菱溪水庫大壩除險加固方案探析

林惠群

(惠安縣惠女菱溪陳田庫區(qū)事務(wù)所，福建 泉州 362100)

1 工程概況

惠安縣菱溪水庫位于泉州市泉港區(qū)涂嶺鎮(zhèn)驛坂村菱溪中游，工程規(guī)模為中型水庫，等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級；壩址以上流域面積51.2km2(包括上游興建的陳田水庫，控制流域面積29.2km2)，總庫容3080萬m3，其中：興利庫容1681萬m3，死庫容215萬m3。

菱溪水庫于1956年1月8日動工，樞紐工程于同年6月6日竣工，并關(guān)閘蓄水投入使用。建庫60多年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，水庫功能也在不斷地調(diào)整和變化。從建庫伊始比較單純的防洪、灌溉，到上世紀(jì)改革開放之初的防洪、灌溉、發(fā)電和水產(chǎn)養(yǎng)殖，再到現(xiàn)在的防洪、工業(yè)、生活供水和灌溉等。水庫目前除了承擔(dān)著惠安縣、泉港區(qū)766.67hm2的農(nóng)田灌溉任務(wù)外，重點(diǎn)是保障惠安縣、泉港區(qū)和福建聯(lián)合石化的工業(yè)、生活用水等需求。

水庫建設(shè)時設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為10000a一遇。2000年12月，福建省水利廳水利管理中心依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB50201-94規(guī)范，對菱溪水庫洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核結(jié)果為：校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000-2000a一遇,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50-100a一遇。由于水庫位于梯級水庫的下游(上游為陳田水庫，中型，Ⅲ等，3級)，涉及人口4.5萬人，耕地2000hm2、圍墾區(qū)3000多公頃以及重要的交通樞紐，包括：漳泉肖鐵路、沈海高速公路、324國道、福廈高速鐵路等的安全。因此，2012年水庫安全鑒定時，洪水標(biāo)準(zhǔn)取“防洪標(biāo)準(zhǔn)”相應(yīng)等級的上限，即設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000a一遇。

水庫樞紐工程由壩后廠房、大壩、溢洪道、輸水涵洞等組成。大壩為黏土心墻多種土質(zhì)壩，壩高37.4m(原高34.9m)，壩頂長180m、寬6m。防浪墻為漿砌條石體，高1.5m，上下游背水坡、迎水坡均為塊石干砌護(hù)坡。大壩歷年累計(jì)沉陷為645.5mm。

輸水涵洞建在左岸巖盤上，為無壓鋼筋混凝土圓管，長127.4m，內(nèi)徑2m。興建壩后電站時用鋼板套砌長84m，內(nèi)徑1.9m，設(shè)計(jì)輸水能力為10.5m3/s。放水塔為無壓混凝土八角型水塔，高21m，內(nèi)徑2m，壁厚0.4-0.5m。進(jìn)水口為鑄鐵平板閘門，分上、下二層，7個放水孔，啟閉設(shè)備為5t手搖螺桿啟閉機(jī)。

溢洪道在大壩北面約500m處，進(jìn)口為開敞式寬頂堰，基礎(chǔ)系開炸的天然巖石，全長520m，平頂段挖深20m、寬64m。保壩加固后，兩岸加砌擋土墻，高6m，總長160m。砂壤土與黏土心墻之間設(shè)置砂礫石排水層。

2 大壩主要存在問題

惠安縣菱溪水庫大壩經(jīng)安全鑒定，并于2013年1月報(bào)經(jīng)水利部大壩安全管理中心核查(壩函【2013】338號)，認(rèn)定為三類壩。

菱溪水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水涵洞等部分組成。水庫自投入運(yùn)行近60a以來雖未發(fā)生垮壩等重大事故，但由于建設(shè)時期的歷史原因以及當(dāng)時的設(shè)計(jì)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件，工程施工質(zhì)量存在著先天性的不足，加上運(yùn)行多年，水庫壩體、基礎(chǔ)及左右岸坡在滲流方面出現(xiàn)不同程度的滲漏問題[1]。

根據(jù)2012年12月泉州市水利局的《大壩安全鑒定報(bào)告書》：

1)大壩壩體、壩基滲透系數(shù)偏大，存在防滲薄弱點(diǎn)；大壩迎水坡、背水坡干砌塊石局部松動、變形；壩頂為土質(zhì)路面，沒有防護(hù)；過壩渠道位于大體積的堆石體上，易產(chǎn)生滲漏，影響大壩滲流性狀態(tài)。

2)放水塔結(jié)構(gòu)抗震不安全；放水涵洞套管段頂部未回填密實(shí)，末套管段接縫漏水，涵洞四周與壩體接觸帶出現(xiàn)滲透異常，影響大壩安全。

3)溢洪道底板未襯砌，易長雜草影響泄洪；溢洪道末端的沖刷有不斷加劇和延伸的趨勢，沖刷的風(fēng)化石會淤堵在下游河道，影響下游村莊的防洪安全。

4)放水塔螺桿啟閉機(jī)老化嚴(yán)重，螺桿銹蝕變形；鑄鐵閘門銹蝕嚴(yán)重，開關(guān)不靈活。觀測設(shè)施落后，沒有水文、洪水調(diào)度預(yù)報(bào)系統(tǒng)；壩區(qū)管理站防汛綜合樓老化嚴(yán)重，屋面板有多處裂縫且面層脫落；溢洪道值班房破損，屋頂變形坍塌[2]。

5)大壩至溢洪道的防汛道路等級太低，路面坑洼不平，路況較差，防汛交通不方便。

經(jīng)安全鑒定評定菱溪水庫大壩為三類壩，需進(jìn)行除險加固工作。

3 除險加固方案

大壩：擋水建筑物為黏土心墻多種土質(zhì)壩，壩長170m，壩高37.4m(建庫時為34.4m，1977年保安加固，壩體培厚加高3m)，壩頂寬6m，防浪墻高1.2m，大壩級別為3級；壩基為花崗巖，采用漿砌條石齒墻防滲；大壩迎水坡采用干砌塊石護(hù)坡，從上至下坡比為1∶2、1∶3.4、1∶4，在51.9m和44.64m高程處各設(shè)有一道平臺，寬度分別為1.5m和2m；大壩背水坡采用干砌塊石護(hù)坡，從上至下坡比為1∶1.9、1∶2.0、1∶1.5、1∶2.0，在47.4m高程處設(shè)有一道寬度為2m的平臺，在42.8m高程處設(shè)有過壩渠道，為梯形斷面，底寬為2.3m，邊坡坡比為1∶1，過流面為混凝土襯砌，最大過水流量為8m3/s；背水坡壩趾處設(shè)有級配塊石排水棱體和量水堰。

3.1 大壩防滲處理工程布置

根據(jù)大壩壩體、壩基存在的滲漏問題，需對大壩壩體、壩基進(jìn)行防滲處理.壩體采用高壓旋噴樁防滲墻，壩基及壩肩進(jìn)行帷幕灌漿形成大壩垂直防滲墻。壩體高壓旋噴樁防滲墻采用兩排布置(樁號G0-022.42- G0+176.62)，其中第一排沿壩軸線上游5.0m布置，第二排沿第一排軸線上游0.45m，第一排樁頂高程60.42，第二排樁頂高程50.0-60.42m；旋噴樁樁徑為0.6m，孔距為0.5m，排距0.45m，兩排樁端均伸入弱風(fēng)化花崗巖上限；壩基及壩肩進(jìn)行帷幕灌漿，沿壩軸線布置，兩岸各向壩肩延伸，左岸延伸27.1m，樁號B0+023.00至樁號G0-004.10(B0-004.10)，右岸延伸25.27m，樁號B0+170.00至樁號G0+195.27(B0+195.27)。帷幕灌漿為單排布置，灌漿孔距為1.5m，深入基巖相對隔水層界限(q≤10Lu)5.0m，灌漿壓力0.5MPa-1.0MPa。

3.2 壩身結(jié)構(gòu)改造工程布置

1)壩頂改造：壩頂路面設(shè)計(jì)為彩色瀝青路面，上游側(cè)拆除重建防浪墻，下游側(cè)C20素混凝土排水溝鎖邊，排水溝內(nèi)邊緣側(cè)設(shè)置青石欄桿。

2)上游護(hù)坡：上游坡面高程44.64m以上的干砌塊石拆除重建，新護(hù)砌護(hù)坡面層為25cm厚修邊干砌條石，之下鋪設(shè)15cm厚碎石墊層，底層鋪設(shè)15cm厚中粗砂墊層[3]。

3)下游護(hù)坡：將背水坡現(xiàn)有的干砌塊石護(hù)坡拆除重建，新護(hù)砌護(hù)坡面層為25cm厚修邊干砌條石，之下鋪設(shè)10cm后碎石墊層，底層鋪設(shè)10cm厚中粗砂墊層。在背水坡47.40m馬道以上坡面位置設(shè)置“菱溪水庫”四個大字，由1m×1m花崗巖板材拼裝成長、寬均為6m的字樣。

4)下壩臺階：拆除現(xiàn)狀下壩臺階，在壩體與兩岸交接處、迎水坡樁號B0+065.00、B0+107.70及背水坡樁號B0+040.00、B0+130.00處各設(shè)一道下壩臺階，采用機(jī)砌花崗巖砌筑。

5)背水坡排水溝：在背水坡壩體與兩岸交接處臺階外側(cè)各設(shè)一道排水溝。

6)大壩輸水涵洞封堵：采用C25泵送混凝土(低熱微膨脹水泥)對原輸水涵洞進(jìn)行封堵并對涵洞迎水坡部分管壁周圍進(jìn)行充填灌漿處理，同時為了進(jìn)一步加強(qiáng)截水效果，在涵洞穿壩頂段，結(jié)合大壩高壓旋噴防滲，在涵洞兩側(cè)各布置一排旋噴樁防滲墻。

7)其他：在迎水坡高程56.00m處設(shè)一道汛限水位標(biāo)志，采用寬50cm，長116.0m，厚5cm的紅色青石板；更換原水位柱尺，沿壩坡每隔1m設(shè)置一根青石柱(長×寬×高=0.15m×0.15m×1.0m)，共計(jì)23根，表面采用搪瓷反光水位尺。

4 結(jié) 論

1)靠近下游側(cè)的測點(diǎn)水位與庫水位相關(guān)性稍差，位勢72%以上，心墻內(nèi)靠近上游坡的測點(diǎn)水位與庫水位相關(guān)密切，相應(yīng)的位勢值均在85%以上，心墻內(nèi)所有測壓管水位與庫水位相關(guān)性均較好。

2)砂卵石層排水效果良好,排水層內(nèi)各測點(diǎn)水位值比較穩(wěn)定，變幅小。

3)主壩心墻、代替料、砂礫石、壩基及壩肩部位均布設(shè)滲流監(jiān)測設(shè)施，監(jiān)測設(shè)施布置合理，資料完整，對大壩安全運(yùn)行與管理起到重要作用。

因此，菱溪水庫心墻上部抗?jié)B穩(wěn)定性較心墻設(shè)計(jì)值降低，在水位高的情況下運(yùn)行，安全系數(shù)較小，為保證大壩安全運(yùn)行，建議加強(qiáng)對大壩進(jìn)行安全監(jiān)測并及時處理分析，對大壩心墻上部采取垂直防滲措施,對該大壩及時防滲加固是十分必要的[4-6]。

通過對菱溪水庫大壩的分析研究，可知大壩的工作狀況，不但可以為工菱溪水庫大壩監(jiān)測提供依據(jù)程的和科學(xué)管理；也為將來菱溪水庫大壩的升級提供參考；進(jìn)而為土石混合壩的滲流分析提供參考與借鑒。由于土石壩工程情形復(fù)雜和機(jī)具、材料等具體條件的多變性，以及土石壩加固方法很多且都有其適 用范圍、局限性和優(yōu)點(diǎn)，因此，對每一具體工程病害都應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)分析，從工程病害情況、加固要求、 工程費(fèi)用以及材料、機(jī)具來源等方面進(jìn)行綜合考慮，避免盲目傾向[7]。

土石壩是一種普遍的壩型，我國早期興建的土石壩由于設(shè)計(jì)、施工、管理等種種原因，經(jīng)過多年運(yùn)行，滲漏問題嚴(yán)重，亟待解決。在我國水利工程不斷發(fā)展的今天，有效的控制和防治土石壩滲透變形，土石壩防滲變形的防治工作已經(jīng)迫在眉睫。一定要選擇土石壩自身防滲變形的合適方式方法，以延長土石壩的壽命。