012年第15期.
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