黃溝水庫大壩除險加固設計研究

賈 明

（洛陽水利勘測設計有限責任公司，河南 洛陽 471000）

病險水庫經加固后，可恢復或加強水庫的防洪功能，充分發揮水庫的灌溉、發電、供水、旅游、養殖等綜合效益，并使生態環境得到改善。為推動新階段水利工程建設高質量發展，很多學者針對病險水庫加固開展了相關研究，并取得了成功經驗。如荀俊等[1]采用高壓旋噴樁加固白石里水庫大壩，解決壩體嚴重滲漏現象；趙明[2]針對冰溝水庫大壩現狀的穩定性進行復核，提出改善大壩滲漏和溢洪道泄流能力不足的加固方案；陳俊宇[3]針對某水庫除險加固工程進行分析計算并結合現場檢查，提出樞紐建筑物加固方案，解決水庫的帶病運行問題；胡偉[4]以北溝水庫為例，對大壩、溢洪道、輸水洞采取有效加固措施，使水庫除險加固后發揮正常效益；劉典鵬[5]采用防滲墻+帷幕灌漿的方式進行壩體、壩基防滲處理，使水庫大壩滲漏量顯著降低。本文以黃溝水庫為例，分析水庫大壩現狀及存在問題，結合大壩安全鑒定結論提出加固方案，可為同類型病險水庫的設計、施工提供參考。

1 工程概況

黃溝水庫于1958 年4 月開工建設，1959 年5 月竣工，是衛星灌區的結瓜水庫。水庫最大壩高25.5 m，壩頂長230 m；設計總庫容203.6 萬m3，其中興利庫容151萬m3，死庫容12.5萬m3；設計防洪標準30 a一遇，校核防洪標準300 a 一遇。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水工程三部分組成。2012 年黃溝水庫除險加固確定總庫容116.15萬m3，興利庫容30萬m3，死庫容11.22 萬m3；正常蓄水位298.39 m，死水位295.41 m，設計洪水位301.47 m，校核洪水位303.99 m。壩頂高程310.0 m。

2 存在問題

2012 年黃溝水庫除險加固后，大壩運行正常。大壩上游壩坡基本平整，未發現塌陷、變形、裂縫等現象，外觀總體良好。壩頂路緣埋石混凝土表面光滑平整，分縫合理；壩頂混凝土路面未見塌陷、沉降，整體質量良好。但大壩上游平臺至壩頂護坡混凝土面板多處塌陷，如圖1 所示。下游壩坡混凝土排水溝及左岸壩肩截水溝混凝土表面光滑，尺寸均一，截（排）水溝總體質量較好；壩坡踏步完好。

圖1 大壩上游平臺至壩頂護坡混凝土面板多處塌陷

黃溝水庫大壩存在問題為：坡腳排水棱體表面局部塌陷、塊石松動，有滲水出逸；大壩下游左壩腳存在滲漏問題，并有發展趨勢，如圖2 所示。由于無大壩觀測設施，無法開展相應的安全監測工作。

圖2 大壩下游左壩腳漏水

3 工程現狀復核

3.1 壩頂高程

黃溝水庫樞紐主要建筑物為4 級，大壩在設計情況下安全加高為0.5 m，非常運用情況下安全加高為0.3 m。根據《碾壓式土石壩設計規范》的規定，壩頂在水庫靜水位以上的超高按下式確定：

式中：y為壩頂超高（m）；R為最大波浪在壩坡上的爬高（m）；e為最大風壅水面高度（m）；A為安全加高（m）。壩頂高程計算結果詳見表1，由表1 可知，水庫壩頂高程滿足規范要求。

表1 壩頂高程計算結果m

3.2 滲透穩定

（1）大壩下游壩坡出逸坡降按《碾壓式土石壩設計規范》有關公式計算：

式中：m為邊坡系數；J為出逸坡降。

經計算，大壩下游壩坡出逸坡降為0.398。

（2）滲透破壞臨界水力坡降可由《碾壓式土石壩設計規范》有關公式計算：

式中：J0為臨界水力坡降；[J0]為允許坡降；Gs為土粒比重（g/cm3）；n為孔隙率；K為安全系數。

經計算，管涌破壞允許坡降為0.654，大于大壩下游壩坡出逸坡降0.398，大壩不會發生管涌破壞。

（3）黏性土臨界水力坡降由《碾壓式土石壩設計規范》有關公式計算：

基上的均質土壩計算大壩滲流量和浸潤線[6]。大壩為透水地基上設棱體排水的均質壩，壩高25.5 m，壩頂寬7.5 m，上游壩坡比1∶2.75，下游壩坡比1∶2.3，壩體填筑土滲透系數取5.63×10-4cm/s。壩體浸潤線按下式確定：

式中：a0為排水棱體上游坡腳處浸潤線高度（m）；q為單位壩長滲流量[cm3/（s?m）]；k為滲透系數（cm/s）；L為滲流區長度（m）；x為計算點至上游面的距離（m）；hx為滲流水深（m）；H為上下游水位差（m）。

經計算，正常蓄水位工況下壩體的單寬總滲流量為0.051 cm3/（s·m），逸出點到下游水面線距離為2.082 m；設計洪水位工況下壩體的單寬總滲流量為0.075 cm3/（s·m），逸出點到下游水面線的距離為3.072 m；校核洪水位工況下壩體的單寬總滲流量為0.103 cm3/（s·m），逸出點到下游水面線的距離為4.19 m。從計算結果可知，即使在最不利情況下，大壩年滲流量為715 m3，占總庫容的0.06%，滲漏損失較小。

4 加固設計

4.1 壩體充填灌漿

黃溝水庫大壩壩腳存在滲漏并有發展趨勢，存在滲流隱患。現滲漏點位于大壩原輸水洞附近，2012 年除險加固時對其進行了封堵，但存在原輸水管道封堵不嚴，管周壩體填筑土填筑不密實，管周圍巖土與管壁存在滲漏，導致庫水與原輸水管道周圍

式中：γd為土的干容重（g/cm3）；C為土的凝聚力（kPa）；其余變量含義同上。

經計算，流土破壞的允許坡降為0.479，大于大壩下游壩坡出逸坡降0.398，大壩不會發生流土破壞。

（4）水庫建成運用至今未有任何觀測設施，大壩浸潤線及滲流量沒有資料可供參考。對大壩在正常蓄水位298.39 m、設計洪水位301.47 m、校核洪水位303.99 m 3 種情況下的滲流進行復核計算。在上游各水位情況下，下游無水，有棱體排水，按不透水地形成滲漏通道，在滲漏處土體不斷被沖刷帶走，造成壩后滲漏量增大，存在安全隱患。

大壩采用水泥黏土漿進行充填灌漿，排距2 m，孔距2 m，共布置灌漿孔149 個，造孔順序先上游后下游，分兩序跳躍式造孔。造孔總尺寸1 976 m，充填灌漿深度1 810 m，灌漿結束后布置檢查孔12 個，檢查孔位置根據施工具體情況確定，充填灌漿孔采用干法鉆孔[7]。充填灌漿分兩序孔灌注，各孔采取自下而上分段灌漿法，每段長度5 m。

灌漿材料采用425號普通硅酸鹽水泥黏土漿，漿液中水泥與黏土的重量比為0.2∶1，漿液密度1.3～1.6 g/cm3，開灌水灰比2∶1。開始先用稀漿，經過3～5 min后再加大漿液稠度。在灌漿過程中，先對第一序孔采用“少灌多復”的方式輪灌，每米孔每次灌漿量通過現場試驗確定。充填灌漿利用漿液自重將漿液注入壩體隱患處以封堵壩體滲水隱患。灌漿壓力通過灌漿試驗確定，大壩上游平臺處灌漿壓力不大于50 kPa（孔口灌漿壓力），原輸水洞兩側灌漿壓力初定為90 kPa。當漿液升至孔口，連續復灌3 次不再吃漿時，灌漿即可結束，對經驗收合格的灌漿孔進行封孔[8]。

封孔時將注漿管拔出，向孔內灌注密度大于1.5 g/cm3的稠漿，多次灌注，直至漿面升至孔口不再下降為止。待孔口完全析水后，用含水率適中的制漿土料將孔口回填搗實整平。灌漿結束進行封孔，并布置檢查孔檢查灌漿質量效果。檢查孔選在鉆孔偏差過大、地質復雜、灌漿不穩定、吃漿量過大、冒漿以及分析資料認為對灌漿有影響的部位。灌漿質量檢查以檢查試驗成果為主，結合對竣工資料和測試成果的分析，綜合進行評定。

4.2 大壩上游護坡修復

拆除重建原有上游壩坡305.45 m平臺上部至壩頂混凝土面板，采用14 cm 厚C20 現澆混凝土板，接縫寬8 cm，縫內填無砂混凝土，縫下鋪設20 cm 寬土工反濾布（300 g/m2）。

4.3 排水棱體修復

下游壩后排水棱體按原結構進行整修加固。修復排水棱體長35.5 m，排水棱體頂部高程287.12 m，頂寬1.0 m，上游坡比1∶1，下游坡比1∶2。

4.4 壩頂衛星渠改造

為保證水庫庫區范圍內交通通暢、確保防汛物資輸送至大壩下游壩腳，在原有衛星渠頂增設C25鋼筋混凝土蓋板，蓋板長3.2 m、寬0.5 m、厚0.2 m。

5 結語

黃溝水庫是衛星灌區的結瓜水庫，衛星灌區土壤肥沃，光熱條件優越，適宜各種作物生長。黃溝水庫除險加固工程不僅保證了防洪安全，同時改善了水環境，對促進衛星灌區的生態保護和農業高質量發展具有重要意義。