水库坝坡稳定性及防渗加固方案分析.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER109第 40卷第 4期0 引言水库作为重要的水利工程，其坝坡稳定性和防渗问题直接关系到周边环境和人民生命财产的安全。石水坑水库作为汕头市潮阳区的重要水源工程，其坝体的稳定性和防渗能力的保障尤为关键。随着时间的推移，水库护面可能出现裂缝、沉陷，大坝背水坡排水不畅，渗漏等问题，将会影响水库大坝的运行安全。通过综合分析，提出有效的加固方案，以确保水库在面对各种工况时保持稳定，并有效地抵御水土流失。1 工程概况石水坑水库位于汕头市潮阳区西胪镇内輋村，距西胪镇中心约 8 km。该水库于 1964 年 3 月竣工投入使用，是一项以防洪为主，同时兼具灌溉等综合利用功能的小型工程。它承载着 400 亩农田的灌溉任务，守护着 8 000 人口和 800 亩耕地的人民生命和财产安全。水库的主坝是一座均质土坝，长度达到 111.5 m，最大坝高为 12 m，坝顶宽度为5.1 m。目前，坝顶路面的高程为 254.8 m，而防浪墙的顶部高程则为 255.2 m。坝顶道路凹凸不平，水库坝坡稳定性及防渗加固方案分析吴鑫敏（河南省水利勘测设计研究有限公司汕头分公司，广东 汕头 515000）摘要：针对石水坑水库的坝坡稳定性和防渗加固问题展开研究，通过对水库大坝的迎水坡与背水坡现状、坝体可能存在渗漏和压实性较差等分析，揭示了存在的安全隐患和加固需求。此次设计了灌浆加固、护面修复等加固方案，并采用水工结构有限元分析系统（AutoBANK）的程序进行计算，对不同工况下的稳定性进行分析，选定了计算断面和工况，对加固方案的可行性与效果进行了分析。研究结果表明，加固方案在提升水库坝坡稳定性和防渗效果方面具有显著成效，为水库的安全运行提供了科学依据。关键词：水库；坝坡稳定性；防渗加固；可行性与效果中图分类号：TV698.2+3文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)04-0109-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.04.026Analysis of Reservoir Dam Slope Stability and Anti-seepage Reinforcement PlanWU Xinmin(Henan Water&Power Engineering Consulting CO.,Ltd,Shantou Branch,Shantou 515000,China)Abstract:This study focuses on the stability and anti-seepage reinforcement of the dam slope of Shishuikeng Reservoir.By analyzing the current situation of the upstream and downstream slopes of the reservoir dam,as well as the possible leakage and poor compaction of the dam body,the existing safety hazards and reinforcement needs were revealed.This paper designs reinforcement schemes such as grouting reinforcement and protective surface repair,and uses AutoBANK program for calculation to analyze the stability under different working conditions.The calculation section and working conditions are selected,and the feasibility and effectiveness of the reinforcement scheme are analyzed.The research results indicate that the reinforcement scheme has significant effectiveness in improving the stability and anti-seepage effect of the reservoir dam slope,providing a scientific basis for the safe operation of the reservoir.Keywords:reservoir;dam slope stability;anti-seepage reinforcement;feasibility and effectiveness收稿日期：2023-08-31作者简介：吴鑫敏（1995-），女，广东汕头人，助理工程师，主要从事水工建筑物等相关水利设计工作。*110云南水力发电2024 年第 4 期且坝顶两侧的乔木和灌木等植物需要进行迁移，以保证坝顶的稳定性。迎水侧的防浪墙目前仍然保持良好，没有受到明显损坏1。水库的迎水坡坡比为 1 2.5，表面由混凝土护坡构成。在现场勘测中发现，迎水坡的部分护坡面存在着不规则的裂缝，少数区域还出现了沉陷现象，并有杂草从分缝处生长出来。背水坡的现状为坡比 1 2.5，表面长满了杂草，坡脚有干砌石贴坡排水。经过现场调查发现，干砌石贴坡排水内部已经被土体堵塞，排水系统也因此受损严重。此外，通往副坝的新建防汛路，路面由土路组成，宽度为 3 m，长度为 73 m。副坝同样是一座均质土坝，长度为 52 m，最大坝高为 4.1 m，坝顶宽度为 4 m。现状下副坝的坝顶路面高程为254.68 m，坝顶同样也由土路面构成，而且路面上坑坑洼洼，凹凸不平。尽管迎水侧的防浪墙还保持良好，但局部区域的表面纸皮砖却有脱落现象。2 大坝坝体现状与难点分析石水坑水库作为一个小（2）型工程，主要用于防洪和灌溉等综合利用。主坝全长 111.5 m，最大坝高 12 m，坝顶宽 5.1 m，主要由均质土坝构成。副坝则长度为 52 m，最大坝高 4.1 m，坝顶宽4 m。水库承担了人民生命财产的保护职责。2.1 迎水坡护坡状况与问题迎水坡的坡比为 1 2.5，表面采用混凝土护坡。然而，在现场踏勘中发现，迎水坡的部分护坡存在不规则裂缝，并出现了少部分的沉陷。此外，分缝处还有杂草生长，可能会影响护坡的防渗性及稳定性安全2。2.2 坝顶及坝体现状问题分析主坝为均质土坝，长度为 111.5 m，最大坝高 12 m，坝顶宽为 5.1 m，现状坝顶路面高程为254.8 m，防浪墙顶高程为 255.2 m，现状防浪墙目前处于完好状态，没有损坏。这是一个重要的保护措施，可以对洪水的冲击起到缓冲作用，用于减轻大坝受到的风浪冲击，保护坝体安全。坝顶为土路面，坝顶路面坑坑洼洼，凹凸不平，坝顶左右两边乔木、灌木等树木进行迁移。根据工程地质勘察报告，现场注水试验成果可知，坝体填筑土层的渗透系数范围值为8.7610-5 cm/s 1.2910-4 cm/s，平均值为 1.09 10-4 cm/s，最大值 1.2910-4 cm/s，大多为弱透水性，局部为中等透水性；其室内渗透试验成果显示，填筑土层渗透系数范围值为 7.7110-5 cm/s 1.0510-4 cm/s，平均值为 9.1110-5 cm/s，最大值 1.0510-4 cm/s，大多为弱透水性，局部为中等透水性。砂质黏性土现场注水试验成果的渗透系数为 1.4610-4 cm/s，属中等透水层；根据室内渗透试验成果显示，砂质黏性土层渗透系数范围值为8.1410-5 cm/s 1.3210-4 cm/s，属弱中等透水层。强风化花岗岩层的渗透系数为 1.6510-4 cm/s 2.3310-4 cm/s，属中等透水层。结合现场注水试验及室内渗透试验成果，水库现场注水试验后坝体渗透系数范围值大于110-4 cm/s，不满足 SL1892013小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则规定的“均质坝渗透系数不大于 110-4 cm/s”的要求。勘察现场采用环刀法对坝体表层填筑土进行土地压实度测试，场地压实度为 90.10 91.50，不满足小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范5.2.3 条规定，压实度为 95%97%，现场判定坝体填筑土压实性较差。2.3 背水坡现状坡比为 1:2.5，表面为杂草丛生；坡脚有干砌石贴坡排水。经现场调查发现，背水坡干砌石贴坡排水内部被土体堵塞，已破损不堪。3 加固方案的重点3.1 迎水坡加固重点3.1.1 处理裂缝与沉陷位置加固难点对于水库迎水坡混凝土护面上存在的裂缝和沉陷问题，需要采取一系列措施来解决。首先，必须进行详细的调查和评估，以了解裂缝和沉陷的程度以及影响范围。这一步骤十分关键，因为只有准确了解了问题的实际情况，才能制定出切实可行的解决方案3。对于混凝土护面存在裂缝的部分，可以考虑采用注浆技术来进行修复。注浆是一种将特定材料注入裂缝中，使其充填并固化的方法。在这里，可以选择适合的注浆材料，如水泥浆或聚合物浆料，根据裂缝的宽度和深度进行填充。注浆材料的固化后将填补裂缝，保护了水库坝体不受水流冲刷和波浪侵蚀，同时还能增加坝体的稳定性和吴鑫敏 水库坝坡稳定性及防渗加固方案分析111整体美观度。对于混凝土护面存在沉陷的区域，拆除后重新修复原有混凝土护坡。在对水库的混凝土护坡进行设计时，可以采取一系列措施来保障其稳定性和耐久性。针对混凝土护坡，可以从表面修复和强化两个方面入手。首先，进行彻底的表面清理工作，清除护坡表面的杂草、杂物以及附着的污垢。这一步骤的目的是为后续的修复和强化工作提供清洁的工作环境，确保操作的顺利进行。对护坡表面上存在的裂缝进行处理。通过仔细的裂缝检查，可以确定每个裂缝的尺寸、形态以及位置。对于较小的裂缝，可以采用填缝材料进行填充，以消除裂缝带来的不稳定因素。对于较大或深度较大的裂缝，可能需要进行更加细致的处理，如进行切割和填充以保障修复效果。在裂缝处理完成后，进行缝隙修补工作。将护坡表面的小孔、裂缝以及不平整的部分填平，以保证护坡表面的整体平整。这对于后续的抹面工作和整体稳定性都具有重要意义4。进行混凝土抹面。混凝土抹面是指在护坡表面涂覆一层混凝土，以增强护坡的抗侵蚀和抗冲刷能力。混凝土抹面能够有效地保护护坡表面，防止水流侵蚀和土壤侵蚀。此外，混凝土抹面还可以提升护坡的整体美观度，为水库周边环境增色不少5。3.2 坝顶及坝体加固重点3.2.1 大坝灌浆技术难点由于水库渗透系数较大，为解决水库防渗及压实等问题，大坝采用灌浆等技术进行处理，提高了大坝坝体填土的压实度、减小渗透系数、增强抗渗能力，确保工程的安全性。本次选以下 4种防渗方式进行比选。1）劈裂灌浆。土坝坝体劈裂式灌浆是运用坝体应力分布规律，用一定的灌浆压力，将坝体沿坝轴线方向劈裂，同时灌注合适的泥浆，形成铅直连续的防渗水泥墙，从而堵塞漏洞、裂缝或切断软弱层，提高坝体的防渗能力，并通过浆、坝互压和湿陷，使坝体内部应力重分布，提高坝体变形稳定性。针对裂缝的局部灌浆，在可能有裂缝的区域，均匀布置类似固结灌浆的灌浆孔群；对坝体施工质量差，甚至出现上下游贯通的横缝，一般应做全线的劈裂灌浆。劈裂式灌浆技术在土坝坝体除险加固中具有见效快、设备和技术简单、操作方便等优点，适用于低坝。2）混凝土防渗墙。混凝土防渗墙是在地基中挖槽，然后在槽孔浇筑混凝土，混凝土防渗墙从坝顶贯穿至坝基，形成地下防渗墙体。该方案整体性好，质量可靠，防渗效果好，耐久性好，但投资较大，对施工场地要求高，场地布置困难，施工不易控制和处理，如坝体本身质量差，施工中可能会发生塌孔，影响危害大，对大坝安全构成威胁，汛期施工风险大，泥浆排放量大，环境影响大。由于此方案投资明显高于其它两个方案，因此不对此方案进行工程直接投资比较。3）高压喷射灌浆。高压喷射注浆法所形成的固结体形状与喷射流移动方向有关，一般分为旋转喷射(简称旋喷)，定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)3 种形式。高压喷射注浆法的3 种喷法中旋喷法形成圆形固结物，施工时，喷嘴一面喷射一面旋转并提升，固结体呈圆柱状；定喷法形成片状固结物，施工时，喷嘴一面喷射一面提升，喷射方向固定不变，固结体形如板状或壁状；摆喷法形成扇形固结物，施工时，喷嘴一面喷射一面提升，喷射的方向呈较小角度来回摆动，固结体形如较厚墙状。旋喷桩主要用于加固地基，提高地基的抗剪强度，改善地基土的变形性能，使其在上部结构荷载下，不至于破坏或产生过大的变形，同时也可适用于高水头的柱列式防渗墙。定喷固结体壁状，适用于低水头的防渗工程。摆喷形成厚度较大的扇状固结体，适用于中低水头的防渗板墙。定喷和摆喷通常用于地基防渗，改善地基土的水力条件及边坡稳定等工程。高压喷射灌浆技术与常规混凝土防渗墙相比，可不同程度地降低工程造价，具有开挖量小，施工方便，占地少，对临近建筑物影响小等特点。4）充填灌浆。充填式灌浆采用分段灌注方法，利用浆液自重将浆液注入坝体隐患处，以堵塞洞穴和裂缝。灌浆孔一般布置在隐患处或附近，按多排梅花形布孔，终孔距离可为 1 2 m。充填灌浆投资较低，施工方便，是水库防渗处理常用措施。充填灌浆后，可提高大坝坝体填土的压实度、减小渗透系数、增强抗渗能力，确保工程的安全性。该方案投资小、见效快、设备和技术简单、操作方便等优点，同样适用于低坝。各灌浆方案的工程量及工程投资比较见表 1。112云南水力发电2024 年第 4 期表 1 灌浆方案工程量及工程投资比较表方案单价/(元/m)劈裂灌浆（水泥黏土浆）810.84高压喷射灌浆（定喷采用纯水泥浆，以孔深计每 m 孔深暂定水泥用量为 300kg，双管法）497.84混凝土防渗墙784.46充填灌浆（黏土浆）432.08由表 1 可以看出，几种防渗方案中，根据现场注水试验及管理人员介绍，该水库人工填土、砂质黏性土、强风化花岗岩渗透系数均大于110-4 cm/s；且混凝土防渗墙方案投资较大，对于小（2）型水库，方案投资太大经济上是不合理的。推荐充填灌浆方案为本工程的灌浆方案。充填灌浆后，可提高大坝坝体填土的抗渗性能及密实度，确保工程的安全性。此次对坝体进行充填灌浆加固，桩号 BD0+000 BD0+099，采用黏土浆，双排布置，孔距2.0 m，排距 1.5 m，梅花状布置，共钻 99 孔，合计钻深为 1 424.01 m，灌浆长度为 1 424.01 m。3.2.2 路面修复与加固针对主坝和副坝的坝顶路面问题，进行路面的修复和加固工作。首先，对路面进行细致的检查，对路面上的坑坑洼洼进行平整及压实。然后，考虑进行铺设沥青或混凝土等技术，增强路面的承载能力和耐久性。3.3 背水坡加固重点水库的背水坡现状杂草丛生、排水沟等设施及坝脚干砌石排水存在堵塞和损坏等问题，为了解决这些问题，采取以下措施进行加固。首先，对水库背水坡进行全面清理，确保排水通道畅通无阻。这一步骤至关重要，因为只有确保排水通畅，水流才能有效地从坡体中排除，减少对坡体稳定性的不利影响。由于原坝脚破损的干砌石已破损不堪，已严重影响正常运行，需进行重建。贴坡排水构造简单、节省材料、便于维修，虽不能降低浸润线，常用于浸润线较低的坝体，可防止渗透破坏。在排水设施的下部位置铺设反滤层。反滤层的作用主要是：防止管涌和流土的发生，使渗透水流出时带不走堤坝体或地基中的土壤；反滤层是为防止土体发生渗透破坏，在细粒土层和粗粒土层设置的数层经过筛选的砂石料，同时又能保证排水的工程设施；反滤层是水工建筑物渗流控制的关键措施之一，渗流控制理论从以防渗为主的理念发展为防渗排渗和反滤层三结合的原理。4 边坡稳定性分析土坝边坡稳定计算采用水工结构有限元分析系统（AutoBANK）中的土石坝边坡稳定分析程序计算分析，对于该工程中的均质坝，采用计及条块间作用力的瑞典圆弧法或简化毕肖普法，对于含有软弱夹层的坝坡稳定，采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿-普赖斯法。此次采用简化毕肖普法进行计算6。简化肖普法安全系数 K 的计算公式如下：式中：W土石条重量；V垂直地惯性力；u作用于土石条底面的孔隙压力；每条块重力线与通过此条块底面中点的夹角；b土条宽度；c 土条地面的凝聚力；土石条底面的有效应力抗剪强度；MC水平地震惯性力对圆心的力矩；圆弧半径。4.1 计算断面选定此 次 复 核 计 算 大 坝 采 用 最 大 断 面 大 坝BD0+040 进行复核计算。4.2 计算工况根据 SL1892013小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范8.2 条，结合该水库运行中实际可能出现的不利情况，拟定计算工况如下。4.2.1 正常运用工况工况一：水库上游为正常蓄水位 252.11 m，下游无水的稳定渗流。工况二：水库上游为设计洪水位 252.80 m，下游无水的稳定渗流。工况三：水库上游水位从正常蓄水位 252.11 m，非常降落至死水位 244.93 m 时非稳定渗流。4.2.2 非常运用工况 I况四：施工工况，上下游无水。工况五：水库上游为校核洪水位 253.07 m，下游无水的稳定渗流。工 况 六：水 库 上 游 水 位 从 校 核 洪 水 位253.07 m，非常降落至正常蓄水位 252.11 m 时非稳定渗流。吴鑫敏 水库坝坡稳定性及防渗加固方案分析1134.2.3 非常运用工况 II工况七：水库水位为正常蓄水位 252.11 m，稳定渗流期遇 8地震的情况。经计算，工况三水库上游水位降落控制在205.96 h，工况六水库上游水位降落需 53.32 h。4.2.4 计算结果对各断面各工况下的稳定进行计算，各断面各工况下的稳定计算成果见表 2。表 2 石水坑水库大坝稳定计算成果表计算工况坝坡简化毕肖普法结果加固前加固后规范值加固前加固后正常运用工况正常蓄水位稳定渗流下游坝坡1.531.591.25满足满足设计洪水位稳定渗流下游坝坡1.501.55满足满足正常蓄水位降至死水位上游坝坡1.461.47满足满足非常运用工况 I施工工况上游坝坡1.321.911.15满足满足下游坝坡1.221.83满足满足校核洪水位稳定渗流下游坝坡1.481.53满足满足校核洪水位降至正常水位上游坝坡2.222.18满足满足非常运用工况 II正常蓄水位稳定渗流遇8地震上游坝坡1.571.671.10满足满足下游坝坡1.471.30满足满足4.3 坝体稳定计算结果分析通过稳定分析计算及加固前进行对比，可以看出，加固后的大坝由于整顺了坝坡、充填灌浆和重建贴坡排水，有效对大坝坝坡和坝体进行了加固，基本稳定系数要高于加固前，且稳定计算值均满足规范要求，故各加固措施是可行的7。5 加固方案的可行性与效果分析5.1 每项加固措施的可行性评价在对各项加固措施进行可行性评价时，需要综合考虑技术、经济和环境等方面因素。对于迎水坡混凝土护面的处理裂缝与沉陷位置，注浆技术是一种成熟可行的方法8。5.2 加固后稳定性分析结果与对比通过对加固后的稳定性分析结果与加固前进行对比，可以客观地评估加固方案的效果。比较稳定性分析中的计算结果，包括各个工况下的稳定系数等参数，以及边坡各处的受力情况。如果加固后的稳定系数得到明显提升，且各项参数均满足规范要求，就能够证明加固方案在提升水库稳定性方面取得了明显成效9。5.3 加固后水库运行安全性评估加固后的水库稳定性不仅影响着工程的长期运行，也关系到周边环境和人民生命财产的安全。在分析加固方案效果的基础上，进行水库运行安全性评估是必要的。评估内容包括加固后水库的抗震性能、水位变化对边坡稳定性的影响、排水系统的有效性等。评估结果可以为未来水库运行提供指导，确保水库在加固后仍然保持良好的安全性能10。通过对每项加固措施的可行性、加固后稳定性分析结果与对比，以及水库运行安全性评估的综合分析，可以全面地评估加固方案的效果和水库的安全性，为工程的最终实施提供科学的依据。6 结束语通过系统地分析石水坑水库坝坡稳定性和防渗加固问题，对现状的调查和计算分析，设计了针对迎水坡、坝顶、背水坡排水系统等存在问题的加固方案。加固方案的可行性与效果得到了评价和验证，结果表明，在加固后的水库中，各项稳定性指标得到了提升，水库的防渗性能也得到了加强。参考文献：1王亮，聂兴山，郝瑞霞.淤地坝蓄水加固改造方案的渗流和稳定性分析J.人民黄河，2021,43（4）:137-141.2王鑫.白希源水库防渗加固处理及稳定性分析J.陕西水利，2020,（4）:177-178.3樊建新.红山水库大坝除险加固工程设计及渗流稳定分析J.陕西水利，2019,（6）:140-142.4孔建，唐山.华阳河水库大坝除险加固方案设计J.科协论坛:下半月，2019,（9）:14-16.5陈永贵，张可能，邹银生.酸性污水库坝渗流稳定性分析及防渗加固处理J.中南大学学报：自然科学版，2016,（6）:1171-1176.6甄雷.水库工程中塑性混凝土防渗墙施工技术J.价值工程，2023，42（23）:150-152.7陈浩.水库除险加固大坝抗渗稳定性分析J.水利技术监督，2023,（8）:129-132.8张威.电排站改造扩建提升及施工防渗技术应用实践J.黑龙江水利科技，2023,51（7）:142-144+148.9陈志怀.均质土坝安全稳定分析综合评价J.云南水力发电，2023,39（8）:336-340.10谢佳能.山区高填方边坡稳定性分析及加固治理措施研究J.云南水力发电，2018,34（6）:77-79.