土石坝设计案例

案例2 澧县“四方桥”土石坝 除险加固设计
1 工程任务和规模
.1.1 水库概述
四方桥水库位于湖南省澧县，属澧水支流涔水水系，枢纽坐落澧县北部王家厂镇，地理位置为东经111°15′，北纬29°34′，距离澧县县城约30km。四方桥水库于1958年动工，1974年竣工并投入运行，是一座以灌溉为主，兼防洪、养殖等综合效益的小（1）型水库。设计灌溉面积4000亩，其中水田2900亩，旱地1100亩，设计灌溉保证率为75%，受益地区包括王家厂镇等5个大队。水库可养殖水面面积166亩。
四方桥水库坝址控制流域面积4.073k㎡，总库容165.46万m3，水库正常蓄水位为88.53m，相应正常库容139.00万m3。该水库为小（1）型水库，属IV等工程。主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。水库枢纽工程由大坝、溢洪道及灌溉输水涵洞等组成。大坝为均质土坝，坝顶高程92.00m，坝高14.27m，坝顶宽度5.3m，坝顶轴长356m，上游坡坡比为1:2.5。下游坝坡分为三级，第一级自92.00m至85.00m高程，坡比为1:2.0，设一平台，平台宽6.0m；第二级自85.00m至81.50m高程，坡比为1:2.5，设一平台，平台宽8.0m。第三级自81.50m至79.80m，下游坡脚高程为77.73，坡脚设2.0m高排水堆石体。
溢洪道布置于大坝右岸，为开敞宽浅式溢洪道，堰顶高程88.53m，溢流堰宽22.0m，堰体两边墙局部为浆砌石护砌，泄槽全长124.00m。放水灌溉涵洞位于左端大坝体内。断面尺寸为0.5m×0.8m，长55.0m，设计流量为2.15m3/s，进、出口底板高程一致为81.15m。
1.2 工程目标和任务
四方桥水库加固工程目标与建设任务为：通过对水库大坝坡面护坡、大坝堤基防渗、大坝排水处理、溢洪道加固、输水建筑物改造、整修防汛道路、同时配备必要的管理和检测设施等措施，使四方桥水库达到抵御设计的洪水标准，做到保证下游土地的灌溉要求，保证大坝安全，以确保保护区内人民生命财产的安全，维护社会安定，为当地的社会经济发展提供良好的水利条件。
1.3 工程规模
1.3.1工程范围
根据四方桥水库安全鉴定报告书以及评估意见，本次初步设计除险加固范围为：大坝（土石坝）、溢洪道、输水建筑物等其他附属工程。
1.3.2工程规模
针对水库现状，分析存在的问题，四方桥水库除险加固工程项目主要包括大坝加固工程、溢洪道加固工程、输水建筑物工程及其他工程。大坝加固工程包含有上游坝坡处理工程、下游坝坡工程、大坝防渗处理工程、坝顶工程；溢洪道加固工程包含溢洪道泄槽段、消能段加固和交通桥加固；输水建筑物工程包含原涵洞封堵工程、新建输水涵管工程；其他工程包含交通工程、管理用房改

造工程、观测设施工程等。
1.4 水库特
征水位
死水位：81.25m
正常蓄水位：88.53m
设计洪水位(P=3.33%)：89.10m
校核洪水位(P=0.33%)：89.26m
二十年一遇洪水位(P=5%)：89.00m
2 主要加固项目
2.1安全鉴定结论
工程质量不合格；评定为C级，运行管理综合评价差；溢洪道两侧边坡垮塌，消力池未完建，防洪安全评定为B级；大坝渗透坡降不满足要求，大坝填土质量差，坝肩、坝体渗漏严重，放水涵洞均存在断裂，输水涵渗漏严重，渗流安全评定为C级；大坝坝坡不满足稳定要求，结构安全评定为C级；闸门和启闭设备运行状况差，闸门启闭设备锈蚀严重，金属结构安全性为C级。
大坝安全评定类别：Ⅲ类。
2.2 工程存在的主要问题
1、坝体散浸，渗漏严重
大坝于1958年开始修筑，于1960年投入运行，属于典型的“三边”工程，由当地村民进行施工。由于大坝填筑土主要靠人力肩扛手抬零星搬运，逐层填筑后用石碾简单夯压处理，坝体施工质量差，坝体渗漏严重，据现场坑探过程中对坝体进行的简易注水试验来看，渗透系数约10-4～10-4cm/s；属弱-中等透水。大坝基础渗漏较严重。坝坡存在多处散浸。大坝座落在两岸的基岩裸露，岸坡一侧较缓一侧较陡，呈不对称状。大坝基础为原为残坡积、冲积堆积层，厚度较大，大坝清基时没有按设计要求做截水齿墙，两岸边坡由于地势较缓，松散堆积物较厚，钻孔揭露坝体填筑土基部厚度达6-8m的松散堆积层，未进行防渗处理就回填土料。坝基渗漏有接触部位、基岩强风化层渗漏。
2、溢洪道消能设施未完建
溢洪道位于大坝右岸，采用宽浅式溢洪道，堰顶高程88.53m，控制段宽22.0m，溢洪道依山坡开挖而成，部分侧墙采用块石浆砌，岩层中节理裂隙发育，表面风化破碎严重。溢洪道为开挖沟槽毛坯，两侧基岩裸露，底板侧墙均未护砌。控制段平缓，尾端较陡。基岩砂页岩中发育“X”节理，泥化严重，厚度达1m，山坡风化剥落物堆积溢洪道中，影响行洪。溢洪道无消能设施。
3、输水涵洞渗流严重
输水涵洞为泥灰岩条石浆砌，涵洞处在坝体与山体接头部位，填筑土覆盖，基础部分基础处在原砂页岩上和原残坡积层上，沉陷不一致，为涵洞的位移留下了隐患。在运行中，涵洞砌石位移断裂多处，伴有较强渗漏。岩层中节理裂隙发育，输水时水体沿节理裂隙渗漏，且渗漏量较大。
4、大坝上游坡防浪体损坏严重，浪蚀严重，局部出现冲刷塌陷现象。
5、大坝无观测设施。
6、大坝管理设施破旧，管理所住房不能满足居住要求及未兴建防汛仓库。
7、通往水库道路为人行崎岖山路，

长1.5km，道路崎岖，坑洼不平，给正常生产调度带来许多不便，更不能满足水库
防汛抢险要求。
受水库修建时历史条件、施工设备及技术条件的限制，施工质量较差，病险问题较多，故投入运行50余年来，先后出现大坝渗漏、坝坡失稳、溢洪道冲毁、灌溉涵洞浆砌块石断裂、坝体塌陷渗漏等问题。期间虽然经过加固处理，一些病险情况得不到及时处理，水库处于病险状态，目前无法正常蓄水。

2.3 主要加固工程
2.3.1 大坝防渗处理工程
因大坝坝体填筑不均匀，质量差，渗漏较严重，渗透属于弱-中等透水，大坝基础渗漏严重，根据地勘成果，进一步证实需对大坝进行防渗处理，根据大坝的渗漏问题本次设计采用高喷灌浆进行处理，大坝自85.00m高程平台进行高喷灌浆。
2.3.2 上游坝坡处理
因大坝上游坡稳定不满足要求，防浪体损坏、浪蚀严重，局部出现冲刷塌陷现象，需对上游坝坡进行处理。本次除险加固采用迎水剖面加培，在90.00m高程增加1.0m宽平台，放坡面1：2.50至85.00m高程。高程85.00m处设置2.0m宽平台，81.25m高程以下采用抛石护坡，81.25m至坝顶高程采用混凝土预制块进行护坡。
2.3.3 下游坝坡处理
因大坝下游坝坡、坝脚排水不畅，洪水期间下游坡面湿润。本次对下游坝坡采用复建坝坡排水沟，整治下游排水棱体以及坝脚排水沟。
2.3.4 坝顶处理
坝顶靠下游侧采用C15砼护肩，护肩块尺寸为1000x250mm。坝顶公路路面硬化，路面结构采用砼路面，路面宽度为4.5m，路面砼标号为C30，厚度为200mm，下设置150mm水泥碎石垫层。
2.3.5 溢洪道加固工程
因溢洪道部分基岩砂页岩中发育“X”节理，泥化严重，山坡风化剥落物堆积溢洪道中，影响行洪；溢洪道底板严重开裂、破碎；下游消力池、泄洪渠等未完建，不具备泄洪能力。拟对消能池段、尾水渠道进行整修加固，新增海漫等消能设施。
2.3.6 输水建筑物工程
因输水涵洞为泥灰岩条石浆砌，漏水严重。运行多年且抢修多次，目前涵洞侧墙多处变形开裂，盖板断裂坍塌。蓄水后漏水带走涵洞四周土体，本次加固对原有输水涵洞进行封堵，在其旁边的坝体内部新建输水涵管。
2.3.6 其它工程
因大坝管理设施破旧，管理所住房不能满足居住要求及未兴建防汛仓库；大坝无观测设施；通往水库道路为人行崎岖山路，长1.5km，道路崎岖，坑洼不平，给正常生产调度带来许多不便，更不能满足水库防汛抢险要求。本次除险加固工程拆除、新建管理用房以及防汛仓库。增设大坝观测设施，整修1.5km防汛道路。
3 设计依据
3.1 工程等别、建筑物等级和洪水标准
四方桥

水库总库容165.46万m3，设计灌溉面积 0.4万亩，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）表2.1.1，工程等别为Ⅳ
等工程，工程规模为小（1）型。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）表2.2.1，永久性建筑物级别划分，大坝、溢洪道等主要建筑物级别为4级，其他次要建筑物别为5级，临时建筑物为5级。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）表3.2.1，该工程为土石坝，设计洪水标准取30年一遇，校核洪水标准取300年一遇，消能防冲建物物取20年一遇洪水标准设计（规范规定：土石坝4级建筑物校核洪水标准是1000～300年，本项目安全鉴定报告取300年，本次初设维持300年标准）。