中小型病险水库除险加固工程设计探讨

中小型病险水库除险加固工程设计探讨

发表时间：2016-03-28T17:10:09.953Z 来源：《基层建设》2015年21期供稿作者：黄庭昌

[导读] 韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司水库作为重要的水利工程，在防洪、灌溉、发电、改善生态环境等方面发挥了重要的作用。韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司广东韶关 512000

摘要：文章结合工程实例，首先介绍了目前中小型水库普遍存在的问题，分析这些病险问题产生的原因，并制定有针对性的、行之有效的加固措施，同时对除险加固设计及施工过程中遇到的问题进行了分析，并结合水库工程施工质量管理和质量控制相关规范规程，促使水库除险加固工程得以顺利开展，并总结经验，以供相关参建单位和人员参考借鉴。

关键词：中小型病险水库；加固；工程设计；施工

0 前言

水库作为重要的水利工程，在防洪、灌溉、发电、改善生态环境等方面发挥了重要的作用，是促进区域经济和社会发展的重要推手。

目前全国已建成各类水库8.6万多座，而大部分为中小型水库。广东拥有6000多座小型水库，是全国小型水库大省，其中绝大多数为上世纪五六十年代建设的，由于运行时间较长，且受限于当时施工机械落后、施工条件较差导致的建设质量等诸多问题，已经出现了众多病险问题，有些问题已经影响到了工程的安全运行，给下游群众生命财产安全造成了威胁。因此，为保证水库安全运行，造福当地百姓，对这些为数众多的水库进行除险加固势在必行。

水库建筑物一般包含以下几个水工建筑物：大坝、溢洪设施、放水设施，以及附属建筑物如电站、管养房等。其中，大坝、溢洪设施及放水设施几乎是每个中小型水库必有的设施，常被称为“水库三大件”，现在针对这三个水工建筑物普遍存在的问题进行梳理以及探讨它们常用的加固措施。

综合这几年陆续开展的中小型水库除险加固工程的实践经验来看，目前的水库主要病险问题及加固措施主要有：

一、大坝：（土石坝、混凝土重力坝、拱坝、面板堆石坝等等）

1、结构安全问题：如土石坝的上下游坝坡稳定、局部边坡稳定、混凝土重力坝的坝基浅层及深层滑动稳定、拱坝坝肩的拱座稳定等。一般加固措施：坝坡换填、培厚坝坡、削坡放缓坝坡、充填灌浆，建抗滑墙及防滑齿槽等。

2、渗漏问题：如土石坝的坝基渗漏、坝体渗流、坝肩渗漏及坝内埋管与坝体接触部位的边界条件渗漏等、重力坝的坝基及坝肩渗漏、拱坝的坝基及坝肩的渗流等。一般加固措施：坝基坝肩帷幕灌浆、坝体充填灌浆及劈裂灌浆、接触灌浆及各种灌浆组合、截水墙、截水槽等。

3、防洪标准问题：即大坝的防洪是否达标，是否能抵御相应标准的洪水及是否存在洪水漫坝等问题。一般加固措施：培厚坝体及坝高，增加防浪墙、增大溢洪道泄洪能力及下游承泄能力等。

二、溢洪设施：

常用泄洪设施有溢洪道、泄洪洞、溢流坝段等。目前大多数水库都采用明槽溢洪道来进行泄洪，因此本文针对溢洪道普遍存在的问题进行探讨。

1、结构安全问题：溢流堰堰体整体稳定问题、边墙稳定问题、消力池消能问题、底板抗浮问题等。一般加固措施：改善受力条件（增加阻滑力，减小滑动力）、改善地基条件、灌浆、重建边墙及消力池、改善基础排水条件等。

2、防洪标准问题：即溢洪道防洪是否达标，溢洪道是否能宣泄相应标准的洪水及是否存在洪水漫顶、消能工是否满足要求等问题。一般加固措施：增加溢洪道泄洪能力，尤其是增加溢流堰过流能力，增加边墙高度、增加消力池消能能力包括消力坎和消力墩等。

3、放水涵管：目前大多数水库尤其是中小型水库的放水设施采用放水涵管，其最重要的功能是满足下游灌溉或人畜用水要求。放水涵管建筑物主要包括进水口、放水涵管身、出口消力池等。进水口一般采用斜拉闸放水、输水斜涵放水、潜孔钢闸门放水等。放水涵管主要存在问题有：进水口漏水问题、潜孔钢闸门止水失效导致漏水问题、涵管管身漏水问题、出水口消能设施问题等。一般加固措施：重建输水涵进出水口并做好进水口止水，尤其是涵管和进水口的结合部位的止水、灌浆，采用顶管新建输水涵、破坝更换涵管、更换钢闸门及止水设置等。

下面结合某病险水库除险加固的工程实例，来剖析加固措施及施工应注意的问题。

1 工程概况

某中型水库，由主坝、南、北副坝、垭口坝、放水系统组成。

主坝位于库区北面，最大坝高31.7m，坝型为砂砾石坝壳粘土心墙坝。副坝位于库区东南方向，距主坝直线距离约2km，并分为南北两段副坝。南副坝长度277.5m，北副坝长度331.0m，坝型为黏土斜墙砂砾石坝，最大坝高13.5m。垭口坝位于主坝左侧60m处，天然山头将二者隔开，垭口坝结构为坐落在基岩上的砂砾石面板坝，长度236.5m。

水库承担向工业生产供水的任务，在水库除险加固过程中，不允许放空及中断供水，并且水质也不能有较大的变化。

2 水库存在的问题

由于水库已运行40多年，根据工程地质调查和勘探资料，经过设计复核计算，目前主要存在问题：

（1）主坝防渗心墙顶高程不满足现行规范要求；

（2）南副坝坝顶高程、防渗斜墙顶高程均不满足现行规范要求；

（3）北副坝坝顶高程、防渗斜墙顶高程均不满足现行规范要求；

（4）南副坝黏土斜墙与坝基接触面之间无黏土结合槽，结合面存在渗漏通道，右坝肩存在渗漏通道；

（5）北副坝坝基风化带未清除，存在坝基渗漏问题，左右坝肩存在渗漏通道；

（6）放水塔金属结构设备技术落后、陈旧、破损，放水阀阀体密封不严，渗水严重，水工钢筋混凝土结构不满足现行规范要求。

3 除险加固设计

3.1 主坝除险加固设计

3.1.1 方案比选

根据主坝主要存在的问题，加固方案主要是对防渗体进行加高。

（1）方案一：设混凝土防浪墙。

为浇筑“L”形防浪墙混凝土，必须挖除原坝体至心墙顶部高程，然后浇筑防浪墙，采用“L”形钢筋混凝土结构，长度193m，底部高程1749.53m，顶部高程1751.50m；底板厚度0.3m、宽度2.0m，墙厚0.3m。每15m设沉陷伸缩永久缝，缝宽2cm，采用“651”橡胶止水带止水。为了保证防浪墙与心墙可靠连接，将“L”形防浪墙底板埋入心墙顶以下1.0m。

待防浪墙浇筑完毕并达到设计强度以后，填筑坝体至设计坝顶高程1751.50m，采用砂砾石回填压实填筑，填筑质量控制标准

Dr≥0.75。上下游坝坡与原坝坡坡比相同，即上游坝坡坡比1∶2.75、下游坝坡坡比1∶2.5。坝顶宽度6.0m，长度189.2m，设计结构如图1所示。

（2）方案二：加高原防渗心墙。先挖除原坝顶至黏土心墙顶部，然后将黏土心墙原顶高程1749.53m加高至设计高程1750.07m，加高黏土心墙0.54m，同时将坝体填筑至设计高程1751.50m，填筑坝体高度1.97m，填筑指标同上。

3.1.2 方案比较

方案1的缺点是较复杂（相对方案II），需设永久沉陷伸缩缝和止水，“L”形防浪墙底板与心墙需要可靠连接，满足渗流要求。优点是施工方便，工程造价低。

方案2的缺点是施工不方便，由于受场地限制，心墙两边坝壳砂砾石碾压困难，容易造成碾压不实或漏压。黏土心墙受气候影响，雨季不能施工，工程造价高。优点是较简单。

针对这两种方案，从技术、经济、施工难度等多方面进行比较，设计采用方案1。

3.2 南、北副坝除险加固设计

（1）坝体加固设计

先将原斜墙部位坝体挖除，并清除斜墙0.5m厚的土层，填筑斜墙至设计厚度，底部4.0m、顶部2.5m，填筑标准按压实度控制，压实度不低于0.97。原斜墙高程为1748.70m，加高后高程为1749.50m。原坝顶高程为1748.70m，需要加高至1751.50m，加高2.8m。坝顶宽度5.0m，长度279.3m。坝坡与原坝坡相同，上游坝坡1∶2.5、下游坝坡1∶2.0。采用砂砾石填筑，填筑质量控制标准Dr≥0.75。

（2）坝基及坝肩防渗设计

原坝基及坝肩土体渗透系数较大，均不满足规范要求，是原坝体渗漏的主要渗漏通道，为此需要进行防渗设计。采用帷幕灌浆，设一排，分序灌浆，孔距2.0m。灌浆深度根据渗透性剖面，不同地段深度不一样，最大深度22.0m，最小深度6.5m。帷幕灌浆标准为通过帷幕灌浆以后，原透水岩层的吕荣值不大于10Lu。

3.3 输水建筑物加固设计

综合分析各方面的因素，改建原放水塔难度大，而且不经济。推荐新建输水洞，新建放水塔拟采用竖井潜孔式进水口，竖井后接输水隧洞。

新建进水口竖井布置在老放水塔与垭口坝之间，原放水洞西侧约20m处，竖井轴线平行原放水塔轴线布置，下游面接输水隧洞。竖井为通过开挖岩体而成，底高程1726.00m，最大开挖深度24.9m。横断面为矩形，平面尺寸为13.5m×12.0m，顺水流方向为13.5m，垂直水流方向为12.0m。采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度2.0m。竖井总高度29.0m。内设2孔事故检修闸门，孔口尺寸为3.0m×3.0m；2孔工作闸阀，阀后接输水隧洞。在竖井平台设启闭闸房，采用卷扬机启闭。新建输水洞洞线平行原洞线布置，新洞线与原洞线之间的距离为

20.5m，洞线长度133m。采用无压洞，城门洞形，底宽2.8m，直墙高1.6m，顶拱半径1.4m，顶拱圆心角90°。

4 进水口开挖施工方案设计

4.1 方案确定

（1）水下爆破：先进行迎水坡区域爆破剥离，减少预留岩层的厚度，增加两侧边坡面积，保证边坡稳定，再根据库水位控制情况，最后采取水下控制爆破技术，完成岩层开挖施工。

（2）洞外明挖：岩石松动爆破后，利用破碎锤配合挖掘机，逐层剥离开挖至设计高程（1726.00m），困难较大。

（3）洞内开挖：利用合适的引水时机，启动应急备用水源，水库在低水位（1728.00m）运行条件下，快速从进水洞直接掘进开挖到设计进水口位置，达到通水目的。

为确保库区建筑、设施和水面施工作业人员的绝对安全，设计采取方案水下爆破施工。

4.2 方案实施

根据现场的实际情况，水下部分采用分层爆破技术，水上部分采用中深孔爆破，进水口周边采用预裂爆破，确保整个爆破方案能按照设计顺利实施。在水上作业平台上采用全液压锚固钻机钻孔，近水侧区域采用液压钻机钻孔，考虑到爆破振动和开挖效果，根据水库的水位该区域分4次爆破，第1次钻孔爆破最深9m，第2次钻孔爆破最深13m，第3次钻孔爆破最深6m，第4次钻孔爆破最深4m。第1次爆破后的石渣第2次清理，即第2次爆破后与第1次爆破后石渣一起清理。对于远水侧区域，采用长臂挖机清渣；近水侧区域先采用普通挖机清渣，沟槽深处采用长臂挖机清渣；分层爆破全部为露天作业，作业环境好，施工安全性好，多项作业可同步进行，工期有把握，爆破作业不受预留岩塞体地质构造的影响，不会出现透水事故，成本可控制，相比风险小。

在爆破后水下开挖过程中，由于新建进水口与老进水口距离较近，使得浑水进入老输水洞，对正常供水造成一定影响，应先尽可能降