鏵尖子水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案合理分析

王鶴偉

(本溪市水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，)

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鏵尖子水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案合理分析

王鶴偉

(本溪市水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，)

鏵尖子水庫是遼寧省本溪市桓仁縣地區(qū)病險(xiǎn)水庫中的一座小(Ⅰ)型水庫，其作用為灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖。文章通過對鏵尖子水庫目前存在的主要問題、并通過相關(guān)計(jì)算成果復(fù)核以及攔河壩、溢洪道和輸水洞三大部分有針對性的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)進(jìn)行合理分析論述，對類似水庫除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)，具有一定的借鑒和幫助作用。

鏵尖子水庫；除險(xiǎn)加固；設(shè)計(jì)；分析；問題

鏵尖子水庫位于桓仁縣華來鎮(zhèn)，水庫是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖的綜合利用水庫，是六河灌區(qū)的龍頭骨干工程。水庫是否安全直接威脅到桓仁縣華來鎮(zhèn)、桓仁鎮(zhèn)14個(gè)村8.0萬人和0.57 萬 hm2土地及本桓線、桓撫線和沈陽—桓仁高速公路安全能否得到保障。

鏵尖子水庫始建于1957年，分別在1959年和1974年進(jìn)行擴(kuò)建，又分別于1978年、1982年和1986年對其進(jìn)行加固。由于種種原因，該水庫存在一些病險(xiǎn)問題，包括修建年代較早，運(yùn)行時(shí)間較長，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，施工工藝落后以及后期維護(hù)資金跟進(jìn)不足，后期監(jiān)測管理力度不夠等諸多原因，造成水庫病險(xiǎn)情況越發(fā)嚴(yán)重，不僅無法正常運(yùn)行，不能充分發(fā)揮其應(yīng)有效益，而且還對下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅。

1 鏵尖子水庫工程概況

鏵尖子水庫樞紐工程由攔河壩、輸水洞、溢洪道組成。攔河壩類型為黏土心墻加斜墻壩，壩高22m，壩頂高程69.5m，壩頂寬4m，壩底寬117.325m，上游壩坡設(shè)一級馬道，在60m高程以上坡比為1∶2.75，以下為1∶3.0。下游壩坡至上而下為1∶2，1∶2.5，下游高程61.5m處設(shè)1.5m寬馬道,大壩全長220m。水庫總庫容790.4 萬 m3，興利庫容為574 萬 m3，調(diào)洪庫容為196.4 萬 m3，共用庫容為438 萬 m3。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2000)規(guī)定，水庫工程規(guī)模屬于小(1)型水庫，所以鏵尖子水庫現(xiàn)狀工程規(guī)模為：工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級。水庫的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是50a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)是1000a一遇。水庫設(shè)計(jì)正常蓄水位66.5m，相應(yīng)庫容654 萬 m3；死水位57.0m，相應(yīng)庫容為80 萬 m3；設(shè)計(jì)(校核)洪水位68.0m，相應(yīng)庫容為790.4 萬 m3。

2 水庫工程現(xiàn)狀及主要問題

1)攔河壩：壩體通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，大壩上游壩肩塌陷明顯，迎水坡有100m2下沉比較明顯，壩頂有31m長不同程度沉陷，最大沉陷量為27cm，最小沉陷量為5cm。

2)溢洪道：通過現(xiàn)場檢查，溢洪道陡坡段底板及邊墻破壞嚴(yán)重，局部有裂縫，且下部排水管全部被堵死，無法排水。左側(cè)導(dǎo)流墻(漿砌石墻)坍塌并有明顯的繞壩滲流現(xiàn)象。溢洪道下游挑坎破損嚴(yán)重并有滲水現(xiàn)象，海漫破損嚴(yán)重。

3)輸水洞：輸水洞原為無襯砌的無壓隧洞，1985年興建電站時(shí)，在輸水洞內(nèi)加襯6mm鋼板，改為有壓隧洞，但輸水洞進(jìn)口沒有改造，仍為原建梯級臥管，年久失修，不好運(yùn)用，現(xiàn)已不再運(yùn)用，輸水洞現(xiàn)靠電站出口閘控制，故輸水洞進(jìn)口呈無控制狀態(tài)。

4)管理房：年久失修，破壞嚴(yán)重，上壩階梯及護(hù)欄部分損壞，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，危及人身安全。

5)上壩公路：鏵尖子水庫現(xiàn)在的上壩公路為砂石路，由于長時(shí)間沒有養(yǎng)護(hù)維修，現(xiàn)在路面破損嚴(yán)重。在汛期時(shí)防汛物資不能及時(shí)迅速送達(dá)到壩頂。

6)壩頂路及配套設(shè)施：壩頂寬度為4m，不能滿足防汛時(shí)車輛的順暢通行，壩頂沒有照明設(shè)備。

7)閘門及啟閉機(jī)：溢洪道閘門漏水嚴(yán)重、啟閉機(jī)老化，啟閉機(jī)室年久失修， 溢洪道上工作橋、欄桿銹蝕嚴(yán)重。工作橋在溢洪道閘墩頂部的位置使溢洪道弧形閘門不能完全打開。

3 水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)算成果復(fù)核

1)根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2000)規(guī)定，水庫工程規(guī)模屬于小(1)型水庫，水庫的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是50a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)是1000a一遇。鏵尖子水庫的工程等別為Ⅳ等，主要建筑物工程等級為4級。

2)壩體穩(wěn)定計(jì)算方法根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范(SL274—2001)規(guī)定，采用計(jì)及條塊間作用力的簡化畢肖普法計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

邊坡穩(wěn)定計(jì)算采用中國水利水電科學(xué)研究院的《土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序(STAB95)》，在各種工況下，計(jì)算安全系數(shù)均>規(guī)范允許的安全系數(shù)穩(wěn)定計(jì)算成果見表1。

表1 土壩穩(wěn)定計(jì)算成果表

3)壩頂高程根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)及水庫運(yùn)用方式，分別按設(shè)計(jì)洪水加正常運(yùn)用情況和校核洪水位加非正常運(yùn)用情況計(jì)算，取其最大值。并通過與實(shí)測壩頂高程比較，現(xiàn)狀壩頂高程滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 壩頂高程計(jì)算成果表

4)溢洪道堰體采用以5m為單位整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，作用在控制段上的荷載分為基本荷載和特殊荷載。對溢洪道控制段按抗剪斷強(qiáng)度公式進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算和按材料力學(xué)法進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，控制段的穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，控制段閘墩與堰體是穩(wěn)定的，基礎(chǔ)應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

5)消力池水躍消能計(jì)算按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL253—2000)附錄公式計(jì)算，經(jīng)計(jì)算所需的消力池池深為3.8m，工程實(shí)測池長為39m，>設(shè)計(jì)值，所以消力池滿足規(guī)范要求。

6)輸水洞直徑900mm。洞長92.8m，進(jìn)口高程52.0m，出口高程50.14m。輸水洞進(jìn)口采用臥管式進(jìn)水口，進(jìn)水由相繼直立的26個(gè)直徑60cm小閘門組成，可開啟不同高度的放水口以滿足出流的需要。

4 除險(xiǎn)加固方案選擇分析

1)對于壩體部分，由于壩肩塌陷和壩坡沉陷導(dǎo)致壩體整體變形，故對壩體上下游進(jìn)行護(hù)砌，壩肩塌陷處進(jìn)行修復(fù)。壩頂加寬，新建防浪墻，增設(shè)路燈，進(jìn)而滿足防汛需求，從而提高水庫總體外觀效果。

2)壩體滲漏處理主要采用“上堵下排”的方法?！吧隙隆钡姆罎B技術(shù)主要有垂直鋪塑法、高壓噴射灌漿法、混凝土防滲墻法、多頭小直徑深層攪拌樁法?！跋屡拧钡膶?dǎo)滲技術(shù)主要有壩后排水減壓井、反濾排水溝或下游壩透水蓋重等措施。綜合考慮鏵尖子水庫的實(shí)際情況，采用“上堵”的防滲技術(shù)較為適宜。根據(jù)鏵尖子水庫的具體情況，本工程選用的防滲技術(shù)為垂直鋪塑法和混凝土防滲墻法比較合理。

垂直鋪塑法相對塑性防滲混凝土墻方法造價(jià)小，但是垂直鋪塑法在壩頂施工時(shí)要求與原來的黏土心墻進(jìn)行很好的連接，但是鏵尖子水庫修筑多年，原筑壩時(shí)的資料缺失，原黏土心墻的軸線位置無法確定，存在連接困難等問題。

塑性防滲混凝土墻施工時(shí)可以深入相對不透水層(中風(fēng)化巖面層)中1m，不用連接壩體原有的黏土心墻來一起作為防滲體，防滲墻自己本身就可以作為大壩的防滲體，而且防滲效果好。

綜合以上分析，結(jié)合鏵尖子水庫除險(xiǎn)加固工程的實(shí)際情況，采用塑性防滲混凝土墻技術(shù)比較適宜，并在大壩的左岸和右岸的溢洪道底板處做帷幕灌漿處理。

3)溢洪道陡坡段的底板及邊墻破壞嚴(yán)重，應(yīng)拆除后重建；新建啟閉機(jī)室、溢洪道工作橋，更換溢洪道護(hù)攔；原閘門除銹涂漆，更換閘門橡膠止水，更換閘門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，下游海漫段破損處應(yīng)拆除重建。

4)輸水洞由于靠電站出口閘控制，故新建啟閉塔。

5)相應(yīng)配套工程包括大壩安全監(jiān)測設(shè)施、上壩公路、管理房。

5 除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

5.1 壩體加固

5.1.1 上游壩坡

上游壩坡為干砌石護(hù)坡和拋石護(hù)坡，壩頂防浪墻至在死水位57.0m以下1.5m，即高程55.50m以上為干砌石護(hù)坡，具體護(hù)坡形式由上往下為400mm厚的干砌塊石護(hù)坡、150mm碎石墊層和100mm細(xì)沙墊層。高程55.50m至壩腳為拋石護(hù)坡，把原壩坡上的干砌石拆除后用于拋石護(hù)坡的護(hù)坡材料。

5.1.2 下游壩坡

下游壩坡為碎石護(hù)坡，碎石護(hù)坡范圍為從壩頂至壩腳，具體護(hù)坡形式由上往下為400mm碎石和200mm粗沙墊層。

在壩腳處做一貼坡式排水體，排水體范圍為從右岸消力池邊墻到左岸的上壩坡道處，長度為185.4m，排水體自下而上為的砂礫料粒徑分別為(d=0.25～1mm)厚150mm、(d=1～5mm)厚150mm和(d=5～20mm)厚250mm。

在下游壩坡樁號(hào)0+020.00和樁號(hào)0+190.00處做兩座上壩坡道。在下游壩坡高程61.50處做一1.5m寬的馬道。

5.1.3 壩頂

原壩頂寬度為4m，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》低壩壩頂寬度為5～10m，而且原壩頂寬度不能滿足防汛時(shí)交通要求，本次設(shè)計(jì)把壩頂寬度加寬到6m，將原有的砂礫料路面翻修為200mm厚混凝土路面。新建1m高的防浪墻，防浪墻底部伸入塑性防滲混凝土墻中，使大壩形成完整的防滲體。在防浪墻頂每隔20m設(shè)置一盞路燈，已備防汛應(yīng)急時(shí)使用。

5.1.4 防滲墻設(shè)計(jì)

大壩壩基壩體均為水庫的滲漏通道，鏵尖子水庫的壩基壩體防滲體均為塑性防滲混凝土墻，防滲墻底部深入相對不透水層的中風(fēng)化巖層中1m。防滲墻設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 混凝土防滲墻設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

5.2 帷幕灌漿設(shè)計(jì)

在大壩左岸山體和右岸的溢洪道底板上進(jìn)行帷幕灌漿處理。帷幕灌漿孔為兩排，孔距為1.5m，三序施工。

5.3 溢洪道加固設(shè)計(jì)

5.3.1 陡坡段加固設(shè)計(jì)

由于陡坡段底板和邊墻破壞比較嚴(yán)重，本次設(shè)計(jì)時(shí)將原底板和邊墻拆除重建。經(jīng)校核原消力池?cái)嗝鏉M足泄洪要求，新建消力池?cái)嗝鏋榕c原斷面相同的“U”型槽結(jié)構(gòu)，邊墻厚為300mm，邊墻高為3m.底板厚為500mm，底板寬為22m。消力池全長135.80m。

5.3.2 下游海漫段

下游海漫段破壞比較嚴(yán)重。這段設(shè)計(jì)為新建干砌石結(jié)構(gòu)梯形渠道，渠道底寬38m，兩岸邊坡為1:3，干砌石厚度為40mm；海漫底板為600mm厚的鐵絲石籠。海漫段全長50m。

新建啟閉機(jī)室、新建溢洪道工作橋、更換溢洪道護(hù)攔、更換閘門啟閉機(jī)。

5.4 輸水洞設(shè)計(jì)

輸水洞是由6mm鋼板襯砌，直徑900mm。洞長92.8m，進(jìn)口高程52.0m，出口高程50.14m。輸水洞放水是由相繼直立的26個(gè)直徑60cm小閘門組成，可開啟不同高度的放水口以滿足出流的需要。

由現(xiàn)場檢查和運(yùn)行情況分析，輸水洞進(jìn)口不滿足安全控制要求，本次設(shè)計(jì)在輸水洞進(jìn)口處新建一個(gè)啟閉塔。

啟閉塔為分層取水的形式，塔高18.2m。啟閉塔進(jìn)口鋼閘門一扇。

5.5 工程觀測設(shè)計(jì)

工程觀測設(shè)計(jì)包括壩內(nèi)埋設(shè)測壓管、在溢洪道導(dǎo)流墻上設(shè)置水尺和在大壩左岸壩肩和溢洪道處各設(shè)置一處視頻監(jiān)視器，用于自動(dòng)監(jiān)視大壩和溢洪道的情況。

5.6 其它工程設(shè)計(jì)

其它工程設(shè)計(jì)包括上壩公路和管理房。

1)鏵尖子水庫現(xiàn)在的上壩公路為砂石路，由于長時(shí)間沒有養(yǎng)護(hù)維修，現(xiàn)在路面破損嚴(yán)重。為了在汛期時(shí)防汛物資能夠及時(shí)迅速送達(dá)到壩頂，本次設(shè)計(jì)將上壩公路重新翻修，修成瀝青混凝土路面，路面擴(kuò)寬至6.0m。長度為253.13m。

2)管理房年久失修，破壞嚴(yán)重，本次設(shè)計(jì)新建管理房200m2。

6 結(jié) 語

水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)首先應(yīng)找出病險(xiǎn)問題產(chǎn)生的原因，然后根據(jù)實(shí)際情況“對癥下藥”，對修建年代較早的水庫，應(yīng)按照現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，對各個(gè)要素重新計(jì)算復(fù)核，對現(xiàn)狀雖無明顯險(xiǎn)情但結(jié)構(gòu)不滿足要求的構(gòu)造物進(jìn)行加固或重建。徹底根除水庫險(xiǎn)情。在除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意病險(xiǎn)水庫各構(gòu)造物之間的關(guān)聯(lián)和銜接，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。同時(shí)后期做好對水庫的定期維護(hù)和持續(xù)監(jiān)測也是十分重要的。

[1]阮建清,劉忠恒,嚴(yán)祖文.基于風(fēng)險(xiǎn)的病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固方案優(yōu)化技術(shù)[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2014(01)：36-41.

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2016-07-28

王鶴偉(1984-)，男，遼寧本溪人，工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。

1007-7596(2016)09-0069-04

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