淺談?wù)梦淇h北溝水庫除險加固設(shè)計方案

胡 偉

(彰武縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 彰武 123200)

1 工程概況

北溝水庫位于阜新市彰武縣馮家鎮(zhèn)侯貝營子村境內(nèi)，地理坐標為E42°35'08"，N122°30'25"，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、防洪為主，兼有水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的小(1)型水庫，水庫所在河流為養(yǎng)息牧河二級支流西地河。

水庫原設(shè)計洪水標準為50a一遇，校核洪水標準為500a一遇。該庫在運行過程中經(jīng)歷四次除險加固：1976年輸水洞改建加固、1985年進行大壩培厚和防浪墻興建、2002年溢洪道改建、2008年增設(shè)排水體和防浪墻。2008年除險加固水庫設(shè)計洪水標準為10a一遇，校核洪水標準為50a一遇。2019年北溝水庫大壩安全鑒定設(shè)計洪水標準為10a一遇，校核標準為50a一遇。根據(jù)2017年本溪市水利電力勘察設(shè)計有限責任公司出具的彰武縣北溝水庫安全分析綜合評價報告，鑒定北溝水庫大壩為3類病險壩，急需除險加固措施。

2 水庫除險加固的必要性

北溝水庫建庫50多年來，水庫為國民經(jīng)濟的發(fā)展做出了巨大貢獻，發(fā)揮了良好的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。北溝水庫雖經(jīng)過幾次加固處理，特別是2008年除險加固后，基本險情已得到處理，但由于資金問題未能徹底除險。隨著工程使用年限的增加和遭遇高水位運行工況，加固設(shè)施和未加固設(shè)施逐步暴露出部分問題，受人力、資金限制，監(jiān)測設(shè)施不完善難以通過維修養(yǎng)護有效處理，工程仍存在的諸多安全隱患。

2.1 大壩

上游壩坡局部干砌塊石松動、變形、不規(guī)整、嚴重風化；下游壩面局部凹凸不平。干砌石排水棱體頂部砂漿罩面多處破碎、開裂，局部因不均勻沉降而向下游側(cè)傾斜，排水棱體塊石排列不齊。壩頂為砂石路面，凹凸不平；迎水側(cè)壩頂防浪墻為漿砌石砌筑，砂漿罩面多處開裂；下游側(cè)路緣石部分向下游側(cè)傾斜，多處缺失、分離；路面無防護措施，對大壩防汛、交通不利。壩基滲漏，壩下形成沼澤。

2.2 溢洪道

進口段底板未襯砌，左、右兩側(cè)邊墻為漿砌石結(jié)構(gòu)，局部勾縫砂漿開裂、脫落，部分砌石剝落、缺失。控制段攔污柵墩砂漿罩面普遍開裂脫落；閘墩混凝土普遍存在碳化，水位變化區(qū)凍融剝蝕，老閘混凝土與新混凝土之間施工冷縫明顯，老閘混凝土已老化嚴重；存在繞壩滲流；閘墩頂部鋼筋混凝土排架柱及啟閉機工作臺混凝土存在裂縫。攔污柵無起吊設(shè)備，金屬構(gòu)件全部銹蝕，局部攔污柵頂梁和邊梁開焊，變形嚴重；閘門面板及梁系構(gòu)件普遍存在銹蝕，手動螺桿式啟閉機無銘牌，機體防腐涂層全部脫落、銹蝕，螺桿與閘門吊耳的連接栓均已嚴重變形。閘墩頂部鋼筋混凝土排架柱混凝土存在局部破碎，粗骨料外露，閘室段上部為交通橋，橋面兩側(cè)無護欄等防護裝置。泄槽漸變段混凝土底板沖刷剝蝕嚴重，骨料外露；漿砌石左邊墻底部存在明顯淘刷，嵌縫砂漿脫落，最大淘刷深度達24cm。底板存在通長縱向裂縫，長度為2m?；炷炼覆鄱蝺?nèi)側(cè)底板混凝土沖刷剝蝕嚴重，粗骨料外露。左邊墻內(nèi)側(cè)底角處局部露筋，兩側(cè)邊墻與底板連接處淘刷明顯，左、右兩側(cè)邊墻存在施工縫開裂，鋼筋保護層過薄，銹蝕鼓脹，混凝土開裂，混凝土段與漿砌石段連接處，砂漿抹面開裂。消能防沖設(shè)施石籠防沖防護破碎[1]。

2.3 輸水洞

輸水洞豎井閘內(nèi)兩扇鋼閘門，閘門漏水，手動螺桿啟閉困難，銘牌缺失。

2.4 除險后社會效益

水庫除險后，削減了西地河洪峰，提高了抗洪能力，保護水庫下游馮家鎮(zhèn)1.5萬人口和1333hm2耕地，大鄭線鐵路、G304(丹霍線)、新魯高速(G2511)、X917(大韓線)、馮蘭線及通信光纜等重要基礎(chǔ)設(shè)施的安全，水庫作用極為重要。

2.5 除險后經(jīng)濟效益

可灌溉面積為267hm2，養(yǎng)殖水面30hm2，工程投入運行后，為保護人民生命財產(chǎn)安全和農(nóng)業(yè)發(fā)展建設(shè)發(fā)揮了極其重要的作用，能取得明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

3 工程設(shè)計方案

3.1 大壩加固設(shè)計

3.1.1 壩頂設(shè)計

由于大壩上游坡面施工破壞壩頂，且現(xiàn)有壩頂路凹凸不平，本次改造按照原路面規(guī)?；謴?fù)，新建路面寬4.0m，采用0.2m厚的混凝土路面，下設(shè)0.15m水泥穩(wěn)定層。

對壩頂上游防浪墻重新進行混凝土罩面；恢復(fù)下游壩肩花崗巖路緣石。

根據(jù)管理需求增設(shè)壩頂照明設(shè)施，采用太陽能路燈，共10盞。

3.1.2 上游護坡設(shè)計

拆除大壩上游局部干砌石護坡，并按原規(guī)模恢復(fù)。

恢復(fù)干砌石厚0.3m，維持護坡下鋪設(shè)200mm厚碎石墊層和150mm砂墊層不變。

3.1.3 下游壩腳排水棱體設(shè)計

拆除大壩下游壩腳沉降傾斜排水棱體，并按原規(guī)?；謴?fù)。

拆除重建壞損的排水棱體長50.0m，排水棱體維持原尺寸，頂寬1.0m，高2.3m，上游坡比1∶1，下游坡比1∶1.5，棱體底部和上游均設(shè)置反濾層，頂部采用0.2m厚C30F300混凝土壓頂。

3.1.4 壩腳蓋重設(shè)計

北溝水庫庫區(qū)地處科爾沁沙地前沿，建于河流沖積層上，壩基為多層透水地基，表層為弱透水層，下臥強透水砂層，形成雙層地基或弱、強透水層交替構(gòu)成多層地基[2]。

根據(jù)5.5.1.8節(jié)滲透穩(wěn)定計算，表層土缺失時壩基滲透比降為0.35-0.40。參照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL189-2013)：

滿足Ja-x>(Gs-1)(1-n1)/K=(2.65-1)(1-0.56)/2=0.36時，應(yīng)設(shè)置排水蓋重層或排水減壓井。

由于壩基覆蓋層較為深厚，底部相對不透水層較深，通過截滲(懸掛)效果差且投資大，結(jié)合《遼寧省小(1)型病險水庫除險加固工程初步設(shè)計指導(dǎo)意見》“允許滲漏但不允許滲透破壞”原則，采用在壩腳加蓋重是壩基覆蓋層抗?jié)B穩(wěn)定最常用也是非常有效的除險措施。

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL189-2013)，排水蓋重層厚度計算公式如下：

(1)

式中：Ja-x為表層土在壩下游坡腳點a至a以下范圍x點的滲透比降；Gs為表層土的土粒比重；n1為表層土的孔隙率；t1為表層土的厚度，m；γ為排水蓋重層的容重，水上用濕容重，水下用浮容重，kN/m3；γw為水的容重，kN/m3；K為安全系數(shù)，取1.5-2.0(本次取2.0)。

修建蓋重后將會引起壩體內(nèi)承壓水頭的升高，采用弱透水蓋重會顯著增加蓋重的寬度，因此，修筑蓋重選用透水材料，本次設(shè)計采用砂石結(jié)構(gòu)。

經(jīng)計算，排水蓋重厚度1.08m，本次設(shè)計排水蓋重厚度取1.1m，由下至上依次鋪設(shè)一層反濾土工布、0.3m厚粗砂、0.3m厚碎石和0.5m厚干砌石。

根據(jù)壩腳滲出出逸點位置，在壩腳左側(cè)150.0m(樁號0+124.5-0+274.5)范圍布設(shè)排水蓋重。滲透破壞離壩腳越遠越安全，結(jié)合現(xiàn)狀，由排水棱體與現(xiàn)狀地面平順連接，排水蓋重順水流方向取10m。

3.2 溢洪道加固設(shè)計

本次加固設(shè)計拆除重建懸槽段前的進口段、控制段；對漸變段、泄槽段底板罩面，重新做結(jié)構(gòu)縫止水設(shè)施；拆除重建消能防護；更換控制段閘門及啟閉設(shè)備。

由于末端懸槽段本次加固設(shè)計未調(diào)整，控制段位置及高程亦未調(diào)整，拆除后重建其縱向、橫向結(jié)構(gòu)尺寸維持原結(jié)構(gòu)不變。

拆除重建后溢洪道仍由進口段、閘室段、漸變段、陡槽段和懸槽段組成。5.7.1.1進口段(樁號0-008.600-0+000.000)

進口段長8.6m，底寬由17.14m漸縮至11.8m，底板高程由146.59m升至147.6m，兩側(cè)邊墻墻頂由149.09m升至150.70m。進口段采用鋼筋混凝土矩形槽結(jié)構(gòu)，底板及邊墻厚度均為0.4m，底板下設(shè)0.1m厚素混凝土墊層?；炷翗颂朇30F300W4，素混凝土標號C15。

閘室段(樁號0+000.000-0+007.000)

閘室段采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長7.0m，寬11.8m，閘室底板頂高程147.6m，底板厚1.5m，下設(shè)0.1m厚素混凝土墊層。閘室共設(shè)有4孔2.8m高的鑄鐵工作閘門和4孔2.8m高的鑄鐵檢修閘門，每孔凈寬2.5m，邊、中墩寬均為0.6m，墩頂高程151.5m，墩頂上游為閘門啟閉機排架及啟閉機室，下游設(shè)有交通橋，交通橋橋頂高程151.5m，寬4.0m，并與兩側(cè)壩頂連接?；炷翗颂朇30F300W4，素混凝土標號C15。

漸變段(樁號0+007.000-0+021.100)

漸變段長14.1m，底寬由11.8m漸縮至5.8m，底板高程由147.6m降至146.65m，兩側(cè)邊墻墻頂由151.5m降至149.7m。漸變段鑿除風化0.2m厚底板重新利用鋼筋混凝土罩面，混凝土標號C30F300W4。對結(jié)構(gòu)縫利用瀝青塞縫，縫表面用聚硫密封膏處理。

陡槽段(樁號0+021.100-0+080.700)

陡槽段長59.6m，底寬5.8m，底板高程由146.65m降至143.81m，兩側(cè)邊墻墻頂由149.7m降至145.74m。陡槽段鑿除風化0.2m厚底板重新利用鋼筋混凝土罩面，混凝土標號C30F300W4。對結(jié)構(gòu)縫利用瀝青塞縫，縫表面用聚硫密封膏處理。

懸槽段(樁號0+080.700-0+104.700)

懸槽段長24.0m，此段為2008年加固段，現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)良好，本次設(shè)計維持不變。

石籠防護

拆除懸槽段末端的消能石籠，重建固濱籠消能護坦，護坦長5.0m，寬7.0m，石籠厚1.0m。生態(tài)格網(wǎng)應(yīng)符合《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS353:2013)標準，安裝須在專業(yè)廠家指導(dǎo)下進行，填充石料應(yīng)采用堅硬未風化的卵石或塊石，其尺寸不能小于格網(wǎng)網(wǎng)孔。

3.3 輸水洞加固設(shè)計

輸水洞洞身坐落在壩體上，經(jīng)多年運行，未發(fā)現(xiàn)沉陷，坍塌等缺陷，洞體完好。輸水洞鋼閘門銹蝕變形，漏水嚴重，啟閉設(shè)施均壞損無法正常啟閉,本次加固設(shè)計對其更換。

4 結(jié) 語

彰武縣北溝水庫除險加固工程實施完成后，可恢復(fù)下游水田灌溉133余公頃，徹底解決北溝水庫存在的病險問題，水庫能正常防洪和灌溉，促進彰武縣水利事業(yè)更好的發(fā)展。