5.4 土坝加固设计

5.4.1 坝顶高程确定

按照《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001）计算坝顶超高，坝顶高程计算公式为：

y=R+e+A

式中 y——顶超高，m；

R——平均波浪爬高，m；

e——风壅水面高度，m；

A——安全加高，m，设计工况取0.5m，校核工况取0.3m。

（1）风壅水面高度e。

式中 K——综合摩阻系数，K=3.6×10^-6；

β——风向与水域中线的夹角，β=0°；

D——风区长度，m；

W——计算风速，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试验站公式计算。

式中 h_m——平均波高，m；

T_m——平均波周期，s。

（3）平均波长。

式中 L_m——平均波长，m；

H——坝迎水面前水深，m。

（4）平均波浪爬高。正向来波在m=1.5～5.0的单一斜坡上的平均爬高按下式计算：

式中 R_m——平均波浪爬高，m；

K_Δ——斜坡的糙率渗透性系数，查SL 274—2001附表A.1.12-1，干砌石护坡K_Δ=0.80；

K_w——经验系数，查SL 274—2001附表A.1.12-2；

m——斜坡的坡度系数，m=2.6。

设计波浪爬高值应根据工程等级确定，4级坝采用累积频率为5%的爬高值R_5%。

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001），坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，分别按以下组合计算，取其最大值：

1）设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高。

2）正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高。

3）校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高。

4）正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高。

根据鲁甸县气象站的观测资料统计分析，多年平均最大风速为19.7m/s，设计风速正常运用情况下乘以1.5系数为29.6m/s，吹程992.00m。坝顶高程计算结果见表5.4-1。

从表5.4-1看出，设计洪水位工况控制坝顶高程，根据计算情况取坝顶高程为2781.20m。

现大坝坝顶高程2780.00m，加高后的坝顶高程2781.20m，大坝需加高高度为1.20m，可采取在坝顶加1.2m防浪墙，原坝体不加高方案。

5.4.2 大坝加固方案

燕麦地水库为特定历史条件下的产物，现坝体存在较多的质量缺陷。主要表现为上游护坡破坏、下游无护坡、坝体填土干密度较小、坝体防渗性能较差，坝基渗漏严重，坝顶高度低，不满足设计要求等问题。但大坝需要解决的主要问题是渗漏稳定和坝体加高问题。

为了保证大坝的安全，应尽可能大的降低坝体内浸润线，封堵坝基渗漏通道，针对主坝在此考虑了三种防渗方案：方案一是坝体采用复合土工膜、基础采用高压定喷桩防渗；方案二是坝体坝基均采用复合土工膜防渗；方案三是坝体坝基均采用高压定喷桩防渗。

方案一：结合上游护坡改建，拆除原干砌石护坡，坡面整平后铺设两布一膜复合土工膜，以防止随着水库运用水位升高后，坝体浸润线升高引起坝体新的变形，导致沿坝体裂缝以及填筑结合面可能产生的集中渗漏。复合土工膜铺设到现淤积面高程，此高程以下采用高压定喷桩作为坝基防渗，顶部与复合土工膜连接，底部嵌入基岩1m。此方案的优点是既可彻底解决坝体与坝基的渗漏问题，又可减少施工围堰和施工期间的基坑排水。

方案二：自水库运行以来，库区淤积较严重，坝前最大淤积厚为13.1m，库尾最大淤积厚2.5m。原坝基河床底部残留第四系含砾质黏土夹砂卵砾石冲洪积厚1.0～1.8m，下伏基岩为强—弱风化岩体，由于库区淤积，可作为坝前水平铺盖，防止地基渗漏，所以，设计结合上游护坡改建，拆除原干砌石护坡，坡面整平后铺设两布一膜复合土工膜，直至现淤积面高程以下2m，此高程以下不再进行防渗处理。

此方案的优点是：施工简单，工程投资少。

方案三：坝体与坝基均采用高压定喷桩防渗墙，即在坝顶向下做高压定喷桩，直至岩石下1m。此方案的优点是可以彻底解决坝体坝基防渗，减少施工期围堰、基坑排水等投资，缺点是高压定喷桩投资较土工膜大，造成工程总投资偏高。

复合土工膜具有适应变形能力强，防渗性能好的特点，而且在近几年的病险水库加固处理中得到了广泛的应用，施工工艺成熟。方案二充分利用现坝前淤积层作为坝基防渗，复合土工膜作为坝体防渗，既可解决坝体坝基防渗问题，又可节省工程投资，故推荐方案二。

左岸基岩裸露的，喷混凝土；右岸滑坡体物质包含地表土及部分全至强风化玄武岩，将表面植物、腐殖物清除，基础整平，铺设复合土工膜以延长渗径，解决两岸绕渗问题。

5.4.3 坝顶加高

根据坝顶高程计算结果，坝顶需加高1.2m，由于加高高度较低，可采用在坝顶上游侧加混凝土防浪墙方案。现坝顶高程不变，为2780.00m，防浪墙顶高程2781.20m，高出坝顶1.2m。

5.4.4 坝体裂缝处理

裂缝处理采用开挖回填的方法处理：①深度不超过1.5m的裂缝，可顺裂缝开挖成梯形断面的沟槽；②深度大于1.5m的裂缝，可采用台阶式开挖回填；③横向裂缝开挖时应作垂直于裂缝的结合槽，以保证其防渗性能。

坝体裂缝处理，开挖前需向裂缝内灌入白灰水，以利于掌握开挖边界；开挖时顺裂缝开挖成梯形断面的沟槽，根据开挖深度可采用台阶式开挖，确保施工安全。裂缝相距较近时，可一并处理。裂缝开挖后防止日晒、雨淋。

回填土料与坝体土料相同，应分层夯实，达到原坝体的干密度。

回填时要注意新老土的结合，边角处用小榔头击实。注意勿使槽内发生干缩裂缝。

5.4.5 防渗设计

（1）防渗方案。结合上游护坡改建，拆除原干砌石护坡，坡面整平后铺设两布一膜复合土工膜，以防止随着水库运用水位升高后，坝体浸润线升高引起坝体新的变形，导致沿坝体裂缝以及填筑结合面可能产生的集中渗漏。复合土工膜铺到淤积面高程以下2m，此高程以下靠现坝前淤积防渗。

左岸基岩裸露的，采用喷混凝土减少渗漏量，喷混凝土厚0.05m，喷混凝土前，应对岩石边坡上的浮土、悬石和风化剥落层进行清除；右岸滑坡体物质包含地表土及部分全至强风化玄武岩，将表面植物、腐殖物清除，基础整平，铺设复合土工膜以延长渗径，解决两岸绕渗问题。

喷混凝土范围和铺设复合土工膜范围均按稍大于1倍的坝高考虑，为40m，以延长两岸渗径，减小两岸绕渗。

（2）复合土工膜选型。工程常用土工膜有聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）两种。PVC膜比重大于PE膜；PE膜较PVC膜易碎化；PE膜成本价低于PVC膜；两者防渗性能相当；PVC膜可采用热焊或胶粘，PE膜只能热焊；PVC膜和PE膜还有一个突出差别，就是膜的幅宽，PVC复合土工膜一般为1.5～2.0m，PE复合土工膜可达4.0～6.0m，相应地接缝PE膜比PVC膜减少一倍以上。而且，PE膜接缝采用热焊，施工质量较稳定，焊缝质量易于检查，施工速度快，工程费用低。PVC膜虽然可焊接，可胶粘，但胶粘施工质量受人为因素较大，大面积施工中黏缝质量较难控制，成本较高；采用焊接时温度控制很关键，温度较高，易碳化，较低，则焊接不牢。

在物理性能、力学性能、水力学性能相当的情况下，大面积土工膜施工，为减少接缝，确保施工质量，土工膜采用PE膜。根据工程类比，PE膜厚度选用0.5mm。

复合土工膜是膜和织物热压粘合或胶粘剂粘合而成，土工织物保护土工膜以防止土工膜被接触的卵石碎石刺破，防止铺设时被人和机械压坏，亦可防止运输时损坏，织物材料选用纯新涤纶针刺非织造土工织物，规格为200g/m²。复合土工膜采用两布一膜，规格为200g/0.5mm/200g。

鉴于坝体防渗需要全部由复合土工膜来承担，为了适应大坝未来较大的变形，土工织物采用长丝结构。为了减少接缝，降低大坝发生问题的几率，复合土工膜幅宽采用5m。

鉴于复合土工膜防渗系统对该工程安全的重要性，其指标应满足以下基本要求。

断裂强度：不小于26kN/m；

断裂伸长率：不小于65%；

撕破强度：不小于0.7kN；

CBR顶破强力：不小于6.0kN。

此外，土工膜应具有较好的抗老化、抗冻性能。

（3）复合土工膜施工注意事项。坝坡复合土工膜是由一幅幅土工膜拼接而成的，接缝多，因此施工很关键，施工质量是土工膜防渗性能好坏的一个决定性因素。复合土工膜的铺设要注意下列几点：

1）复合土工膜施工前操作人员要经过上岗前的技术培训，培训合格后方可进行施工。

2）土工膜由厂家运至仓库后，即作抽样检查，对不合格产品及时要求厂家更换。

3）土工膜铺设前，清除坡面杂物等，将坡面夯拍整平。

4）土工膜铺设时注意土工膜张弛适度，避免应力集中和人为损伤。要求土工膜与接触面吻合平整，防止土工膜折皱形成渗水通道的现象。

5）土工膜接缝焊接前必须清除膜面的脏物保证膜面清洁，膜与膜接合平整后方可施焊。施工宜在室外气温5℃以上、风力4级以下、无雨雪天气。阴雨天应在雨棚下作业，以保持焊接面干燥。在爬行焊接过程中，操作人员要仔细观察焊接双缝质量，随时根据环境温度的变化调整焊接温度及行走速度。可先在试样上试焊，定出合理的工艺参数再正式焊接。正式焊接时对焊缝要仔细检查，主要看两条焊缝是否清晰、透明，有无气泡、漏焊、熔点或焊缝跑边等。不合格的要进行补焊。在焊接过程中和焊接后2h内，焊接面不得承受任何拉力，严禁连接面发生错动。

6）膜、布的连接，要松紧适度，自然平顺，确保膜布联合受力。对焊接接头应100%检查，采用接缝充水或充气的方法检查。接缝强度不低于母材的80%。

7）复合土工膜的铺设应自上向下滚铺。

8）复合土工膜应坝顶上游侧墙及泄水涵洞的衔接处，应把复合土工膜裁剪成适合该角隅的形状，注意防止角隅处复合土工膜架空，不贴基面。

9）尽量不在酷热天气强阳光下铺设。铺设过程中，作业人员不得穿硬底皮鞋及带钉的鞋。

10）为防止大风吹损，在铺设期间所有的复合土工膜均应用沙袋或软性重物压住，接缝焊接后把沙袋移压在接缝上，直至保护层施工完为止。当天铺设的复合土工膜应在当天全部拼接完成。复合土工膜完成铺设和拼接后，应及时（48h内）回填保护层。斜坡保护层应妥善保护，防止阳光直射复合土工膜或雨水冲刷保护层。

铺设干砌石护坡时应采取可靠的保护措施，确保土工膜不受损坏。

5.4.6 坝的计算分析

（1）渗流计算。

1）计算方法。渗流计算程序采用河海大学工程力学研究所编制的《水工结构分析系统（AutoBANK v5.0）》。计算采用二维有限元法，按各向同性介质模型，采用拉普拉斯方程式，用半自动方式生成四边形单元，对复杂的剖分区域需要用若干个四边形子域拼接形成，划分单元对子域依次进行。

2）计算断面。

坝总长185m，选择河床最大断面进行渗流计算。

上游正常蓄水位2778.00m，下游水位与地面平。

3）基本参数选取。根据地质勘探资料，结合工程的材料特性，选用坝身、坝基材料渗流计算参数见表5.4-2。

4）渗流计算成果及分析。渗流计算结果见图5.4-1。

从表5.4-3渗流计算结果看：由于坝体采用复合土工膜，坝体浸润线位置均较低，对大体稳定有利。

坡脚出逸比降为0.35，小于压实黏土的允许水力坡降建议值0.402，因此不会发生渗透破坏。

（2）坝坡稳定计算分析。该坝为4级建筑物。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001）的要求及工程情况，大坝抗滑稳定应包括正常情况和非常情况，计算情况如下：

正常运用条件：

1）水库水位处于正常蓄水位和设计洪水位与死水位之间的各种水位稳定渗流期的上游坝坡，规范要求安全系数不应小于1.25。

2）水库水位处于正常蓄水位和设计洪水位稳定渗流期的下游坝坡，规范要求安全系数不应小于1.25。

非常运用条件Ⅰ：

1）本次加固对原坝体体型未改变，因此不再复核施工期的稳定。

2）水库水位的非常降落，每年灌溉期，库水位从正常蓄水位降落到死水位。

非常运用条件Ⅱ：

正常运用条件遇地震的上下游坝坡，规范要求安全系数不应小于1.10，大坝按Ⅶ度地震设防。

稳定计算采用黄河勘测设计有限公司与河海大学工程力学研究所联合研制的《土石坝稳定分析系统r1.2》。该程序有规范规定的瑞典圆弧法和考虑条块间作用力的各种方法。计算方法采用计及条块间作用力的采用简化毕肖普法，圆弧滑动。

简化毕肖普法公式：

式中 W——土条重量；

V——垂直地震惯性力（向上为负，向下为正）；

u——作用于土条底面的孔隙压力；

α——条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；

b——土条宽度；

c′、φ′——土条底面的有效应力抗剪强度指标；

M_C——水平地震惯性力对圆心的力矩；

R——圆弧半径。

稳定计算材料强度指标根据安全鉴定期间做的试验和工程类比确定。试验指标偏低，主要原因有几种：①试验为不固结不排水剪UU指标，较水库运用期的CD指标低；②试验所用样品为钻孔所取，很难保证土样不扰动；③从标准贯入击数可看出，抗剪强度也偏低，坝体贯入击数平均值为11.8，地基承载力平均为302kPa。稳定计算最终采用的指标见表5.4-4。

稳定计算分析成果见表5.4-5。成果图见图5.4-2。坝坡在各计算工况下均满足抗滑稳定要求。

（3）复合土工膜的稳定分析。根据《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SLT 225—98），需验算水位骤降时，防护层与土工膜之间的抗滑稳定性。采用附录A中推荐的计算方法。计算采用极限平衡法。坝坡复合土工膜上面铺设了厚度30cm的砂卵石和厚度30cm的干砌石，为等厚保护层，因此抗滑稳定安全系数可按下式计算：

式中 δ、f——上垫层土料、下卧土层与复合土工膜之间的摩擦角、摩擦系数；

α——复合土工膜铺放坡角。

根据工程经验，土工织物与砂卵石之间的摩擦角取26°。上游坝坡坡度为1：2.6。边坡计算的抗滑安全系数为1.27，边坡复合土工膜与砂卵石之间的抗滑稳定安全系数满足《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001）规定的4级建筑物骤降情况的安全系数1.25的要求。

复合土工膜直接铺设在主坝材料土坡上。土工织物与土的摩擦系数一般为0.43左右，取0.43计算，计算的土工织物与大坝边坡的抗滑稳定安全系数为1.12，安全系数不完全满足规范要求，为增强复合土工膜的抗滑稳定性，在高程2775.00m、2770.00m、2765.00m及坡脚设止滑槽。

燕麦地水库的主要功能是灌溉，水位降落速度较慢，随着库水的降落，坝坡干砌石后的水位也会随之下降，对坝坡稳定不会造成危害。

增加止滑槽提高防渗结构的抗滑稳定性规范中有此规定，并且在已完工的除险加固工程中有所应用。如：义乌长堰水库为黏土斜墙坝，坝高37m，坝坡分三级，分别为1：1.5、1：2.6及1：2.8，采用复合土工膜防渗加固，设三道抗滑沟。

5.4.7 坝顶结构设计

原坝顶宽度3.5～5.0m，为了交通方便和坝体美观，本次设计将坝顶宽度统一定宽度5.0m。坝顶路面采用沥青路面，厚度0.34m，其中灰土基层厚度0.3m，沥青碎石层厚度0.04m。路面设倾向下游的单面排水坡，坡度为2%。

5.4.8 上游坝坡处理及设计

主坝上游坝面由于采用复合土工膜防渗，须对上游坝面进行清基，因此，与上游护坡改造相结合，统一考虑。

为了保证复合土工膜与坝体连接质量和避免其他材料对土工膜的破坏，上游坝面应清除干砌石护坡及其垫层，并应保持坝面平顺。

复合土工膜直接铺设在原坝坡上。土工膜上游面为防止波浪淘刷、风沙的吹蚀、紫外线辐射以及膜下水压力的顶托而浮起等，需要在土工膜上设保护层。保护层分为面层和垫层。

保护层面层采用厚度0.3m的干砌石，要求石料坚硬，抗风化能力强。

保护层垫层采用厚度0.3m的砂砾料，粒径范围为0.1～40mm的连续级配，小于0.075mm的颗粒含量应小于5%。

为增加护坡稳定性，在高程986.00m、982.70m、974.70m及坡脚设止滑槽。

复合土工膜顶部与坝顶上游侧防浪墙连接，与输水涵洞混凝土采用锚固连接，底部挖槽埋在土中。

5.4.9 下游坝坡处理及设计

现大坝下游坝坡变形严重，坡面遍布冲沟，且有滑坡堆积体，应对其进行整修。整修原则是在保证坝坡稳定的前提下，为了减少工程投资，原坝坡基本不变，仅对坝坡进行整修。现坝坡表面清除0.3m厚杂草等，其余整平碾压。整修后下游坝坡在高程2773.00m和高程2766.00m各设一马道，宽度3.0m，高程2773.00m马道以上坝坡为1：2.5，高程2773.00～2766.00m间坝坡为1：2.8，高程2776.00m以下至排水棱体间为1：2，排水棱体顶高程2756.00m，宽度不变，为0～12m，以下坡度为1：1.3。

下游坝面采用草皮护坡。为了保证草皮护坡的成活率，在下游坝坡填筑垂直厚度0.3m厚的耕植土。

5.4.10 下游排水棱体设计

现下游坝脚排水棱体坍塌、脱落严重，需进行整修。将原排水棱体表面风化破碎的岩石清除，其余部分整平。为了保证排水畅通，在清除后的下游面，分别铺设垂直厚度0.2m的砂卵石、粗砂、砂卵石和0.4m厚的干砌石。

棱体排水顶高程与原设计相同，为2756.00m，顶宽与现状相同，为0～12m，外坡1：1.3。

5.4.11 下游排水设计

燕麦地大坝高30m，在下游坝坡高程2773.00m、2766.00m、2756.00m马道各设置一排纵向排水沟；在下游坝脚和两岸岸边连接处设计排水沟，以便收集下游坝坡和两岸岸坡雨水。下游坝坡排水汇入坝下游坝脚排水沟，形成完整的排水系统。下游坝脚的排水最终汇集到位于河漫滩最低处的渗流监测处，然后经渠流入下游河道。排水沟宽0.4m，深0.4m采用浆砌石。

5.4.12 主要工程量

燕麦地大坝加固主要工程量见表5.4-6。

5.4.13 大坝观测设计

（1）监测设计原则。

1）突出重点、兼顾全局，密切结合工程具体情况，以危及建筑物安全的因素为重点监测对象，做到少而精。同时兼顾全局，又要能全面反映工程的运行状况。

2）由于工程为已建工程，因此以外部变形和坝体渗流为主。监测项目的设置和测点的布设应满足监测工程安全资料分析的需要。

3）对于监测设备的选择要突出长期、稳定、可靠。

（2）监测项目选择。为确保大坝的安全运行，掌握大坝的工作状态，根据《土石坝安全监测技术规范》（SL 60—94）要求，结合本工程的实际情况以及类似工程的经验，本工程设置了如下监测项目：

1）坝体的水平位移和垂直位移监测。

2）坝体的浸润线监测。

3）坝基渗透压力和绕坝渗流监测。

4）上下游水位以及气温监测。

（3）大坝安全监测。

1）已有安全监测项目。水库无观测设施，未进行系统的详细观测。

2）监测布置。①坝体的水平位移和垂直位移监测。外部变形监测是判断大坝是否正常运行的重要指标。根据本水库自身的特点以及运行情况，在坝顶和2766.00m下游马道平行坝轴线方向上各布设一条测线，每条测线上每间隔30～40m设置一个测点。另外，为坝体沉陷情况，坝顶和2153.00m马道位移测点监顾沉陷监测，另在坝体2773.00m下游马道上设一道水准测点。②坝体浸润线监测。对土石坝而言，坝体浸润线的高低是大坝稳定与否的关键，为监测坝体浸润线的分布情况，沿坝轴方向共布设两个监测断面进行监测。两个监测断面分别位于最大坝高和靠近输水隧洞处，每个断面布设3个测压管。③坝基渗透压力和绕坝渗流监测。绕坝渗流监测，由于右坝肩属滑坡体，绕坝渗漏问题将较为突出，故在右岸设两排测压管，在左岸设一排测压管。④渗流量监测。在坝体下游适当位置设置量水堰进行监测。⑤上下游水位监测。根据本水库目前现状，上游水位测点拟在隧洞的竖井内布设一支水位计，通过水压力的变化来测定上游水位的高低。

（4）监测工程量见表5.4-7。