嫩北農(nóng)場(chǎng)奮斗水庫土石壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)綜述

李學(xué)宏

(富錦市水務(wù)局，黑龍江 富錦 156100)

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嫩北農(nóng)場(chǎng)奮斗水庫土石壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)綜述

李學(xué)宏

(富錦市水務(wù)局，黑龍江 富錦 156100)

隨著水利工程的不斷發(fā)展，病險(xiǎn)水庫也越來越多。病險(xiǎn)水庫的除險(xiǎn)加固是水利工程建設(shè)的一個(gè)重點(diǎn)，要根據(jù)實(shí)際情況，合理利用水庫的地形、地質(zhì)條件，有效控制工程量，節(jié)約投資和能源，保護(hù)環(huán)境。文章以嫩北農(nóng)場(chǎng)奮斗水庫為例闡述病險(xiǎn)水庫的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)是查清存在的問題，并針對(duì)問題制定解決方案，指明設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)。

病險(xiǎn)水庫；存在問題；除險(xiǎn)加固；土石壩

1 工程概況

嫩北農(nóng)場(chǎng)奮斗水庫位于嫩江縣城北偏東40km，嫩漠公路53km處，壩址位于該場(chǎng)科研站以西。奮斗水庫始建于1968年，1974年大壩合攏。該庫屬于嫩江左岸一級(jí)支流科洛河右岸支流西溝子左支上的年調(diào)節(jié)小(I)型水庫，匯流面積94.5km2。該水庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇洪水，50a一遇校核洪水。依2003年10月提出的《黑龍江省嫩北農(nóng)場(chǎng)奮斗水庫安全評(píng)價(jià)報(bào)告》按原標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核得出的原水庫工程設(shè)計(jì)規(guī)模為：校核洪水位為277.58m,校核總庫容為937.74 萬 m3.水庫正常(興利)水位276.20m,興利庫容為607.1 萬 m3；死水位為273.00m,死庫容為131.9 萬 m3。

奮斗水庫土壩為均質(zhì)壩，現(xiàn)狀壩頂寬度為8.0m, 壩長(zhǎng)為650m壩頂最低高程為277.93m,最大壩高為8.5m，平均壩高為5.68m.土壩上游坡為干砌塊石護(hù)坡，設(shè)計(jì)坡比為1∶3.0；下游壩無護(hù)坡，設(shè)計(jì)坡比為1∶2.5.按原設(shè)計(jì)安排，該水庫保護(hù)耕地400hm2(旱田)，村屯3個(gè)，人口0.4萬人，嫩-黑地方鐵路3km；灌溉旱田827hm2；養(yǎng)魚水面80hm2，苗圃100hm2。

2 現(xiàn)狀?yuàn)^斗水庫存在的問題

根據(jù)2003年10月提出的嫩北農(nóng)場(chǎng)奮斗水庫《大壩安全鑒定報(bào)告書》的安全鑒定意見，本工程存在的主要問題是：①大壩現(xiàn)狀防御洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，洪水標(biāo)準(zhǔn)低。②土壩、輸入洞及溢洪道工程地質(zhì)條件較差。③壩體施工質(zhì)量差，壩體土料含水量較高，填筑指標(biāo)低、壓縮系數(shù)大，不均勻沉降明顯，壩坡面不平整；上游護(hù)坡塊石粒徑小、護(hù)砌質(zhì)量差、墊層和反濾施工質(zhì)量差；冰凍破壞較重；下游壩腳無排水體。下游壩坡欠填較多；下游壩坡遭人、畜蹬踏破壞較大。該壩已經(jīng)經(jīng)歷三次垮壩，一次大面積滑坡和一次嚴(yán)重管涌。④壩基漏水，壩基滲流出溢坡降大于規(guī)范允許值，滲流形態(tài)不安全。⑤輸水洞洞身及出口消力池?fù)跬翂Φ戎饕Y(jié)構(gòu)均有局部混凝土剝離、破壞、漏筋問題，嚴(yán)重危及正常使用。⑥溢洪道已經(jīng)經(jīng)歷三次大的水毀，最近的一次破壞發(fā)生在1991年，至今已有13年時(shí)間而未得修復(fù)。溢洪道陡坡段、消力池段岸墻及底板均已大部分嚴(yán)重破壞，完全喪失了正常運(yùn)用功能。⑦輸水洞鋼閘門變形、銹蝕、止水失效，閘門關(guān)閉不嚴(yán)、長(zhǎng)漏水；啟閉機(jī)螺桿嚴(yán)重變形，不能正常使用。⑧無專門管理機(jī)構(gòu)、人員、站舍、水文測(cè)報(bào)、檢測(cè)安全設(shè)備及交通工具與通訊設(shè)施。

3 開展除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)的必要性

由于水庫修建時(shí)缺少基礎(chǔ)資料、資金不足等原因[1]，水庫主體工程土壩、溢洪道、輸水洞仍存在較嚴(yán)重的質(zhì)量問題，影響工程安全，工程不能正常運(yùn)行。主要存在防洪標(biāo)準(zhǔn)低、滲漏、穩(wěn)定性差等問題，只能低水位運(yùn)行，不能正常運(yùn)行，達(dá)不到調(diào)蓄水資源的目的，嚴(yán)重影響水庫功能的發(fā)揮，也給水庫下游城鄉(xiāng)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅[2]。如果水庫險(xiǎn)情得不到及時(shí)處理，后果將十分嚴(yán)重。

4 土石壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

4.1 土石壩地質(zhì)工程特征

左壩肩樁號(hào)0+000-0+185壩段主要地層巖性為：壩基表層主要以黃褐色和灰黑色低液限粉土為主，下覆弱風(fēng)化和微風(fēng)化閃長(zhǎng)玢巖。土質(zhì)較均勻，局部含粒徑10cm左右的塊石，稍有光澤，韌性中等，干強(qiáng)度較低。低液限粉土頂板最小埋深0.15m,底板最大埋深5.96m.全風(fēng)化閃長(zhǎng)玢巖：灰褐色，局部為棕黃色，結(jié)構(gòu)完全破壞成已崩解或分解成土狀或砂狀，其礦物已可用手捏碎。強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)玢巖：灰黃色，具有分化裂隙部分巖石分解或崩解成土狀、砂狀。錘擊聲啞，易碎。鎬可挖動(dòng)。頂板最小埋深3.35m,底板未揭穿。

右壩肩樁號(hào)0+485-0+585壩段表層、下覆層均系物理性狀、力學(xué)指標(biāo)與左壩低液限粉土相近而略有差異的低液限粉土。壩中部樁號(hào)0+185-0+485壩段淺表層次為與左壩相同或相近的低液限粉土，下覆均系強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)玢巖，壩中段的特殊地層巖性是在樁號(hào)0+180-0+240和0+330-0+390壩段內(nèi)，在266-270m高程內(nèi)均夾有一層強(qiáng)透水的砂礫層透鏡體。據(jù)分析，這是奮斗水庫大壩壩基滲漏的主要地質(zhì)因素。壩基土料主要物理性質(zhì)指標(biāo)：濕重度18.05kN/m3,飽和重度19.26kN/m3,土料內(nèi)摩擦角φ=35°，壩基土主要為砂性土，土料凝聚力C=0，黏土滲透系數(shù)k=2.5×10-7cm/s,費(fèi)黏性土滲透系數(shù)k=2.7×10-7cm/s。

4.2 土石壩設(shè)計(jì)情況分析：

由于該工程是除險(xiǎn)加固工程，土石壩設(shè)計(jì)任務(wù)為對(duì)壩體進(jìn)行加高培厚和按設(shè)計(jì)斷面的整形處理，新建壩體排水，改建護(hù)坡和壩頂路面[3]。因此，土石壩設(shè)計(jì)應(yīng)該是在原壩體的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其壩址不變，壩型不變，只是在原壩體的基礎(chǔ)上進(jìn)行輪廓尺寸的重新設(shè)計(jì)。土石壩新斷面應(yīng)盡量采用與原壩體性質(zhì)相近的土料，以確保新老結(jié)合面的穩(wěn)固與防滲。

4.2.1 剖面尺寸擬定

該壩采用碾壓式均質(zhì)壩，根據(jù)壩型、壩高、壩的級(jí)別、壩體及壩基材料的性質(zhì)荷載、施工和運(yùn)用條件等因素，初步擬定該壩上游坡坡度為1:3,下游坡坡度為1:3.壩頂寬度根據(jù)構(gòu)造施工運(yùn)行交通和地震等方面的綜合研究確定，該壩為低壩，故可擬定壩頂寬度為6m.

壩頂高程是根據(jù)正常運(yùn)用非常運(yùn)用的靜水位加相應(yīng)的超高Y予以確定：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y為壩頂超高；R為最大風(fēng)浪在壩坡上的爬高，m；A為安全加高，m，根據(jù)壩的級(jí)別確定。該壩為4級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)情況取A=0.5，校核情況取A=0.3m；E為最大風(fēng)雍水面高；K為綜合摩阻系數(shù)，取k=3.6×10-6；D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，m；Hm為壩前風(fēng)區(qū)水域平均水深。

根據(jù)計(jì)算成果，取壩頂高程為279.0m，壩頂設(shè)置1.2m高的防浪墻，壩頂高程為277.8m。

4.2.2 細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)

因?yàn)樵瓑误w施工質(zhì)量較差，壩體土料含水量較高，填筑指標(biāo)低，壓縮系數(shù)大等原因，壩身臨水側(cè)設(shè)置防滲心墻，防滲心墻采用黏土填筑，坡度與壩坡相同，墻頂厚度為1.5m，頂部高出設(shè)計(jì)水位0.5m。因?yàn)閴位刭|(zhì)條件差局部存在滲漏問題，采用垂直防滲的方法進(jìn)行處理。垂直防滲采用截滲墻的形式，截滲墻布設(shè)在臨水側(cè)堤腳處與壩身防滲斜墻連成一體，以增加防滲效果。壩體下游壩腳處設(shè)置棱體排水，棱體排水能有效降低浸潤(rùn)線高度，排水效果好[4]。

4.2.3 抗滑穩(wěn)定分析

土石壩穩(wěn)定分析是確定壩的剖面和安全評(píng)價(jià)的主要依據(jù)。對(duì)均質(zhì)壩和厚心墻壩來說，滑動(dòng)面往往接近于圓弧[5]。該土石壩為均質(zhì)土壩，采用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析。采用不計(jì)條塊間作用力的瑞典圓弧法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下：

施工期：

(1)

水位降落期：

(2)穩(wěn)定滲流期：

(3)

式中：k為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；b為條塊寬度，m，W為條塊重力，kN；W1為堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2為堤坡外水位以下的條塊重力，kN；z為堤坡外水位高出條塊底面中點(diǎn)的距離，m；u為穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中空隙壓力，kPa；ui為水位降落前堤身的空隙壓力，kPa；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，°；γw為水的重度，kN/m3；Cu，φu，C’，φ’為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，kN/m3，°

根據(jù)計(jì)算，施工期最小安全系數(shù)為1.82，水位降落期為1.78，穩(wěn)定滲流期為1.36。該壩為IV級(jí)建筑物，其容許最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：正常運(yùn)用，1.15,；非常運(yùn)用，1.05(《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》(土石壩))。根據(jù)計(jì)算成果可知各種工況下壩坡均滿足抗滑穩(wěn)定安全要求。

5 結(jié) 論

該設(shè)計(jì)是嫩北奮斗水庫樞紐除險(xiǎn)加固的一項(xiàng)工程。根據(jù)設(shè)計(jì)基本資料可知，奮斗水庫水利樞紐的土石壩、溢洪道和輸水洞等建筑物損毀嚴(yán)重，該樞紐工程師一座病險(xiǎn)庫，需要進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理?；诖耍恼箩槍?duì)該樞紐的土石壩進(jìn)行了除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。

土石壩設(shè)計(jì)是對(duì)原壩體進(jìn)行加高增厚，按設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行整形處理，新建排水設(shè)施，改擴(kuò)建壩體護(hù)坡。其設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括剖面尺寸確定，細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)，防滲及抗滑穩(wěn)定分析等。

由于土石壩的材料為土質(zhì)材料，泄洪閘為鋼筋混凝土材料，兩種材料差別較大，其間的銜接比較困難，工程上應(yīng)盡量避免在土石壩上興建泄水建筑物。但在土石壩上興建泄洪閘，可使建筑物布置緊湊，運(yùn)用方便，降低工程造價(jià)，而且該水庫為小型工程，經(jīng)過認(rèn)真研究論證認(rèn)為該工程可行。

該工程建成后，將提高其防洪標(biāo)準(zhǔn)到20a一遇，除了提高防洪效益外，該工程還將大大提高其灌溉、城市及工業(yè)供水、養(yǎng)殖等功能，造福周邊百姓。

[1]吳海濤.淺談小型水庫土石坎的除險(xiǎn)加固[J].經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息,2011(30):127.

[2]陳勇.里禾水庫大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)[J].貴州水力發(fā)電,2011,25(04):22-25.

[3]郭曉軒,時(shí)長(zhǎng)波,劉春鋒,等.岳城水庫除險(xiǎn)加固工程總體設(shè)計(jì)[J].海河水利,2011(05):8-11.

[4]張曉,時(shí)鐵城,阮建飛.嶗山水庫除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)[J].中國(guó)水利,2011(20):43-45.

[5]郭峰,何文華.水利工程建設(shè)監(jiān)理工作存在的問題及原因分析[J].中國(guó)西部科技,2010(01):72-73.

1007-7596(2017)01-0069-02

2016-12-30

李學(xué)宏(1974-)，男，黑龍江富錦人，高級(jí)工程師。

TV698.23

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