鏵尖子水庫除險加固設計方案合理分析

王鶴偉

(本溪市水利電力勘測設計研究院，)

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鏵尖子水庫除險加固設計方案合理分析

王鶴偉

(本溪市水利電力勘測設計研究院，)

鏵尖子水庫是遼寧省本溪市桓仁縣地區病險水庫中的一座小(Ⅰ)型水庫，其作用為灌溉為主，兼有防洪、發電、水產養殖。文章通過對鏵尖子水庫目前存在的主要問題、并通過相關計算成果復核以及攔河壩、溢洪道和輸水洞三大部分有針對性的除險加固設計進行合理分析論述，對類似水庫除險加固工程設計，具有一定的借鑒和幫助作用。

鏵尖子水庫；除險加固；設計；分析；問題

鏵尖子水庫位于桓仁縣華來鎮，水庫是一座以灌溉為主，兼有防洪、發電、水產養殖的綜合利用水庫，是六河灌區的龍頭骨干工程。水庫是否安全直接威脅到桓仁縣華來鎮、桓仁鎮14個村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年進行擴建，又分別于1978年、1982年和1986年對其進行加固。由于種種原因，該水庫存在一些病險問題，包括修建年代較早，運行時間較長，設計標準較低，施工工藝落后以及后期維護資金跟進不足，后期監測管理力度不夠等諸多原因，造成水庫病險情況越發嚴重，不僅無法正常運行，不能充分發揮其應有效益，而且還對下游人民的生命財產安全構成巨大威脅。

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，調洪庫容為196.4 萬 m3，共用庫容為438 萬 m3。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)規定，水庫工程規模屬于小(1)型水庫，所以鏵尖子水庫現狀工程規模為：工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級。水庫的設計標準是50a一遇，校核標準是1000a一遇。水庫設計正常蓄水位66.5m，相應庫容654 萬 m3；死水位57.0m，相應庫容為80 萬 m3；設計(校核)洪水位68.0m，相應庫容為790.4 萬 m3。

2 水庫工程現狀及主要問題

1)攔河壩：壩體通過現場檢查發現，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：通過現場檢查，溢洪道陡坡段底板及邊墻破壞嚴重，局部有裂縫，且下部排水管全部被堵死，無法排水。左側導流墻(漿砌石墻)坍塌并有明顯的繞壩滲流現象。溢洪道下游挑坎破損嚴重并有滲水現象，海漫破損嚴重。

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

4)管理房：年久失修，破壞嚴重，上壩階梯及護欄部分損壞，結構失穩，危及人身安全。

5)上壩公路：鏵尖子水庫現在的上壩公路為砂石路，由于長時間沒有養護維修，現在路面破損嚴重。在汛期時防汛物資不能及時迅速送達到壩頂。

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

7)閘門及啟閉機：溢洪道閘門漏水嚴重、啟閉機老化，啟閉機室年久失修， 溢洪道上工作橋、欄桿銹蝕嚴重。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 水庫除險加固設計相關計算成果復核

1)根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)規定，水庫工程規模屬于小(1)型水庫，水庫的設計標準是50a一遇，校核標準是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)壩體穩定計算方法根據碾壓式土石壩設計規范(SL274—2001)規定，采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法計算壩坡抗滑穩定安全系數。

邊坡穩定計算采用中國水利水電科學研究院的《土石壩邊坡穩定分析程序(STAB95)》，在各種工況下，計算安全系數均>規范允許的安全系數穩定計算成果見表1。

表1 土壩穩定計算成果表

3)壩頂高程根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)及水庫運用方式，分別按設計洪水加正常運用情況和校核洪水位加非正常運用情況計算，取其最大值。并通過與實測壩頂高程比較，現狀壩頂高程滿足現行規范要求。計算結果見表2。

表2 壩頂高程計算成果表

4)溢洪道堰體采用以5m為單位整體結構進行計算，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度公式進行穩定計算和按材料力學法進行應力計算，計算結果表明，控制段的穩定安全系數滿足規范要求，控制段閘墩與堰體是穩定的，基礎應力均滿足規范要求。

5)消力池水躍消能計算按《溢洪道設計規范》(SL253—2000)附錄公式計算，經計算所需的消力池池深為3.8m，工程實測池長為39m，>設計值，所以消力池滿足規范要求。

6)輸水洞直徑900mm。洞長92.8m，進口高程52.0m，出口高程50.14m。輸水洞進口采用臥管式進水口，進水由相繼直立的26個直徑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致壩體整體變形，故對壩體上下游進行護砌，壩肩塌陷處進行修復。壩頂加寬，新建防浪墻，增設路燈，進而滿足防汛需求，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B技術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際情況，采用“上堵”的防滲技術較為適宜。根據鏵尖子水庫的具體情況，本工程選用的防滲技術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小，但是垂直鋪塑法在壩頂施工時要求與原來的黏土心墻進行很好的連接，但是鏵尖子水庫修筑多年，原筑壩時的資料缺失，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可以深入相對不透水層(中風化巖面層)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，結合鏵尖子水庫除險加固工程的實際情況，采用塑性防滲混凝土墻技術比較適宜，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重，應拆除后重建；新建啟閉機室、溢洪道工作橋，更換溢洪道護攔；原閘門除銹涂漆，更換閘門橡膠止水，更換閘門卷揚式啟閉機，下游海漫段破損處應拆除重建。

4)輸水洞由于靠電站出口閘控制，故新建啟閉塔。

5)相應配套工程包括大壩安全監測設施、上壩公路、管理房。

5 除險加固工程設計

5.1 壩體加固

5.1.1 上游壩坡

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

5.1.2 下游壩坡

下游壩坡為碎石護坡，碎石護坡范圍為從壩頂至壩腳，具體護坡形式由上往下為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0+020.00和樁號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《碾壓式土石壩設計規范》低壩壩頂寬度為5～10m，而且原壩頂寬度不能滿足防汛時交通要求，本次設計把壩頂寬度加寬到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設置一盞路燈，已備防汛應急時使用。

5.1.4 防滲墻設計

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化巖層中1m。防滲墻設計技術參數見表3。

表3 混凝土防滲墻設計技術參數

5.2 帷幕灌漿設計

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

5.3 溢洪道加固設計

5.3.1 陡坡段加固設計

由于陡坡段底板和邊墻破壞比較嚴重，本次設計時將原底板和邊墻拆除重建。經校核原消力池斷面滿足泄洪要求，新建消力池斷面為與原斷面相同的“U”型槽結構，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重。這段設計為新建干砌石結構梯形渠道，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。

新建啟閉機室、新建溢洪道工作橋、更換溢洪道護攔、更換閘門啟閉機。

5.4 輸水洞設計

輸水洞是由6mm鋼板襯砌，直徑900mm。洞長92.8m，進口高程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。

由現場檢查和運行情況分析，輸水洞進口不滿足安全控制要求，本次設計在輸水洞進口處新建一個啟閉塔。

啟閉塔為分層取水的形式，塔高18.2m。啟閉塔進口鋼閘門一扇。

5.5 工程觀測設計

工程觀測設計包括壩內埋設測壓管、在溢洪道導流墻上設置水尺和在大壩左岸壩肩和溢洪道處各設置一處視頻監視器，用于自動監視大壩和溢洪道的情況。

5.6 其它工程設計

其它工程設計包括上壩公路和管理房。

1)鏵尖子水庫現在的上壩公路為砂石路，由于長時間沒有養護維修，現在路面破損嚴重。為了在汛期時防汛物資能夠及時迅速送達到壩頂，本次設計將上壩公路重新翻修，修成瀝青混凝土路面，路面擴寬至6.0m。長度為253.13m。

2)管理房年久失修，破壞嚴重，本次設計新建管理房200m2。

6 結 語

水庫除險加固設計首先應找出病險問題產生的原因，然后根據實際情況“對癥下藥”，對修建年代較早的水庫，應按照現行規范標準和技術要求，對各個要素重新計算復核，對現狀雖無明顯險情但結構不滿足要求的構造物進行加固或重建。徹底根除水庫險情。在除險加固設計時，應注意病險水庫各構造物之間的關聯和銜接，優化設計方案。同時后期做好對水庫的定期維護和持續監測也是十分重要的。

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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計工作。

1007-7596(2016)09-0069-04

TV697.3

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