临县阳坡水库大坝设计

临县阳坡水库大坝设计

1阳坡水库大坝建设概况阳坡水库位于魁河上游。是一座集防洪、灌溉、水产养殖等综合利用于一体的中型节水项目。阳坡水库现状(2009年)总库容1757m3,主要由大坝、溢洪道、输水洞等建筑物组成。坝址控制流域面积251km2,水库所在区域为大陆性气候,流域长度24.8km,纵坡21.7%,植被良好。临县阳坡水库于1958年动工兴建,1960年投入使用。建设于大跃进年代,属“三边”(边设计、边勘察、边施工)工程,设计为水中倒土施工坝,工程竣工后一直带病运行。水库竣工蓄水后,发现坝下游有部分渗漏。1962年初,右坝段下游(坝基未做截水槽部分)产生管涌,在坝坡下游产生3个塌坑,挟带泥沙,渗水浑浊,最大渗量达到0.182m3/s,采取放空水库,在坝上游库区50m的范围内夯铺黏土,下游主河槽1011.0m高程以下堆放砂砾料进行加固后,浑水变清。2大坝失坡溢洪道大坝为均质土坝,坝顶长705m,坝顶宽5.0m,坝顶高程1029.2m,最大坝高30.2m,坝顶筑防浪墙高1.2m,墙顶高程1030.4m。大坝左岸与黄土台地相接,右岸为长石石英岩。大坝上游坝坡从下往上依次为1∶3.5,1∶3.0,1∶2.5和1∶2.0,分别在高程1018.0m和1022.5m处各设置了2.0m宽的马道。下游坝坡从下往上依次为1∶3.0,1∶2.5,1∶2.0和1∶1.5,分别在高程1010.0m和1016.0m处各设置了3.0m宽的马道。大坝上游坝坡为干砌片石护坡,厚0.4m,护坡下为0.3m厚砂砾料垫层。下游坝坡1016.0m高程以下设有贴坡式排水。1016.0m高程以上采用草皮护坡,设水平排水沟2条,垂直排水沟4条,白灰砂浆砌片石砌筑,过水断面为0.3m×0.3m。大坝坝基河床高程为999.0m左右。右坝基(桩号0+030~0+240)为现代河床,基岩埋深浅,覆盖层厚5.3~6.6m,岩性为第四系全新统洪冲积卵石混合土,坝基设截水槽,长190m,桩号0+050~0+240。左坝基(桩号0+240~0+625)为古河道段,河谷深切,覆盖层厚达26~31m,岩性为第四系全新统洪冲积卵石混合土与低液限粘土和上第三系上新统静乐组卵石混合土,局部夹级配不良砂透镜体,该段坝基未设截水槽。输水洞位于右岸坡坝下,座落在砂砾石基础上。进水口形式为斜坡式卧管,管长42m,纵坡1∶1.5,顶部高程1029.0m,断面形式为矩形,采用钢筋混凝土结构,共设有斜拉式梯级闸门15级,每级2孔,共30孔,闸门孔口尺寸为1.0m×0.5m,采用钢筋混凝土闸门和手摇5t卷扬机起动。由于淤积严重,已有5层永久封闭。卧管底部有深1.6m,长7.5m的混凝土消力池与无压城门洞型浆砌石涵洞相接,涵洞段长度130m,纵坡1%,其断面为1.8m×1.8m,进口底高程1002.3m,出口底高程1001.0m,设计流量5m3/s。大坝右岸布置开敞式溢洪道,基础为石英砂岩,质地较好。1975年溢洪道设计的主要内容:溢洪道宽30m,在进口高程1021.6m上设2.4m溢流堰,堰顶高程为1024.0m,下接陡坡,陡坡上段比降1/186,下段为1/7,堰两侧为浆砌石挡墙。但由于各种原因,工程仅将溢洪道第一段(140m左右)扩宽、开挖至设计宽度和高程后(亦没有成型),剩余工程没有实施。目前在溢洪道进口堆土堰替代溢流堰,保证兴利库容。溢洪道桩号0+140m至0+210m左右仍为宽7~9m的天然冲沟,难以满足泄洪要求,严重威胁到大坝安全。阳坡水库保护下游3333.3hm2耕地,临县县城及乡镇、自然村,总人口为9.5万人,有机关学校7所、中小型企业3个,有县级公路80km,高压线路4km等的防洪安全。水库设计灌溉面积1533.3公顷,灌溉保证率50%。3大坝渗流及渗流破坏情况(1)水库防洪能力低,经复核,水库现状防洪标准仅能达到50年一遇设计,100年一遇校核标准,未达《水利水电等级划分及洪水标准》(SL252—2000)规定的50年一遇洪水设计,1000年一遇洪水校核标准。(2)坝基左部主河槽(0+240~0+625)为卵石混合土,坝基左部为冲击黄土层,厚2.5m,黄土层以下为25~27m厚的四级松散砂砾石及砂壤土夹砾石层。坝基仅在桩号0+050~0+240处之间做了190m长截水槽处理,建库初期左坝基曾发生严重渗漏与管涌险情,之后进行了封堵铺盖处理。迄今该水库未经受正常蓄水位的考验,本次勘察时发现坝下游坡脚处有5处渗水点,地下水位埋深0.3m,坝下游地面呈饱和状态,踩踏有松软感。经渗流稳定计算,目前坝基仍存在渗流稳定问题,威胁大坝安全。(3)坝体土和坝基卵石混合土层接触面存在接触冲刷隐患。(4)大坝上游坝坡干砌石下仅30cm厚砂卵石垫层,不满足上游坝坡反滤及冻胀要求,冬季上游坝坡发生冻胀,引起上游水面附近干砌石变形,目前损坏比较严重,急待修复。坝顶防浪墙为砖砌结构,目前已多处断裂破坏,无法满足防浪墙结构要求,威胁大坝度汛安全。(5)溢洪道未完建,溢洪道出口仅为宽约7~9m的天然冲沟,远不能满足汛期泄洪要求,严重威胁大坝安全。(6)输水洞取水卧管的进水口控制闸门目前为钢筋混凝土闸门,沿斜坡滑动启闭。自重较大且年久锈蚀,滑动阻力大,高水头关闭非常困难,致使涵管内水流由无压变为有压,威胁输水涵洞安全,且该闸门止水破坏,目前漏水严重。(7)输水涵洞建成近50年,涵洞钙质流失,洞身浆砌石存在“淌白浆”现象;洞身有裂缝,局部存在射流;分缝处止水已破坏,目前洞身与洞顶坝体土存在接触冲刷破坏,曾导致洞身上部的大坝下游坝坡多次出现塌陷。(8)溢洪道进口的跨溢洪道简易桥年久失修,已成危桥,不满足防洪抢险要求。(9)大坝现仅有一个坝体浸润线观测断面尚能使用,无安全监测设施,无雨、水情测报系统。4水库基础防渗方案的选择4.1坝体防渗及坝体土铺设问题(1)坝基现状截水槽未全断面封闭,据水库有关资料记载和本次勘察资料,目前阳坡水库大坝坝基仅右坝段坝基覆盖层较薄段范围内,建库时设置有截水槽,长仅190m;左坝基覆盖较厚段未做坝基防渗工程。(2)坝体土与坝基卵石混合土层接触面存在接触冲刷。(3)坝基存在渗透破坏,经大坝渗流稳定分析计算,坝基未设截水槽段坝基卵石混合土出逸比降大于允许值,不满足规范要求。历史上当水位在1023m以上时,左坝段下游坝坡曾出现过多处渗漏点,其中在1960年发生大洪水,库水位达到高程1024m时,在坝下游坡脚左坝基产生管涌。目前大坝下游坝脚处地下水位埋深仅0.3m,地层呈饱和状态,踩踏时有松软感。由于上述原因,为了使水库能够安全运行,必须对坝基进行防渗处理,以解决目前存在的安全隐患问题。4.2坝体防渗法防渗墙设计方案本工程坝基处理的基本特点是:(1)处理深度较大,为坝顶以下34.84~50.68m;(2)处理范围内坝基土第四系全新统洪冲积卵石混合土与低液限粘土和上第三系上新统静乐组卵石混合土,局部夹级配不良砂透镜体。结合本工程的实际情况,比较适合防渗加固的工程措施为:混凝土防渗墙,深层搅拌法防渗墙,高压喷射防渗墙等方法。(1)混凝土防渗墙。混凝土防渗墙是采用薄型液压抓斗在坝体及下伏土层中挖掘成槽,然后浇筑混凝土形成连续防渗墙,其特点是:墙体连接可靠,整体性好,平整度高,施工质量易于保证,处理深度大、防渗效果好,但单位面积造价高。混凝土防渗墙施工时需从坝顶开槽至坝基,将混凝土防渗墙自槽底浇筑至坝顶,而本工程中需防渗处理的是坝基覆盖层,坝体为均质土坝,渗透性能满足要求,不需进行防渗处理。可见,如在本工程中采用混凝土防渗墙将造成不必要的浪费,加大投资。(2)深层搅拌法防渗墙。深层搅拌法防渗墙主要是利用水泥作为固化剂,通过特别的深层搅拌机械,在地基深处就地将软土和水泥(浆液或粉体)强制搅拌后,水泥和软土将产生一系列物理化学反应,使软土硬结改性。改性后的软土强度大大高于天然强度,其压缩性、渗透性比天然软土大大降低。深层搅拌法防渗墙施工简便、工效高、料源广、造价低,与坝体及基岩面搭接部位防渗效果好,工程投资小。但深层搅拌法防渗墙处理深度一般≤30m,在本工程中不适用。(3)高压摆喷灌浆防渗墙。高压摆喷灌浆防渗墙是借助于高压水泥浆液射流冲击破坏被灌地层结构,使水泥浆液与被灌地层土颗粒掺混,形成壁状固结体而起防渗作用。本工程中对大坝下覆卵砾石层采用双排梅花型摆喷灌浆防渗墙。其优点是:施工工艺设备简单,施工简便,工效高,料源广,处理深度大,与基岩面自然结合,搭接部位防渗效果比较可靠。缺点是垂直度要求较高,需要专业施工力量。(4)方案选择。经上述分析比较,高压喷射防渗墙方案可有效且经济地解决本工程中的坝基渗漏问题,故本次设计将此方案作为推荐方案,即本工程中采用单排旋摆喷灌浆方式,孔距1.2m。5大坝防渗防渗墙由于水库存在严重的渗漏稳定问题,且坝基与坝体接触面存在接触冲刷隐患,并针对坝基粗粒土为卵石混合土,其中卵石含量26.3%~51.7%,粗砾占11.1%~40.6%,本次除险加固设计拟对坝基及左坝肩采用单排高压旋摆喷灌浆方式进行防渗,桩号范围为大坝0+235.00~0+735.00,其中大坝0+235~0+574段防渗轴线位于大坝上游30.25m处的1018m马道,与右坝基截水槽(0+030~0+240)轴线重合,并搭接5m;在大坝0+574处轴线右转30°拐向坝轴线,在大坝0+630处与坝轴