張王水庫大壩除險加固設計簡述

王紅霞

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

張王水庫位于萬榮縣南張鄉(xiāng)薛里村，距萬榮縣城約6.5 km。壩址位于黃河水系汾河流域的東澗溝上，控制流域面積 24.0 km2，總庫容 158 萬 m3，為?。ㄒ唬┬退畮?。大壩為均質土壩，最大壩高25 m，壩頂高程601.54～602.08 m，素土路面，無防浪墻。

2 存在問題

根據(jù)大壩安全鑒定結果，水庫現(xiàn)存的主要問題有：大壩防洪標準不滿足規(guī)范要求；溢洪道未完建，不能正常運行；大壩壩頂有多處陷坑等。水庫一旦失事，將影響王家、李家2個村莊5 000人，266.67 hm2農田，西范四級站以及萬榮—榮河公路等的生命財產安全，為此必須對其進行除險加固。

3 大壩加固設計

3.1 壩頂超高復核

張王水庫為4級土石壩，在非常運用情況下，波浪爬高的計算風速采用與大壩垂直的多年平均年最大風速，即10.0 m/s，在正常運用情況下，計算風速采用與大壩垂直的多年平均年最大風速的1.5倍，即15.0 m/s。設計波浪爬高值采用累計頻率為5%的爬高值；設計安全加高值取0.5 m，校核安全加高值0.3 m。

張王水庫設計洪水位高于正常蓄水位，故正常運用工況采用設計洪水位作為計算靜水位。工程抗震烈度Ⅶ度，則非常運用工況為校核洪水位工況和正常蓄水位遇地震工況。經(jīng)計算，設計壩頂高程602.00 m，不需設防浪墻。

3.2 大壩加固設計

根據(jù)工程地質勘察報告和大壩安全鑒定結論，結合工程現(xiàn)狀，確定大壩加固設計內容包括：壩體加固，對左壩段樁號B0＋000—B0＋030段壩頂以下10 m厚的壩體采取開挖回填碾壓加固；大壩壩頂鋪設砂礫石路面；大壩上游壩坡面整修，設干砌石護坡；大壩下游壩坡面整修加固，鋪設草皮護坡，完善排水系統(tǒng)；排水棱體改造。

3.2.1 壩體加固

根據(jù)《運城市萬榮縣張王水庫除險加固工程初步設計階段工程地質勘察報告》，大壩壩體現(xiàn)已形成左壩段B0＋000—B0＋030段約30 m長的陷坑段，表現(xiàn)為串珠狀，陷坑局部直徑達1.5 m，深4.0 m左右。壩體土稍密—密實狀態(tài)，屬高—中等壓縮性土。壩體土干密度 1.65～1.34 g/cm3，平均值 1.47 g/cm3。大壩安全鑒定綜合評價壩體填筑質量較差。

設計對左壩段樁號B0＋000—B0＋030段壩頂以下10 m厚的壩體開挖后再分層回填碾壓土，分層厚度不大于250 mm，壓實度不低于97%。

3.2.2 壩頂結構

壩頂現(xiàn)狀無防浪墻，路面為素土路面，凹凸不平，損壞嚴重。根據(jù)洪水調節(jié)計算和壩頂超高復核計算結果，結合壩頂路面改造，設計壩頂高程602.00 m，不需設防浪墻。壩頂設砂石路面，路面寬6.0 m，路面橫坡2%，坡向下游側。壩頂下游側設30 cm×30 cm的素混凝土排水溝，并與下游壩坡橫向排水溝相通。

3.2.3 大壩上游壩坡

現(xiàn)狀大壩上游壩坡 1∶2.5，為干砌石護坡，損壞嚴重。設計對大壩上游壩坡面整修，整修后壩坡為1∶2.5，設干砌石護坡。

3.2.4 大壩下游壩坡

現(xiàn)狀大壩下游壩坡為 1∶2，1∶2.5，草皮護坡?lián)p壞嚴重。高程593.00 m處有一馬道，寬1.5 m，高程585.30 m有約30 m寬的平臺，下游壩腳處設堆石排水棱體。

本次設計擬對下游壩坡面整修，根據(jù)大壩滲流穩(wěn)定計算結果，將壩坡整修為 1∶2，1∶4.0，1∶3.5，在高程594.00 m 處設一條馬道，寬 1.5 m，在高程 585.70 m 處為一平臺，寬14.8 m。為防止雨水漫流沖刷下游坡面，設草皮護坡，厚度10 cm。在下游壩坡中部設一道橫向排水溝和左右岸坡截水溝；在下游壩坡2條馬道和排水棱體頂平臺的內側均設置縱向排水溝，共3道；在排水棱體下游坡腳處設1道縱向截水溝。排水溝采用素混凝土結構，壁厚300 mm，斷面300 mm×300 mm。截水溝采用素混凝土結構，斷面型式為梯形，底寬300 mm，深 400 mm，兩邊坡均為 1∶1。

考慮到大壩巡查及交通方便，設計在大壩下游壩坡的中部橫向排水溝右側設置1道寬1.0 m的漿砌石人行臺階。

3.3 排水棱體改造

大壩下游壩坡腳的堆石排水棱體損壞嚴重，內部砂卵石結構緊密，顆粒碎小，排水不暢。本次改造擬將其翻修，提高大壩壩體下游坡腳處的排水能力，保障大壩安全。

設計在大壩下游坡腳578.30 m高程以下設堆石排水棱體，排水棱體高 3.6～5.1 m，頂寬 1.5 m，堆石體內邊坡為 1∶1.0，外邊坡為 1∶1.5。排水棱體與壩體填土及壩基覆蓋層間均設1.0 m厚的反濾層和0.4 m厚的過渡層，防止壩體土逸出進而發(fā)生滲透破壞。

3.4 大壩加固后的滲流及滲透穩(wěn)定計算分析

根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》，滲流計算應包括以下兩種工況：上游正常蓄水位597.00 m與下游相應的最低水位575.90 m（工況一）；上游壩高1/3水位589.50 m 與下游相應的水位 575.90 m（工況二）。

滲流計算采用北京理正巖土軟件中《滲流計算分析計算》相關公式，計算方法采用有限元法。計算斷面選擇大壩主河槽處的最大斷面（樁號B0＋070）。壩體滲透系數(shù)根據(jù)地質工程試驗成果確定，計算結果見表1。

表1 大壩滲流穩(wěn)定計算成果表

由表1計算成果可以看出：處于正常蓄水位和壩高1/3水位時，壩體土和壩基低液限粉土的出逸滲透比降均小于允許滲透比降，表明滲流形態(tài)是安全的。

3.5 大壩加固后的壩坡穩(wěn)定計算分析

根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》，綜合工程實際情況，壩坡穩(wěn)定計算應包括以下三種工況：正常蓄水位（597.00 m）時的下游壩坡穩(wěn)定；正常蓄水位（597.00 m）遇地震時的下游壩坡穩(wěn)定；壩高1/3水位（589.50 m）時的上游壩坡穩(wěn)定。

大壩壩坡穩(wěn)定計算采用北京理正巖土軟件中《穩(wěn)定計算分析軟件》，計算方法為考慮各條塊側面間作用力的簡化畢肖普法。計算斷面選擇大壩主河槽處的最大斷面（樁號B0＋070）。張王水庫大壩為4級建筑物，依據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》，正常運用條件下壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)最小為1.25。壩坡穩(wěn)定計算結果見表2。

表2 大壩壩坡穩(wěn)定計算成果表

由表2計算結果可以看出：在各計算工況下，大壩的壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于壩坡穩(wěn)定允許最小安全系數(shù)，壩坡穩(wěn)定。大壩自建成運行50多年來，壩體垂直變形與水平變形趨于穩(wěn)定。因此，該計算結果分析比較合理。

4 結語

工程建成后，張王水庫防洪能力將明顯提高，抗洪能力可滿足300年一遇校核洪水標準，保護了下游村民財產安全及西范四級站水利設施和公路等基礎設施，具有顯著的社會效益和防洪效益。