5.4 土壩加固設計

5.4.1 壩頂高程確定

按照《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274—2001）計算壩頂超高，壩頂高程計算公式為：

y=R+e+A

式中 y——頂超高，m；

R——平均波浪爬高，m；

e——風壅水面高度，m；

A——安全加高，m，設計工況取0.5m，校核工況取0.3m。

（1）風壅水面高度e。

式中 K——綜合摩阻系數，K=3.6×10^-6；

β——風向與水域中線的夾角，β=0°；

D——風區長度，m；

W——計算風速，m/s；

H_m——水域平均水深，m；

g——重力加速度，9.81m/s²。

（2）平均波高和平均波周期采用莆田試驗站公式計算。

式中 h_m——平均波高，m；

T_m——平均波周期，s。

（3）平均波長。

式中 L_m——平均波長，m；

H——壩迎水面前水深，m。

（4）平均波浪爬高。正向來波在m=1.5～5.0的單一斜坡上的平均爬高按下式計算：

式中 R_m——平均波浪爬高，m；

K_Δ——斜坡的糙率滲透性系數，查SL 274—2001附表A.1.12-1，干砌石護坡K_Δ=0.80；

K_w——經驗系數，查SL 274—2001附表A.1.12-2；

m——斜坡的坡度系數，m=2.6。

設計波浪爬高值應根據工程等級確定，4級壩采用累積頻率為5%的爬高值R_5%。

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274—2001），壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和，分別按以下組合計算，取其最大值：

1）設計洪水位加正常運用條件的壩頂超高。

2）正常蓄水位加正常運用條件的壩頂超高。

3）校核洪水位加非常運用條件的壩頂超高。

4）正常蓄水位加非常運用條件的壩頂超高，再加地震安全加高。

根據魯甸縣氣象站的觀測資料統計分析，多年平均最大風速為19.7m/s，設計風速正常運用情況下乘以1.5系數為29.6m/s，吹程992.00m。壩頂高程計算結果見表5.4-1。

從表5.4-1看出，設計洪水位工況控制壩頂高程，根據計算情況取壩頂高程為2781.20m。

現大壩壩頂高程2780.00m，加高后的壩頂高程2781.20m，大壩需加高高度為1.20m，可采取在壩頂加1.2m防浪墻，原壩體不加高方案。

5.4.2 大壩加固方案

燕麥地水庫為特定歷史條件下的產物，現壩體存在較多的質量缺陷。主要表現為上游護坡破壞、下游無護坡、壩體填土干密度較小、壩體防滲性能較差，壩基滲漏嚴重，壩頂高度低，不滿足設計要求等問題。但大壩需要解決的主要問題是滲漏穩定和壩體加高問題。

為了保證大壩的安全，應盡可能大的降低壩體內浸潤線，封堵壩基滲漏通道，針對主壩在此考慮了三種防滲方案：方案一是壩體采用復合土工膜、基礎采用高壓定噴樁防滲；方案二是壩體壩基均采用復合土工膜防滲；方案三是壩體壩基均采用高壓定噴樁防滲。

方案一：結合上游護坡改建，拆除原干砌石護坡，坡面整平后鋪設兩布一膜復合土工膜，以防止隨著水庫運用水位升高后，壩體浸潤線升高引起壩體新的變形，導致沿壩體裂縫以及填筑結合面可能產生的集中滲漏。復合土工膜鋪設到現淤積面高程，此高程以下采用高壓定噴樁作為壩基防滲，頂部與復合土工膜連接，底部嵌入基巖1m。此方案的優點是既可徹底解決壩體與壩基的滲漏問題，又可減少施工圍堰和施工期間的基坑排水。

方案二：自水庫運行以來，庫區淤積較嚴重，壩前最大淤積厚為13.1m，庫尾最大淤積厚2.5m。原壩基河床底部殘留第四系含礫質黏土夾砂卵礫石沖洪積厚1.0～1.8m，下伏基巖為強—弱風化巖體，由于庫區淤積，可作為壩前水平鋪蓋，防止地基滲漏，所以，設計結合上游護坡改建，拆除原干砌石護坡，坡面整平后鋪設兩布一膜復合土工膜，直至現淤積面高程以下2m，此高程以下不再進行防滲處理。

此方案的優點是：施工簡單，工程投資少。

方案三：壩體與壩基均采用高壓定噴樁防滲墻，即在壩頂向下做高壓定噴樁，直至巖石下1m。此方案的優點是可以徹底解決壩體壩基防滲，減少施工期圍堰、基坑排水等投資，缺點是高壓定噴樁投資較土工膜大，造成工程總投資偏高。

復合土工膜具有適應變形能力強，防滲性能好的特點，而且在近幾年的病險水庫加固處理中得到了廣泛的應用，施工工藝成熟。方案二充分利用現壩前淤積層作為壩基防滲，復合土工膜作為壩體防滲，既可解決壩體壩基防滲問題，又可節省工程投資，故推薦方案二。

左岸基巖裸露的，噴混凝土；右岸滑坡體物質包含地表土及部分全至強風化玄武巖，將表面植物、腐殖物清除，基礎整平，鋪設復合土工膜以延長滲徑，解決兩岸繞滲問題。

5.4.3 壩頂加高

根據壩頂高程計算結果，壩頂需加高1.2m，由于加高高度較低，可采用在壩頂上游側加混凝土防浪墻方案。現壩頂高程不變，為2780.00m，防浪墻頂高程2781.20m，高出壩頂1.2m。

5.4.4 壩體裂縫處理

裂縫處理采用開挖回填的方法處理：①深度不超過1.5m的裂縫，可順裂縫開挖成梯形斷面的溝槽；②深度大于1.5m的裂縫，可采用臺階式開挖回填；③橫向裂縫開挖時應作垂直于裂縫的結合槽，以保證其防滲性能。

壩體裂縫處理，開挖前需向裂縫內灌入白灰水，以利于掌握開挖邊界；開挖時順裂縫開挖成梯形斷面的溝槽，根據開挖深度可采用臺階式開挖，確保施工安全。裂縫相距較近時，可一并處理。裂縫開挖后防止日曬、雨淋。

回填土料與壩體土料相同，應分層夯實，達到原壩體的干密度。

回填時要注意新老土的結合，邊角處用小榔頭擊實。注意勿使槽內發生干縮裂縫。

5.4.5 防滲設計

（1）防滲方案。結合上游護坡改建，拆除原干砌石護坡，坡面整平后鋪設兩布一膜復合土工膜，以防止隨著水庫運用水位升高后，壩體浸潤線升高引起壩體新的變形，導致沿壩體裂縫以及填筑結合面可能產生的集中滲漏。復合土工膜鋪到淤積面高程以下2m，此高程以下靠現壩前淤積防滲。

左岸基巖裸露的，采用噴混凝土減少滲漏量，噴混凝土厚0.05m，噴混凝土前，應對巖石邊坡上的浮土、懸石和風化剝落層進行清除；右岸滑坡體物質包含地表土及部分全至強風化玄武巖，將表面植物、腐殖物清除，基礎整平，鋪設復合土工膜以延長滲徑，解決兩岸繞滲問題。

噴混凝土范圍和鋪設復合土工膜范圍均按稍大于1倍的壩高考慮，為40m，以延長兩岸滲徑，減小兩岸繞滲。

（2）復合土工膜選型。工程常用土工膜有聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）兩種。PVC膜比重大于PE膜；PE膜較PVC膜易碎化；PE膜成本價低于PVC膜；兩者防滲性能相當；PVC膜可采用熱焊或膠粘，PE膜只能熱焊；PVC膜和PE膜還有一個突出差別，就是膜的幅寬，PVC復合土工膜一般為1.5～2.0m，PE復合土工膜可達4.0～6.0m，相應地接縫PE膜比PVC膜減少一倍以上。而且，PE膜接縫采用熱焊，施工質量較穩定，焊縫質量易于檢查，施工速度快，工程費用低。PVC膜雖然可焊接，可膠粘，但膠粘施工質量受人為因素較大，大面積施工中黏縫質量較難控制，成本較高；采用焊接時溫度控制很關鍵，溫度較高，易碳化，較低，則焊接不牢。

在物理性能、力學性能、水力學性能相當的情況下，大面積土工膜施工，為減少接縫，確保施工質量，土工膜采用PE膜。根據工程類比，PE膜厚度選用0.5mm。

復合土工膜是膜和織物熱壓粘合或膠粘劑粘合而成，土工織物保護土工膜以防止土工膜被接觸的卵石碎石刺破，防止鋪設時被人和機械壓壞，亦可防止運輸時損壞，織物材料選用純新滌綸針刺非織造土工織物，規格為200g/m²。復合土工膜采用兩布一膜，規格為200g/0.5mm/200g。

鑒于壩體防滲需要全部由復合土工膜來承擔，為了適應大壩未來較大的變形，土工織物采用長絲結構。為了減少接縫，降低大壩發生問題的幾率，復合土工膜幅寬采用5m。

鑒于復合土工膜防滲系統對該工程安全的重要性，其指標應滿足以下基本要求。

斷裂強度：不小于26kN/m；

斷裂伸長率：不小于65%；

撕破強度：不小于0.7kN；

CBR頂破強力：不小于6.0kN。

此外，土工膜應具有較好的抗老化、抗凍性能。

（3）復合土工膜施工注意事項。壩坡復合土工膜是由一幅幅土工膜拼接而成的，接縫多，因此施工很關鍵，施工質量是土工膜防滲性能好壞的一個決定性因素。復合土工膜的鋪設要注意下列幾點：

1）復合土工膜施工前操作人員要經過上崗前的技術培訓，培訓合格后方可進行施工。

2）土工膜由廠家運至倉庫后，即作抽樣檢查，對不合格產品及時要求廠家更換。

3）土工膜鋪設前，清除坡面雜物等，將坡面夯拍整平。

4）土工膜鋪設時注意土工膜張弛適度，避免應力集中和人為損傷。要求土工膜與接觸面吻合平整，防止土工膜折皺形成滲水通道的現象。

5）土工膜接縫焊接前必須清除膜面的臟物保證膜面清潔，膜與膜接合平整后方可施焊。施工宜在室外氣溫5℃以上、風力4級以下、無雨雪天氣。陰雨天應在雨棚下作業，以保持焊接面干燥。在爬行焊接過程中，操作人員要仔細觀察焊接雙縫質量，隨時根據環境溫度的變化調整焊接溫度及行走速度。可先在試樣上試焊，定出合理的工藝參數再正式焊接。正式焊接時對焊縫要仔細檢查，主要看兩條焊縫是否清晰、透明，有無氣泡、漏焊、熔點或焊縫跑邊等。不合格的要進行補焊。在焊接過程中和焊接后2h內，焊接面不得承受任何拉力，嚴禁連接面發生錯動。

6）膜、布的連接，要松緊適度，自然平順，確保膜布聯合受力。對焊接接頭應100%檢查，采用接縫充水或充氣的方法檢查。接縫強度不低于母材的80%。

7）復合土工膜的鋪設應自上向下滾鋪。

8）復合土工膜應壩頂上游側墻及泄水涵洞的銜接處，應把復合土工膜裁剪成適合該角隅的形狀，注意防止角隅處復合土工膜架空，不貼基面。

9）盡量不在酷熱天氣強陽光下鋪設。鋪設過程中，作業人員不得穿硬底皮鞋及帶釘的鞋。

10）為防止大風吹損，在鋪設期間所有的復合土工膜均應用沙袋或軟性重物壓住，接縫焊接后把沙袋移壓在接縫上，直至保護層施工完為止。當天鋪設的復合土工膜應在當天全部拼接完成。復合土工膜完成鋪設和拼接后，應及時（48h內）回填保護層。斜坡保護層應妥善保護，防止陽光直射復合土工膜或雨水沖刷保護層。

鋪設干砌石護坡時應采取可靠的保護措施，確保土工膜不受損壞。

5.4.6 壩的計算分析

（1）滲流計算。

1）計算方法。滲流計算程序采用河海大學工程力學研究所編制的《水工結構分析系統（AutoBANK v5.0）》。計算采用二維有限元法，按各向同性介質模型，采用拉普拉斯方程式，用半自動方式生成四邊形單元，對復雜的剖分區域需要用若干個四邊形子域拼接形成，劃分單元對子域依次進行。

2）計算斷面。

壩總長185m，選擇河床最大斷面進行滲流計算。

上游正常蓄水位2778.00m，下游水位與地面平。

3）基本參數選取。根據地質勘探資料，結合工程的材料特性，選用壩身、壩基材料滲流計算參數見表5.4-2。

4）滲流計算成果及分析。滲流計算結果見圖5.4-1。

從表5.4-3滲流計算結果看：由于壩體采用復合土工膜，壩體浸潤線位置均較低，對大體穩定有利。

坡腳出逸比降為0.35，小于壓實黏土的允許水力坡降建議值0.402，因此不會發生滲透破壞。

（2）壩坡穩定計算分析。該壩為4級建筑物。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274—2001）的要求及工程情況，大壩抗滑穩定應包括正常情況和非常情況，計算情況如下：

正常運用條件：

1）水庫水位處于正常蓄水位和設計洪水位與死水位之間的各種水位穩定滲流期的上游壩坡，規范要求安全系數不應小于1.25。

2）水庫水位處于正常蓄水位和設計洪水位穩定滲流期的下游壩坡，規范要求安全系數不應小于1.25。

非常運用條件Ⅰ：

1）本次加固對原壩體體型未改變，因此不再復核施工期的穩定。

2）水庫水位的非常降落，每年灌溉期，庫水位從正常蓄水位降落到死水位。

非常運用條件Ⅱ：

正常運用條件遇地震的上下游壩坡，規范要求安全系數不應小于1.10，大壩按Ⅶ度地震設防。

穩定計算采用黃河勘測設計有限公司與河海大學工程力學研究所聯合研制的《土石壩穩定分析系統r1.2》。該程序有規范規定的瑞典圓弧法和考慮條塊間作用力的各種方法。計算方法采用計及條塊間作用力的采用簡化畢肖普法，圓弧滑動。

簡化畢肖普法公式：

式中 W——土條重量；

V——垂直地震慣性力（向上為負，向下為正）；

u——作用于土條底面的孔隙壓力；

α——條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；

b——土條寬度；

c′、φ′——土條底面的有效應力抗剪強度指標；

M_C——水平地震慣性力對圓心的力矩；

R——圓弧半徑。

穩定計算材料強度指標根據安全鑒定期間做的試驗和工程類比確定。試驗指標偏低，主要原因有幾種：①試驗為不固結不排水剪UU指標，較水庫運用期的CD指標低；②試驗所用樣品為鉆孔所取，很難保證土樣不擾動；③從標準貫入擊數可看出，抗剪強度也偏低，壩體貫入擊數平均值為11.8，地基承載力平均為302kPa。穩定計算最終采用的指標見表5.4-4。

穩定計算分析成果見表5.4-5。成果圖見圖5.4-2。壩坡在各計算工況下均滿足抗滑穩定要求。

（3）復合土工膜的穩定分析。根據《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》（SLT 225—98），需驗算水位驟降時，防護層與土工膜之間的抗滑穩定性。采用附錄A中推薦的計算方法。計算采用極限平衡法。壩坡復合土工膜上面鋪設了厚度30cm的砂卵石和厚度30cm的干砌石，為等厚保護層，因此抗滑穩定安全系數可按下式計算：

式中 δ、f——上墊層土料、下臥土層與復合土工膜之間的摩擦角、摩擦系數；

α——復合土工膜鋪放坡角。

根據工程經驗，土工織物與砂卵石之間的摩擦角取26°。上游壩坡坡度為1：2.6。邊坡計算的抗滑安全系數為1.27，邊坡復合土工膜與砂卵石之間的抗滑穩定安全系數滿足《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274—2001）規定的4級建筑物驟降情況的安全系數1.25的要求。

復合土工膜直接鋪設在主壩材料土坡上。土工織物與土的摩擦系數一般為0.43左右，取0.43計算，計算的土工織物與大壩邊坡的抗滑穩定安全系數為1.12，安全系數不完全滿足規范要求，為增強復合土工膜的抗滑穩定性，在高程2775.00m、2770.00m、2765.00m及坡腳設止滑槽。

燕麥地水庫的主要功能是灌溉，水位降落速度較慢，隨著庫水的降落，壩坡干砌石后的水位也會隨之下降，對壩坡穩定不會造成危害。

增加止滑槽提高防滲結構的抗滑穩定性規范中有此規定，并且在已完工的除險加固工程中有所應用。如：義烏長堰水庫為黏土斜墻壩，壩高37m，壩坡分三級，分別為1：1.5、1：2.6及1：2.8，采用復合土工膜防滲加固，設三道抗滑溝。

5.4.7 壩頂結構設計

原壩頂寬度3.5～5.0m，為了交通方便和壩體美觀，本次設計將壩頂寬度統一定寬度5.0m。壩頂路面采用瀝青路面，厚度0.34m，其中灰土基層厚度0.3m，瀝青碎石層厚度0.04m。路面設傾向下游的單面排水坡，坡度為2%。

5.4.8 上游壩坡處理及設計

主壩上游壩面由于采用復合土工膜防滲，須對上游壩面進行清基，因此，與上游護坡改造相結合，統一考慮。

為了保證復合土工膜與壩體連接質量和避免其他材料對土工膜的破壞，上游壩面應清除干砌石護坡及其墊層，并應保持壩面平順。

復合土工膜直接鋪設在原壩坡上。土工膜上游面為防止波浪淘刷、風沙的吹蝕、紫外線輻射以及膜下水壓力的頂托而浮起等，需要在土工膜上設保護層。保護層分為面層和墊層。

保護層面層采用厚度0.3m的干砌石，要求石料堅硬，抗風化能力強。

保護層墊層采用厚度0.3m的砂礫料，粒徑范圍為0.1～40mm的連續級配，小于0.075mm的顆粒含量應小于5%。

為增加護坡穩定性，在高程986.00m、982.70m、974.70m及坡腳設止滑槽。

復合土工膜頂部與壩頂上游側防浪墻連接，與輸水涵洞混凝土采用錨固連接，底部挖槽埋在土中。

5.4.9 下游壩坡處理及設計

現大壩下游壩坡變形嚴重，坡面遍布沖溝，且有滑坡堆積體，應對其進行整修。整修原則是在保證壩坡穩定的前提下，為了減少工程投資，原壩坡基本不變，僅對壩坡進行整修。現壩坡表面清除0.3m厚雜草等，其余整平碾壓。整修后下游壩坡在高程2773.00m和高程2766.00m各設一馬道，寬度3.0m，高程2773.00m馬道以上壩坡為1：2.5，高程2773.00～2766.00m間壩坡為1：2.8，高程2776.00m以下至排水棱體間為1：2，排水棱體頂高程2756.00m，寬度不變，為0～12m，以下坡度為1：1.3。

下游壩面采用草皮護坡。為了保證草皮護坡的成活率，在下游壩坡填筑垂直厚度0.3m厚的耕植土。

5.4.10 下游排水棱體設計

現下游壩腳排水棱體坍塌、脫落嚴重，需進行整修。將原排水棱體表面風化破碎的巖石清除，其余部分整平。為了保證排水暢通，在清除后的下游面，分別鋪設垂直厚度0.2m的砂卵石、粗砂、砂卵石和0.4m厚的干砌石。

棱體排水頂高程與原設計相同，為2756.00m，頂寬與現狀相同，為0～12m，外坡1：1.3。

5.4.11 下游排水設計

燕麥地大壩高30m，在下游壩坡高程2773.00m、2766.00m、2756.00m馬道各設置一排縱向排水溝；在下游壩腳和兩岸岸邊連接處設計排水溝，以便收集下游壩坡和兩岸岸坡雨水。下游壩坡排水匯入壩下游壩腳排水溝，形成完整的排水系統。下游壩腳的排水最終匯集到位于河漫灘最低處的滲流監測處，然后經渠流入下游河道。排水溝寬0.4m，深0.4m采用漿砌石。

5.4.12 主要工程量

燕麥地大壩加固主要工程量見表5.4-6。

5.4.13 大壩觀測設計

（1）監測設計原則。

1）突出重點、兼顧全局，密切結合工程具體情況，以危及建筑物安全的因素為重點監測對象，做到少而精。同時兼顧全局，又要能全面反映工程的運行狀況。

2）由于工程為已建工程，因此以外部變形和壩體滲流為主。監測項目的設置和測點的布設應滿足監測工程安全資料分析的需要。

3）對于監測設備的選擇要突出長期、穩定、可靠。

（2）監測項目選擇。為確保大壩的安全運行，掌握大壩的工作狀態，根據《土石壩安全監測技術規范》（SL 60—94）要求，結合本工程的實際情況以及類似工程的經驗，本工程設置了如下監測項目：

1）壩體的水平位移和垂直位移監測。

2）壩體的浸潤線監測。

3）壩基滲透壓力和繞壩滲流監測。

4）上下游水位以及氣溫監測。

（3）大壩安全監測。

1）已有安全監測項目。水庫無觀測設施，未進行系統的詳細觀測。

2）監測布置。①壩體的水平位移和垂直位移監測。外部變形監測是判斷大壩是否正常運行的重要指標。根據本水庫自身的特點以及運行情況，在壩頂和2766.00m下游馬道平行壩軸線方向上各布設一條測線，每條測線上每間隔30～40m設置一個測點。另外，為壩體沉陷情況，壩頂和2153.00m馬道位移測點監顧沉陷監測，另在壩體2773.00m下游馬道上設一道水準測點。②壩體浸潤線監測。對土石壩而言，壩體浸潤線的高低是大壩穩定與否的關鍵，為監測壩體浸潤線的分布情況，沿壩軸方向共布設兩個監測斷面進行監測。兩個監測斷面分別位于最大壩高和靠近輸水隧洞處，每個斷面布設3個測壓管。③壩基滲透壓力和繞壩滲流監測。繞壩滲流監測，由于右壩肩屬滑坡體，繞壩滲漏問題將較為突出，故在右岸設兩排測壓管，在左岸設一排測壓管。④滲流量監測。在壩體下游適當位置設置量水堰進行監測。⑤上下游水位監測。根據本水庫目前現狀，上游水位測點擬在隧洞的豎井內布設一支水位計，通過水壓力的變化來測定上游水位的高低。

（4）監測工程量見表5.4-7。