新城水庫土石壩除險加固工程設計綜述

吳 紅

（黑龍江省水利水電勘測設計研究院,哈爾濱 150080）

1 工程概述

新城水庫位于延壽鎮南偏東16 k m處,螞蟻河右岸支流石頭河中下游,是一座以農田灌溉和城鎮供水為主,結合發電的綜合利用中型水庫。新城水庫壩址以上集水面積99 k m2,石頭河流域面積147 k m2,新城水庫是石頭河上唯一一座控制性工程。

新城水庫始建于 1958年,1959年大壩合龍,后經幾次續建,至 1975年主體工程基本竣工,1983年基本達到原設計標準為50 a一遇,校核標準為300 a一遇,壩頂高程為223.37 m,總庫容1 700萬m3。為了解決延壽縣城居民供水和農田灌溉的需要,于 1997年自水庫接通城鎮供水管道,并于2000年對水庫進行增容擴建,擴建后設計標準為50 a一遇,校核標準為1000 a一遇,擴建后校核洪水位（P=0.1%）224.86m,總庫容2 580萬m3;水庫擴建后,可灌溉水庫下游水田面積1 140 h m2,2010年后可向延壽鎮供水達500萬 m3/a。

新城水庫樞紐工程由土石壩、溢洪道、輸水洞及電站組成,壩址選在灘地窄河谷處,土壩為黏土斜墻堆石壩,黏土鋪蓋防滲;溢洪道布置在右岸條形山體鞍部,輸水洞布置在壩右側山體中,電站布置在洞出口坡腳處。2000年水庫進行增容擴建,壩型仍為黏土斜墻堆石壩,堆石壩在原壩的基礎上自壩后坡進行加高培厚;壩頂長455m,壩頂寬6.0 m,壩頂高程226.10 m,最大壩高21.60 m,上游邊坡 1∶3.5,下游邊坡1∶1.6和 1∶2.0,在高程 217.0 m處設置馬道,馬道寬 2.0m,下游壩腳處設排水帶。

2000年水庫增容擴建后至 2005年間,土石壩迎坡壩面多次出現塌陷,壩背坡出現滲水,省水院于 2006年11月對新城水庫進行了大壩安全鑒定工作,省水利廳組織有關專家對新城水庫大壩安全評定為三類壩,為病險水庫。

2 土石壩壩體存在的主要問題

新城水庫土石壩壩型為黏土斜墻堆石壩,因溢洪道未建成即蓄水,造成 1960年夏汛時,隧洞閘門因事故無法泄洪,導致大壩決口。1960年 11月至 1962年 6月對大壩決口段進行修復,1964年水庫管理部門對土壩進行全面鉆探檢查,結果表明土壩黏土斜墻質量較差,1968年水庫重新翻修黏土斜墻。

2000年水庫增容擴建蓄水后,一直處于較高水位狀態下運行。水庫于 2001年 5月 9日及 5月 22日在水庫土石壩上游坡分別發現一陷坑,陷坑發現時均沒于水下,上游庫水面未見異常。水庫陷坑處理后又持續3 a正常蓄水,又于 2005年 6月 3日土石壩上游坡又發現 3處陷坑。

基于險情的不斷發生,延壽縣新城水庫管理站委托黑龍江省水利科學研究院暨黑龍江省水利工程質量檢測中心站對水庫大壩質量進行檢測和分析,采用瞬變電磁法探查大壩內部隱患,并在大壩前坡選取兩處外觀異常區域和可能存在隱患區域,開挖探坑進行檢測。

通過瞬變電磁法對大壩 4個測試斷面進行測試,從測試結果看黏土斜墻中存在異常電導率測試值偏多,電導率最大值和最小值均發生在這里,反映出黏土斜墻質量欠佳,極有可能存在著滲透通道,至少存在著產生滲漏通道的隱患。

在探坑開挖檢查時,為了使開挖的探坑容易發現壩內滲漏隱患,位置選擇在靠近前壩肩,且壩前雜草繁茂的地方,在僅有的 2個探坑中就發現壩體內有已朽的粗樹干、大粒徑塊石、集中堆積的碎石等,且黏土中還挖出了積水,大壩黏土斜墻含水率高（現場試驗值為 21.67% ～23.0%）、壓實質量差,不能滿足截滲要求。壩體內黏土斜墻上碎石墊層和碎石混合土保護層與設計情況不符,反濾層局部級配不合理,且各層界限不明顯,碎石粒徑較大,并夾有 ＞40 c m的石料,達不到反濾的作用。

綜上可以看出,新城水庫土石壩經過多期建設、返修,致使大壩構成復雜,施工銜接部位多,存在隱患較多。由于水庫前期土石壩防滲體及反濾結構施工質量差,才導致 2001、2005年塌坑的頻繁發生。

3 壩體陷坑產生的原因分析

每個陷坑的產生,都是由內、外因素共同作用的結果,外界因素是水庫長期高水位運行,內在因素是原斜墻質量差,斜墻下面又是不符合反濾要求的碎石土墊層。庫水經質量較差的斜墻滲透到下部不符合反濾要求的碎石土墊層,滲透水先將碎石土中的土粒帶走,高水頭滲水的長期作用又將其中的砂粒帶走,即產生內部管涌并發展為流土,這些顆粒被帶到后面壩體堆石的空隙中,逐漸形成自然反濾帶,顆粒中的極細部分隨著滲透水流流出壩外,長時間的作用形成集中滲流,集中滲流又將質量差的黏土斜墻剝蝕,長期作用結果使原斜墻下部58 a填筑的斜墻逐步脫空并擴大,如脫空部位上面的斜墻與周圍部分斜墻間的側向摩阻力尚能支持脫空部分斜墻和其上面保護層、護坡塊石等重量就不會塌陷;若支持不了就產生塌陷,只不過因脫空小或陷落部分較為疏松,塌陷不明顯;當下部脫空范圍大,側向摩阻力無法支持時,即發生明顯塌陷。

4 土石壩除險加固設計

鑒于水庫存在的隱患,本次設計采用在不放空水庫前提下,于壩體上游坡樁號 0+16.2～0+362.4高程214.86m,樁號 0+362.4～0+416.2高程217.00m處,開挖寬14.30 m塑性混凝土防滲墻施工作業平臺,由平臺前緣向內7.3 m處設置一道厚60 c m的塑性混凝土防滲墻,防滲墻深至基巖以下0.5～1.0 m,并與左岸壩基碎石混合土和右岸花崗巖緊密連接,作為壩體下部和壩基部分的防滲措施。防滲墻頂高程至高程224.00 m,采用厚0.5 m m聚乙烯雙層500 g/m2的復合土工膜做為壩體中上部防滲材料,復合土工膜底部采用直接在導向槽內用現澆混凝土與塑性混凝土防滲墻牢固連接,按 1∶2.75邊坡鋪至224.00 m時,膜頂端澆注于混凝土防浪墻底板內,使其與防滲墻和防浪墻形成閉合的防滲整體,以有效解決壩體及壩基的防滲問題。

壩體回填時,于高程217.00 m處設置馬道。馬道寬4.50 m,之上采用 1∶3.0邊坡,25c m厚混凝土板護坡,下墊25c m厚碎石;馬道之下采用 1∶3.5邊坡,25c m厚干砌石護坡,下墊25 c m厚碎石。復合土工膜下鋪砂墊層,厚 20 c m,其下再鋪一層粒徑 ＜4 c m的碎石支持層,厚20 c m;復合土工膜上鋪砂墊層,厚30 c m,墊層之上采用小徑堆石填筑。壩頂采用泥結石路面,厚25 c m。

5 壩基防滲墻施工

混凝土防滲墻的施工由于采用不同的造孔機具,施工前需修建孔口導向槽、泥漿制漿站和混凝土拌和站等,鋼筋混凝土導向槽可避免出現塌孔現象。固壁泥漿可以循環使用,使用膨潤土造漿,可使用高速攪拌機。混凝土澆筑前需對槽內進行清孔換漿,使孔內膨潤土漿達到密度≤1.1 g/c m3,黏度≤30s,含砂量≤3%。鉆機和抓斗采用兩鉆一抓的施工方法,造孔采用沖擊鉆機對各種地層都適應的優勢,又發揮了抓斗對一般地層可快速掘進的優點。

圖 1 土石壩橫斷面圖

6 結 論

新城水庫土石壩迎坡壩坡塌陷、背坡滲水,威脅了水庫的安全運行,通過對壩基和壩體采取防滲加固措施,從根本上解決了水庫的病險問題,使水庫能夠更好的發揮灌溉、城鎮供水、發電等綜合效益。

[1]黑龍江省水利水電勘測設計研究院 .黑龍江省延壽縣新城水庫除險加固工程初步設計報告[R].哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測設計研究院,2008.

[2]譚靖夷 .中國水力發電工程[M].北京：中國電力出版社,2000.