王紅霞

（山西省水利水電勘測設(shè)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，為小（一）型水庫。大壩為均質(zhì)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(jié)果，水庫現(xiàn)存的主要問題有：大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)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(nóng)田，西范四級站以及萬榮—榮河公路等的生命財產(chǎn)安全，為此必須對其進行除險加固。

3 大壩加固設(shè)計

3.1 壩頂超高復(fù)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(fēng)速采用與大壩垂直的多年平均年最大風(fēng)速，即10.0 m/s，在正常運用情況下，計算風(fēng)速采用與大壩垂直的多年平均年最大風(fēng)速的1.5倍，即15.0 m/s。設(shè)計波浪爬高值采用累計頻率為5%的爬高值；設(shè)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(shè)計洪水位高于正常蓄水位，故正常運用工況采用設(shè)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(shè)計壩頂高程602.00 m，不需設(shè)防浪墻。

3.2 大壩加固設(shè)計

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告和大壩安全鑒定結(jié)論，結(jié)合工程現(xiàn)狀，確定大壩加固設(shè)計內(nèi)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(shè)砂礫石路面；大壩上游壩坡面整修，設(shè)干砌石護坡；大壩下游壩坡面整修加固，鋪設(shè)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(shè)計階段工程地質(zhì)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(zhì)量較差。

設(shè)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(jié)構(gòu)

壩頂現(xiàn)狀無防浪墻，路面為素土路面，凹凸不平，損壞嚴(yán)重。根據(jù)洪水調(diào)節(jié)計算和壩頂超高復(fù)核計算結(jié)果，結(jié)合壩頂路面改造，設(shè)計壩頂高程602.00 m，不需設(shè)防浪墻。壩頂設(shè)砂石路面，路面寬6.0 m，路面橫坡2%，坡向下游側(cè)。壩頂下游側(cè)設(shè)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(yán)重。設(shè)計對大壩上游壩坡面整修，整修后壩坡為1∶2.5，設(shè)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(yán)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(shè)堆石排水棱體。

本次設(shè)計擬對下游壩坡面整修，根據(jù)大壩滲流穩(wěn)定計算結(jié)果，將壩坡整修為 1∶2，1∶4.0，1∶3.5，在高程594.00 m 處設(shè)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(shè)草皮護坡，厚度10 cm。在下游壩坡中部設(shè)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(nèi)側(cè)均設(shè)置縱向排水溝，共3道；在排水棱體下游坡腳處設(shè)1道縱向截水溝。排水溝采用素混凝土結(jié)構(gòu)，壁厚300 mm，斷面300 mm×300 mm。截水溝采用素混凝土結(jié)構(gòu)，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(shè)計在大壩下游壩坡的中部橫向排水溝右側(cè)設(shè)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(yán)重，內(nèi)部砂卵石結(jié)構(gòu)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(shè)計在大壩下游坡腳578.30 m高程以下設(shè)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(nèi)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(shè)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(shè)計規(guī)范》，滲流計算應(yīng)包括以下兩種工況：上游正常蓄水位597.00 m與下游相應(yīng)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(yīng)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(guān)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(zhì)工程試驗成果確定，計算結(jié)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(shè)計規(guī)范》，綜合工程實際情況，壩坡穩(wěn)定計算應(yīng)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(cè)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(shè)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(jié)果見表2。

表2 大壩壩坡穩(wěn)定計算成果表

由表2計算結(jié)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(jié)果分析比較合理。

4 結(jié)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(biāo)準(zhǔn)，保護了下游村民財產(chǎn)安全及西范四級站水利設(shè)施和公路等基礎(chǔ)設(shè)施，具有顯著的社會效益和防洪效益。