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摘要：土坝是由土料、石料和砂砾等材料筑成的一种坝型，也是我国水利基础设施中应用最为普遍的一种挡水建筑物。本文结合工程应用实例，在介绍水库土坝安全鉴定结果的基础上，着重探讨了土坝坝体除险加固设计工作，旨在提高坝体的安全可靠性，以供借鉴。
关键词：水库土坝；坝体改造；加固设计；渗流处理
随着国民经济建设的快速发展，国家加大了对城乡水利基础设施建设的投资力度。水库作为我国防洪体系的重要组成部分，担负着城乡防洪、灌溉、发电和供水等重任，在改善生态环境、提高人民生活水平和促进经济发展方面发展着不可替代的作用。目前，我国部分水库大坝以均质土坝为主，由于受到地质条件、人为活动和环境破坏等因素的影响，加上大坝的使用年限比较久，许多水库土坝的防洪能力降低，并且土坝坝体出现渗流和裂缝等质量通病，严重影响到水库的使用功能及质量安全，甚至会造成不可换回的损失。因此，水利管理中必须重视土坝坝体除险加固设计工作，通过一些科学的加固措施，尽可能提高土坝坝体的稳定安全系数，从而确保水库的质量安全。
1 工程现状
某水库是一座以集防洪、灌溉、供水、养殖于一体的综合性小型水利枢纽工程，原防洪标准为20a一遇洪水设计，200a一遇洪水校核。水库现状防洪能力低，经复核坝顶高程不满足现行防洪标准，大坝需加固。输水洞洞身分缝由于不均匀沉陷已经错位，严重漏水；溢洪道堰体浆砌石老化、失修，岸墙墙体断裂、倾斜、破损严重，水库主体工程存在诸多安全隐患，水库已不能正常运行，对下游人民生命财产已构成严重威胁，是一座病险水库。综合各专项安全级别，评定该水库大坝为三类坝。
2 土坝改造工程
2.1 土坝坝体结构设计
2.1.1 护坡设计方案比较
现进行护坡设计及干砌石与混凝土护坡的两方案比较：
1）方案一：上游干砌石护坡设计。
人工拆除现有干砌石护坡，拆除的块石一部分做抛石护脚，抛石护脚顶高程276.55m。干砌石护坡从干砌石固脚护至设计坝顶。
块石在最大局部波浪压力作用下，干砌石护坡厚度按《碾压式土石坝设计规范》中公式求得：
（1）
当Lm/hp≤15时，
式中：D50为石块平均粒径，m；ρk为石块的容重，KN/m3；ρw为水的容重，KN/m3；hp为累积频率为5%的波高，m；kt为随坡率变化系数；m为坡率。护坡厚度计算见表1。
表1 护坡厚度计算表
结合水库实际情况，本次设计护坡干砌块石厚度取35cm，下设20cm厚砾石垫层和10cm厚砂垫层。
2）方案二：混凝土板护坡设计。
混凝土板厚度按《碾压式土石坝设计规范》中如下公式计算：
（2）
式中：η为系数，对整体式大块护面板取1.0；ρc为混凝土容重，KN/m3，ρc=24KN/m3；ρw为水容重，KN/m3，ρw=10KN/m3；hp为累积频率为1%的波高，m；b为沿坝坡向板长，b=0.8m；m为坡率。经计算：t校核=0.08m，t设计=0.12m。
根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》，现浇混凝土板厚度取20cm，下设10cm厚砂砾石垫层和一层无纺布。
对两种护坡设计方案取1m宽进行投资比较，见表2。
经两方案分析比较，干砌石护坡造价低，施工简单，不受季节限制，所以采用方案一。
2.1.2 土坝坝体结构设计
（1）土坝总体设计
水库除险加固后，坝长495m，坝顶宽4.5m，坝顶高程279.35m，上游坡比为1：4.0，下游坡比1：2.5。上游坝坡采用35cm厚干砌石护坡，下铺20cm厚砾石垫层和10cm厚粗砂垫层。上游坝脚采用干砌石固脚及抛石护脚，干砌石固脚顶高程276.55m，干砌石固脚前做抛石护脚，下游坝坡采用草皮护坡，坝顶设20cm厚砂石路面。
（2）固脚设计
本次设计死水位为275.55m，上游坝脚采用干砌石固脚，水库利用原输水洞进行施工导流，水库放空后，保证干砌石固脚无水施工，固脚底高程为275.55m。固脚顶宽1.5m，底宽1.0m，高1.0m。干砌石固脚前做抛石护脚，抛石护脚顶宽1.5m，坡比1：3。
2.2 坝体渗流分析及控制
渗流计算的目的要确定坝体浸润线及下游坡出逸点位置，计算坝身和坝基渗流量，估算水库渗漏损失，最后核算坝坡及坝基的渗透稳定性。
2.2.1 断面选择
根据地质资料，坝体主要为低液限黏土，坝基主要为黏土质砂；本次计算选取具有代表性的断面（0+250）进行渗流计算。计算参数见表3。
2.2.2 计算工况选择
情况一：上游设计洪水位277.51m与下游无水。
情况二：上游校核洪水位277.98m与下游无水。
情况三：1/3坝高水位与下游无水。
2.2.3 渗流计算
由于坝体原状土和新填土均为低液限黏土，并且渗透系数很小，分别对坝体的逸出点高度h0、单宽渗流量q、背水坡出逸比降J及浸润线采用《理正渗流分析计算软件》（2009）按不透水地基计算，计算成果见表4。
关键词：水库土坝；坝体改造；加固设计；渗流处理
随着国民经济建设的快速发展，国家加大了对城乡水利基础设施建设的投资力度。水库作为我国防洪体系的重要组成部分，担负着城乡防洪、灌溉、发电和供水等重任，在改善生态环境、提高人民生活水平和促进经济发展方面发展着不可替代的作用。目前，我国部分水库大坝以均质土坝为主，由于受到地质条件、人为活动和环境破坏等因素的影响，加上大坝的使用年限比较久，许多水库土坝的防洪能力降低，并且土坝坝体出现渗流和裂缝等质量通病，严重影响到水库的使用功能及质量安全，甚至会造成不可换回的损失。因此，水利管理中必须重视土坝坝体除险加固设计工作，通过一些科学的加固措施，尽可能提高土坝坝体的稳定安全系数，从而确保水库的质量安全。
1 工程现状
某水库是一座以集防洪、灌溉、供水、养殖于一体的综合性小型水利枢纽工程，原防洪标准为20a一遇洪水设计，200a一遇洪水校核。水库现状防洪能力低，经复核坝顶高程不满足现行防洪标准，大坝需加固。输水洞洞身分缝由于不均匀沉陷已经错位，严重漏水；溢洪道堰体浆砌石老化、失修，岸墙墙体断裂、倾斜、破损严重，水库主体工程存在诸多安全隐患，水库已不能正常运行，对下游人民生命财产已构成严重威胁，是一座病险水库。综合各专项安全级别，评定该水库大坝为三类坝。
2 土坝改造工程
2.1 土坝坝体结构设计
2.1.1 护坡设计方案比较
现进行护坡设计及干砌石与混凝土护坡的两方案比较：
1）方案一：上游干砌石护坡设计。
人工拆除现有干砌石护坡，拆除的块石一部分做抛石护脚，抛石护脚顶高程276.55m。干砌石护坡从干砌石固脚护至设计坝顶。
块石在最大局部波浪压力作用下，干砌石护坡厚度按《碾压式土石坝设计规范》中公式求得：
（1）
当Lm/hp≤15时，
式中：D50为石块平均粒径，m；ρk为石块的容重，KN/m3；ρw为水的容重，KN/m3；hp为累积频率为5%的波高，m；kt为随坡率变化系数；m为坡率。护坡厚度计算见表1。
表1 护坡厚度计算表
结合水库实际情况，本次设计护坡干砌块石厚度取35cm，下设20cm厚砾石垫层和10cm厚砂垫层。
2）方案二：混凝土板护坡设计。
混凝土板厚度按《碾压式土石坝设计规范》中如下公式计算：
（2）
式中：η为系数，对整体式大块护面板取1.0；ρc为混凝土容重，KN/m3，ρc=24KN/m3；ρw为水容重，KN/m3，ρw=10KN/m3；hp为累积频率为1%的波高，m；b为沿坝坡向板长，b=0.8m；m为坡率。经计算：t校核=0.08m，t设计=0.12m。
根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》，现浇混凝土板厚度取20cm，下设10cm厚砂砾石垫层和一层无纺布。
对两种护坡设计方案取1m宽进行投资比较，见表2。
经两方案分析比较，干砌石护坡造价低，施工简单，不受季节限制，所以采用方案一。
2.1.2 土坝坝体结构设计
（1）土坝总体设计
水库除险加固后，坝长495m，坝顶宽4.5m，坝顶高程279.35m，上游坡比为1：4.0，下游坡比1：2.5。上游坝坡采用35cm厚干砌石护坡，下铺20cm厚砾石垫层和10cm厚粗砂垫层。上游坝脚采用干砌石固脚及抛石护脚，干砌石固脚顶高程276.55m，干砌石固脚前做抛石护脚，下游坝坡采用草皮护坡，坝顶设20cm厚砂石路面。
（2）固脚设计
本次设计死水位为275.55m，上游坝脚采用干砌石固脚，水库利用原输水洞进行施工导流，水库放空后，保证干砌石固脚无水施工，固脚底高程为275.55m。固脚顶宽1.5m，底宽1.0m，高1.0m。干砌石固脚前做抛石护脚，抛石护脚顶宽1.5m，坡比1：3。
2.2 坝体渗流分析及控制
渗流计算的目的要确定坝体浸润线及下游坡出逸点位置，计算坝身和坝基渗流量，估算水库渗漏损失，最后核算坝坡及坝基的渗透稳定性。
2.2.1 断面选择
根据地质资料，坝体主要为低液限黏土，坝基主要为黏土质砂；本次计算选取具有代表性的断面（0+250）进行渗流计算。计算参数见表3。
2.2.2 计算工况选择
情况一：上游设计洪水位277.51m与下游无水。
情况二：上游校核洪水位277.98m与下游无水。
情况三：1/3坝高水位与下游无水。
2.2.3 渗流计算
由于坝体原状土和新填土均为低液限黏土，并且渗透系数很小，分别对坝体的逸出点高度h0、单宽渗流量q、背水坡出逸比降J及浸润线采用《理正渗流分析计算软件》（2009）按不透水地基计算，计算成果见表4。