病险水库除险加固设计要点.ppt

1、病险水库除险加固设计要点,中水北方勘测设计研究有限责任公司 陆宗磐,1,前言1.主要病险问题2.安全鉴定3.除险加固设计4.加固工程实例,2,前 言,陈雷部长在全国水利工作会议上的报告： 今后2-3年，要突出抓好“十大水利工程”建设。一是病险水库除险加固工程。确保2010年年底完成6240座大中型和重点小型病险水库除险加固任务，在此基础上，启动大中型病险水闸除险加固工程，加快各地小型病险水库除险加固步伐。,前 言,全国病险水库除险加固专项规划项目共6240座（大型86座，中型1096座，小型5058座） 1975年1997年完成了81座病险水库的除险加固，1998年2007年开展了2300多座

2、病险水库的除险加固工作,前 言,截止到2006年底全国大型水库病险率由1999年底42下降到14，中型水库病险率由1999年底41下降到25,占中型水闸,占大型水闸,前 言,截止到2008年底全国已建成各类水库86353座，水库总库容6924亿立方米。其中，大型水库529座，中型水库3181座，小型水库82643座。全国大中型水库大坝安全达标率为64.1。 全国已建各类水闸43829座，其中大型水闸504座。在全部已建水闸中，分洪闸2647座，排涝闸14987座，挡潮闸5008座，引水闸8486座，节制闸12701座。,1.主要病险问题,病险水库的主要问题 1) 设计标准偏低(防洪标准、抗震标

3、准)。 2) 主要建筑物稳定差。 3) 主要建筑物不满足抗震稳定要求。 4) 坝体、坝基渗漏严重，危及大坝安全。 5) 建筑物质量差，泄洪、输水建筑物老化、破损、漏水、 露筋等。 6) 闸门、启闭设施和电气设备损坏，年久失修、运转不灵。 7) 水库的调度运用、维修养护、安全监测等管理设施严重 缺乏或不完善。 其他方面的问题，如水库淤积、山体滑坡、蚁害等。,1.主要病险问题,病险水闸的主要问题 1) 防洪标准偏低。 2) 闸室不稳定。 3) 闸基和两侧渗流不稳定。 4) 主要结构不满足抗震要求。 5) 闸室结构混凝土老化及严重损坏，如混凝土裂缝、剥蚀、脱落、碳化、疏松，钢筋锈蚀等。 6) 闸下游

4、消能防冲设施严重损坏。 7) 闸或枢纽范围上、下游河道淤积，造成泄水能力下降。 8) 闸门、启闭设施和电气设备损坏，或者老化、年久失修、运转不灵。 9) 观测设施缺少或者损坏失效。 10) 其他方面的问题，如枢纽布置不合理，防渗铺盖、翼墙、堤岸护坡损坏，管理房屋失修，防汛道路损坏，缺少备用电源、交通车辆和通信设施等。,2.安全鉴定,水库安全鉴定 水库大坝安全评价导则SL258-2000为“水库大坝安全鉴定办法(水管199586号)”的配套技术标准 水库大坝安全评价导则主要包括以下内容 (1)水库大坝的防洪标准复核、结构安全评价、渗流安全评价、抗震安全复核及金属结构安全评价 (2)与水库大坝安全

5、评价有关的工程质量评价及大坝运行管理评价 (3)在上述复核与评价基础上完成大坝安全的综合评价,2.安全鉴定,水库安全鉴定 综合大坝工程性状各专项安全性分级结果，最终确定安全分类，水库大坝安全分为三类： 一类坝安全可靠，能按设计正常运行； 二类坝基本安全，可在加强监控下运行； 三类坝不安全，属病险水库大坝。,2.安全鉴定,水库安全鉴定 （1） 有资质的单位对水库进行安全鉴定，在水库安全鉴定综合报告的结论中，明确为几类坝。 （2）报水利部大坝安全管理中心认定水库大坝属几类坝。,2.安全鉴定,水库安全鉴定，一般需提交如下报告： 水库安全鉴定综合报告； 水库大坝补充勘探报告； 水库设计洪水复核分析报告

6、； 水库大坝老化病害检测评估报告； 水库大坝现场检查报告； 水库大坝渗流、边坡稳定分析报告； 水库大坝建设与运行情况报告； 水库溢洪道、放水洞老化病害检测评估报告； 水库溢洪道（闸）安全复核报告； 水库放水洞安全复核报告；,2.安全鉴定,水闸安全鉴定 水闸安全鉴定管理办法(水建管2008214号) 水闸安全类别划分为四类： 一类闸：运用指标能达到设计标准，无影响正常运行的缺陷，按常规维修养护即可保证正常运行。 二类闸：运用指标基本达到设计标准，工程存在一定损坏，经大修后，可达到正常运行。 三类闸：运用指标达不到设计标准，工程存在严重损坏，经除险加固后，才能达到正常运行。 四类闸：运用指标无法达

7、到设计标准，工程存在严重安全问题，需降低标准运用或报废重建。,2.安全鉴定,水闸安全鉴定 水闸安全鉴定包括水闸安全评价、水闸安全评价成果审查和水闸安全鉴定报告书审定三个基本程序。 （一）水闸安全评价：鉴定组织单位进行水闸工程现状调查，委托有资质单位开展水闸安全评价提出水闸安全评价报告； （二）水闸安全评价成果审查：由鉴定审定部门或委托有关单位，主持召开水闸安全鉴定审查会，组织成立专家组，对水闸安全评价报告进行审查，形成水闸安全鉴定报告书； （三）水闸安全鉴定报告书审定：鉴定审定部门审定并印发水闸安全鉴定报告书。 水闸安全鉴定报告书格式要求详见附件,2.安全鉴定,大同水库首次安全鉴定报告书,3.

8、除险加固设计,3.1 除险加固设计基本要求 3.2 防洪标准及对策 3.3 抗震及加固措施 3.4 筑坝材料及填筑标准 3.5 渗流稳定及处理措施 3.6 溢洪道加固措施 3.7 坝下埋管加固措施 3.8 加固设计报告编制,3.除险加固设计,3.1 除险加固设计基本要求 一是遵循病险水库除险加固工程项目建设管理办法和有关现行国家标准、水利行业标准。 二是按照安全鉴定评价意见和存在的主要问题进行设计。 三是与水库除险加固本身无关的建设内容，如移 民安置、永久征地；与大坝安全无关的建筑物，如电站部分等，不应纳入。 四是优化比选设计方案，除险加固措施要安全可 靠，积极采用新技术、新材料、新工艺。 五

9、是严格控制工程概算，确保工程投资经济合理，力争节省工程投资，降低工程造价。,3.除险加固设计,3.2 防洪标准及对策 “63.8“洪水 中型水库5座，小型水库96座 “75.8”洪水 大型水库2座、中型水库2座、 小型水库58座 1991年江淮大水 小型水库39座 洪水标准不足 37.3%51.5% 工程质量差 35.9%38.5% 其它 8.8%26.2%,3.除险加固设计,3.2 防洪标准及对策 板桥水库 土坝，25m，库容4.92亿m3 洪水流量12790m3/s，3倍校核洪水，泄流能力1740m3/s 京广线102km，40座桥，世行评估100亿$灾民5400万，伤亡12万，其中死亡2

10、2564人 修复后，坝高50.5m，总泄水能力15000m3/s,1-1-1 水利水电工程分等指标,（1）对综合利用的水利水电工程，当按各综合利用项目的分等指标确定的等别不同时，其工程等别应按其中最高等别确定。 注：水库总库容指水库最高水位以下的静库容； （2）拦河水闸工程的等别，应根据其过闸流量，按表1-1-2确定。,工 程 等 别,表1-1-2 拦河水闸工程分等指标,表1-1-5 永久性水工建筑物级别,二、水工建筑物级别,1永久性水工建筑物级别(表1.1.5) （1）失事后损失巨大，可提高一级；损失不大可降低一级。经过论证并报主管部门批准。 （2）坝高超过表1-1-6指标，其级别可提高一级

11、，但洪水标准可不提高。 （3）地质条件复杂或采用新型结构时，可提高一级，但洪水标准不予提高。,水工建筑物,表1-2-1 山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准 重现期(年),表1-2-2 山区、丘陵区水利水电工程消能防冲建筑物洪水标准,表1-2-6 平原区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准 重现期（年）,3.除险加固设计,3.2 防洪标准及对策 提高防洪标准的措施 1) 加高防浪墙 2) 加高大坝 3) 扩建原泄洪建筑物 4) 新建泄洪建筑物(溢洪道、泄洪洞等) 5) 其它非工程措施(用于超标准洪水),3.除险加固设计,3.3 抗震及加固措施 3.3.1 地震震级和地震烈度 地震

12、动峰值加速度和地震反应谱特征周期，直接采用中国地震动参数区划图GB18306-2001中的参数。地震基本烈度由GB18306-2001查取地震动峰值加速度并按表1-8-1确定 工程抗震设防类别 水工建筑物的工程抗震设防类别应根据其重要性和工程场地基本烈度按表1-8-2的规定确定。,表1-8-1 地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表,表1-8-2 工程抗震设防类别,3.除险加固设计,3.3 抗震及加固措施 抗震加固措施 (1)增加坝顶超高 (2)放缓坝坡 (3)加强上部坝坡的稳定性 上部地震惯性力大，局部采用抛石或浆砌石护坡，设置钢筋或土石格栅或纵横钢筋砼梁 紫坪铺水库大坝下游坝坡加固方案

13、(4)填补翻修加厚反滤垫层 (5)振冲加固砂土地基 官厅水库，对下游坝脚细砂层进行，标贯由处理前12.5击提高到33.3-37击,3.4 筑坝材料及填筑标准,3.4.1 筑坝材料 (1)防渗体 1）防渗土料 渗透系数：均质坝不大于 110-4cms，心墙和斜墙不大于110-5cms。 水溶盐含量含量不大于3。 有机质含量：均质坝不大于5，心墙和斜墙不大于2，超过此规定需进行论证。 有较好的塑性和渗透稳定性。 浸水与失水时体积变化小。,3.4 筑坝材料及填筑标准,2）砾石土防渗体 砾石土或称砾石粘性土，是一种含有相当多粗砾土（粒径大于5mm），也含有一定数量淅沥土（粒径小于5mm）的混合料。其中

14、粒径大于5mm的颗粒含量不宜超过50%，最大粒径不宜大于150mm或铺土厚度的2/3，0.075mm以下的颗粒含量不应小于15。并且在填筑时不允许发生粗料集中架空的现象。实践证明，级配优良的砾石土，压实性好，抗剪强度高，压缩性低，便于施工，是一种优良的筑坝材料。,3.4 筑坝材料及填筑标准,3）其他防渗土料 一般情况下，塑性指数大于20和液限大于40的冲积粘土、膨胀土、开挖压实困难的干硬粘土、冻土、分散性粘土等不宜作为坝的防渗体填筑料，必须采用时，应根据其特性采用相应的措施。,3.4 筑坝材料及填筑标准,(2)坝壳料 应具有比较高的强度。 要求具有良好的排水性能。 砂、砾石、卵石、漂石、碎石等

15、无粘性土料以及料场开采的石料和开挖的石渣料，均可用作坝壳材料，但应根据其性质配置于坝壳的不同部位。,3.4 筑坝材料及填筑标准,（3）反滤料、过滤料及排水材料 1）反滤料、过滤层料和排水体料应采用质地致密坚硬，具有高度抗水性和抗风化能力的材料，风化料一般不能用作反滤料。 2）材料应具有要求的级配和透水性，其中反滤料和排水体料中粒径小于0.075mm的颗粒含量应不超过5。 3）宜尽量利用天然砂砾料筛选，当缺乏天然砂砾料时，亦可人工轧制，但应选用抗水性和抗风化能力强的母岩材料。 4）3级低坝经过论证可采用土工织物作为反滤层。,3.4 筑坝材料及填筑标准,3.4.2 填筑标准 (1)粘性土 粘性土的

16、填筑标准应以压实度和最优含水率作为设计控制指标。设计干密度应以击实最大干密度乘以压实度求得。 粘性土的压实度应符合下列要求： 1） 1级、2级坝和高坝的压实度应为98100，3级中、低坝及3级以下的中坝压实度应为9698； 2）设计地震烈度为8度、9度的地区，宜取上述规定的大值；,3.4 筑坝材料及填筑标准,(2)砂砾石和砂 砂砾石和砂的填筑标准应以相对密度为设计控制指标，并应符合下列要求： 1）砂砾石的相对密度不应低于0.75，砂的相对密度不应低于0.70，反滤料的相对密度宜为0.70。 2）砂砾石中粗粒料含量小于50时，应保证细料（小于5mm的颗粒）的相对密度也符合上述要求。,3.4 筑坝

17、材料及填筑标准,(2)砂砾石和砂 砂砾石和砂的填筑标准应以相对密度为设计控制指标，并应符合下列要求： 1）砂砾石的相对密度不应低于0.75，砂的相对密度不应低于0.70，反滤料的相对密度宜为0.70。 2）砂砾石中粗粒料含量小于50时，应保证细料（小于5mm的颗粒）的相对密度也符合上述要求。,3.4 筑坝材料及填筑标准,(3) 堆石的填筑标准用孔隙率为设计控制指标，并应符合下列要求： 1）土质防渗体分区坝和沥青混凝土心墙坝的堆石料，孔隙率宜为2028； 2）采用软岩、风化岩石筑坝时，孔隙率宜根据坝体变形、应力及抗剪强度等要求确定； 3）设计地震烈度为8度、9度的地区，可取上述孔隙率的小值。,3

18、.5 渗流稳定及处理措施,3.5.1 渗流安全评价 渗流问题而失事仅次于洪水漫顶 对土石坝而言，渗透水流除浸湿土壤降低其强度指标外，当渗透力大到一定程度时将导致坝坡滑动、防渗体被击穿、坝基出现管涌、流土等重大渗流事故，直接威胁大坝的运行安全。 对混凝土坝而言，坝基扬压力的大小将直接关系到坝体的抗滑稳定；两岸地下水位的高低将影响坝肩和岩体的稳定。有侵蚀性的渗流水还会对建筑物和坝基的可溶物质造成侵害。,3.5 渗流稳定及处理措施,渗流安全评价的主要方法 1) 现场检查法 2) 监测资料分析法、 3) 计算分析（或模型试验）法 4) 经验类比法,3.5 渗流稳定及处理措施,3.5.2土石坝渗流安全评

19、价 坝基 (1) 砂砾石层 包括各种砂层或砂砾石层、砾卵石层等。复核它们在渗流场内部有无管涌、接触冲刷和渗流出口有无管涌或流土破坏的可能性，尤其需注意渗流出口的稳定问题。 各种允许渗透比降的确定是关键，,3.5 渗流稳定及处理措施,3.5.2 土石坝渗流安全评价 (2) 覆盖层 系指相对于砂砾石层透水性较弱而带粘性的土壤层，一般多覆盖于具有双层地质结构特点的河谷沉积物上层。在下游坝脚附近主要承受自下而上的渗流作用力，其渗透变形形式一般为流土型。主要是复核其抗浮动的稳定性，其允许渗透比降宜由试验法或参考流土的指标确定。有反滤盖重的情况，还需核算其盖重厚度和范围是否满足各运行水位的要求等。,3.5

20、 渗流稳定及处理措施,3.5.2土石坝渗流安全评价 (3) 接触面 a.复核粗、细散粒料土层之间有无接触冲刷（流向平行界面）和接触流土（流向从细至粗垂直界面）的可能性；参考反滤层的设计指标进行评价。 b.复核散粒料土体与刚性物体界面的接触渗透稳定性。其判别标准最宜用试验法确定；,3.5 渗流稳定及处理措施,3.4.2土石坝渗流安全评价 坝体 (1) 均质坝 除应复核坝体的防渗性能是否满足规范要求、坝体实际浸润线和下游坝坡渗出段高程是否高于设计值外，还需注意坝内有无分散性土料和砂砾料夹层、横向或水平裂缝、松软结合带或渗漏通道等。,3.5 渗流稳定及处理措施,3.4.2 土石坝渗流安全评价 (2)

21、 组合（分区）坝 a.防渗体(心墙和斜墙) 防渗体的防渗性能，上下游侧有无合格的过渡保护层。 b.透水区 复核上游坝坡在库水骤降情况下的抗滑稳定性和下游坝坡出逸段（区）的渗透稳定性，下游坡渗出段的贴坡保护层需满足反滤层的设计要求。 c.过渡区 坝体粗、细填料之间以及贴坡排水等，复核反滤层设计的保土条件和排水条件是否合格、有无漏做，运行中有无明显集中渗流和大量固体颗粒被带出等异常现象。,3.5 渗流稳定及处理措施,土坝坝体的病害多表现为渗透破坏和变形破坏。渗透破坏的原因，主要是在堤坝填筑时，碾压不实，土体疏松，或老化失修，使坝体某些土区抗渗坡降降低，坝后出流部位残留过大的剩余水头，浸蚀土体；变形

22、破坏也多因填土不密实，产生不均匀变形。 解决坝体渗透破坏的原则是，必须形成连续的防渗体(帷幕)，并满足设计提出的允许渗透坡降的要求。,3.5 渗流稳定及处理措施,3.5.3 坝体防渗处理措施 (1) 劈裂灌浆 土坝坝体劈裂灌浆的应用范围，已由原来的中低土坝，发展到70m以上的高坝； (2) 充填灌浆 充填灌浆一般应用于坝身裂缝处理，常用粘土浆或粘土水泥浆；,3.5 渗流稳定及处理措施,(3) 振动沉模防渗板墙 采用先进的双模板沉模灌浆新工艺，形成的板墙具有连续无接缝、无开叉等特点；振动沉模防渗板墙技术适用于粘性土、砂性土，处理深度可达20m左右。 (4) 塑性混凝土防渗墙 混凝土中加入粘土或膨

23、润土，塑性混凝土具有初始弹模低、极限应变大，能适应较大变形，有利于改善墙体应力状态，降低造价。,3.5 渗流稳定及处理措施,3.5.4坝基防渗处理措施 土坝建坝以前处理不彻底或未处理，水库蓄水以后，出现渗透破坏。 (1)混凝土防渗墙(传统的槽孔式) (2)高压喷射灌浆 高压喷射灌浆技术重做覆盖层防渗体系是一较好的方案选择，它的优点是不需要开挖，不破坏坝体，不需要水库放水，造价便宜，施工速度快 (3)惟幕灌浆(主要适用于风化岩基),3.5 渗流稳定及处理措施,接触带渗漏处理 接触带包括河槽段、岸坡段截水槽与基岩的接触带；坝体内防渗土体和刚性建筑物的接触带等。 接触带处理不好，形成集中渗流的漏水通

24、道，经水流的浸蚀冲刷，出现渗透破坏。 (1) 国内外采用压力灌入水泥浆的办法较多 (2) 高压喷射灌浆技术，采用摆喷和旋喷工艺，在接触带上营造防渗帷幕，隔开坝体软土和基岩的接触。,3.5 渗流稳定及处理措施,渗透稳定计算 渗透稳定计算任务是鉴别土的渗透变形。通过渗流计算所获得的渗透比降等数据判明坝体、坝基及下游渗流出逸段是否存在渗透变形问题，为铺设反滤或加盖重等处理措施提供依据。,3.5 渗流稳定及处理措施,（一）渗透变形分类 流土：在渗流作用下土体整体浮动或流失； 管涌：在渗流作用下无粘性土中的细颗粒在孔隙中移动、流失； 接触冲刷和流失：渗流沿两种不同土层接触面流动时，沿接触面带走细颗粒，产

25、生接触冲刷，或渗流方向垂直于两相邻的不同土层，将渗透系数小的土层的细粒土带入渗透系数大的土层中，形成接触流失。,3.5 渗流稳定及处理措施,（二）渗透变形判别 （1）粘性土：对粘性土，由于有凝聚力，渗透变形主要为流土，一般不发生管涌。 （2）连续级配砂砾料：对于细料（一般为25mm）含量PZ35%为流失，如PZ20为管涌，Cu在1020间为过渡型。 （3）缺乏中间粒径砂砾料：如中间粒径（一般为25mm）以下的细粒含量PZ35%为流土，PZ25%为管涌，25%PZ35%为过渡型。,3.5 渗流稳定及处理措施,（三）允许渗透比降确定 （1）通过试验确定 （2）通过计算确定 （3）工程类比,3.5

26、渗流稳定及处理措施,坝体排水 (1)降低坝体浸润线，减小坝体孔隙水压力，增加坝坡稳定； (2)控制渗流，防止渗透破坏； (3)保护坝坡土，防止冻胀破坏。 坝体排水型式： 棱体排水、贴坡排水、坝内排水以及综合型排水。,3.5 渗流稳定及处理措施,适用于下游有水的各种坝型及坝基。顶部高出尾水位，棱体排水能降低坝体浸润线，防止尾水风浪冲刷，增加下游坡稳定，但需较多石方，造价较高，棱体排水施工与坝体填筑有干扰。,棱体排水 （图5-8）,3.5 渗流稳定及处理措施,可先填坝体，后筑贴坡排水， 但不能降低坝体浸润线，对下游坝坡稳定不能提供明显帮助。主要作用是：保护浸润线以下坝体材料不被渗水带出沿坡面流失，

27、如有尾水位，贴坡排水还可防止风浪冲刷坝坡。 贴坡排水适用于坝体浸润线不高、下游坝壳无论是土料或砂砾料，坝基无论是透水或不透水都可用贴坡排水，其顶部应高于浸润线逸出点，,贴坡排水 （图5-9）,3.5 渗流稳定及处理措施,坝内排水 (1)水平褥垫排水核心由堆石或卵砾石组成，外包反滤，从下游坝趾开始，成片连续沿坝体与坝基接触面水平伸入坝体。伸入长度由计算确定，对于不透水基上均质土坝，伸入长度最多为坝底宽1/21/3。这种排水能较多降低坝体浸润线，适用于下游无水情况。,水平褥垫排水 （图5-10）,3.5 渗流稳定及处理措施,坝内排水 (2)网状排水 网状排水由与坝轴平行的纵向排水及垂直于坝轴的横向

28、排水组成。 排渗效果比水平褥垫排水差些,3.5 渗流稳定及处理措施,坝内排水 (3)竖式排水 对不透水基上均质土坝，最好设竖式排水，截断坝体渗流，有效降低坝体浸润线(4)横向排水 在国外，有些均质土坝还在不同高程的上下游坝体设置若干层水平横向排水，每层上下游不连通，以预留防渗体隔开,3.5 渗流稳定及处理措施,3.5.5 混凝土坝的渗流安全评价 (1) 坝基渗流 侧重于岩基破碎带和软弱夹层的渗透稳定性，以及坝基扬压力对大坝抗滑稳定性的影响。 (2) 渗漏量及其水质评价 a.混凝土大坝的渗流量观测资料，绝对值的大小也没有严格的评判标准。最关心的也应是当前观测值与其历史显现值的相对比较，再结合扬压力观测的分析，综合评价大坝的渗流安全。 b.渗漏水的水质评价，除注意水流携出的固体物质外，还需注意析出物和水质化学成分的观测分析，并与库水的化学成分作对比，以判断对混凝土建筑物或天然地基有无破坏性化学侵