淺談黑山水庫攔河土壩加固方案

□賀啟有（遼寧省丹東市水利勘測設計研究院）

0 前言

黑山水庫位于岫巖滿族自治縣蘇子溝鎮黑山村廟溝組的東洋河支流牤牛河上游，距鞍山市約161 km，距岫巖縣城25 km。

黑山水庫工程于1957年11月正式開工建設，于1958年9月1日竣工并投入使用。黑山水庫已運行近50年，由于這座水庫為典型的“三邊”工程，施工質量差，施工質量得不到保證，雖然經過多次加固改造，但仍存在黏土心墻高度不夠，且與防浪墻不相接，大壩滲漏，溢洪道缺少消能工，輸水洞漏水，缺少觀測設施等諸多問題，水庫存在嚴重安全隱患，所以黑山水庫除險加固工程十分必要，也較為迫切。

黑山水庫工程為中型，是以灌溉為主，兼顧防洪、發電和養殖等的綜合水利工程。設計灌溉面積853hm2，其中水田660hm2，經濟作物19 hm2。水庫總庫容為1211.71萬m3，校核洪水位（P=0.10%）為103.30 m，設計洪水位（（P=2%）為102.08 m，正常蓄水位為99.30 m。

黑山水庫樞紐工程由攔河土壩、溢洪道、輸水洞組成。攔河土壩長705m，大壩加高到103.52 m，加寬到6.00 m；輸水洞在樁號0+591處，拆除重建；溢洪道在左岸，位置不變，將原有溢洪道進行拆除重建，溢洪道堰頂高程為99.30 m，寬度為60.70 m，堰體長度為19.10 m,尾水渠渠底比降i=0.01，底寬46.00 m，長293.50 m。在這里，我們主要討論攔河土壩的加固方案。

1 建設條件

1.1 自然概況

牤牛河為東洋河主要支流，于紅旗鄉匯入東洋河，牤牛河流域面積189.90 km2，全長36.73 km。黑山水庫控制流域面積49.20 km2，河道平均比降18.40‰,河道長12.40 km。

1.2 氣象與水文

該流域降水受西太平洋暖濕空氣和流域地形影響，年降水量由西向東遞增，多年平均降水量為800～1200 mm；蒸發量由西向東遞減，多年平均蒸發量為1100～1300 mm；多年平均氣溫為7.50～8.00℃，1月份氣溫最低，極端最低氣溫為-32.60℃，7月份氣溫最高，極端最高氣溫為37.30℃，最大凍層深度為1.02m。黑山水庫的多年平均徑流量為0.64 m3/s，50年一遇洪峰流量為711 m3/s，1000年一遇洪峰流量為1153 m3/s。

1.3 地質地形

黑山水庫位于岫巖滿族自治縣的蘇子溝境內，地貌類型屬低山丘陵區，壩址處基本為“U”型河谷，河谷寬約460 m，右岸較陡，巖石裸露；左岸較緩，為丘陵區，且表面多為第四紀覆蓋。

根據現場鉆探和探槽揭露，目前防浪墻基礎底未與黏土芯墻相接，防浪墻與芯墻背水肩部的相對距離為1.50～2.40 m,平均頂寬為1.50 m，芯墻上表面高程為99.50～100.56 m。大壩的填筑材料主要由全風化礫砂、含礫粘性土及碎石土組成，大壩壩基存在兩處較大的滲漏帶，分別位于樁號0+000～0+307段和0+630～0+705段，由于滲漏帶的滲漏量較大，影響大壩安全和壩后電站廠房安全，建議對這兩段壩基進行灌漿處理。

2 攔河土壩加固方案

2.1 攔河土壩存在的主要問題

攔河土壩全長705m，為粘土心墻壩，最大壩高19.89m，防浪墻頂高程104.60 m，壩頂高程103.10～103.50 m，壩頂寬3.50 m。迎水坡平均坡度為1：3.00，背水坡平均坡度為1：2.30。

根據中國水利水電科學研究院的核查意見，黑山水庫為三類壩，攔河土壩存在的主要問題為：

①防洪標準不符合要求，大壩頂高程比設計要求低0.02～0.42 m。

②經過現場勘察，心墻頂高程100.56～99.50 m，與漿砌石防浪墻基礎之間有0.64～2.70 m透水層，嚴重威脅大壩安全。

③大壩壩頂寬度只有3.50 m，不滿足規范要求的最小寬度要求。

④大壩上游護坡面在冰線一帶，97～99.50 m間冬季由于冰壓護坡面隆起。

⑤防浪墻自建成就有裂縫，并產生新的裂縫。據統計，共有大小裂縫200多條，其中貫穿裂縫近30條。

⑥壩基滲漏嚴重，水庫自1958年竣工至今右壩端一直存在滲漏問題，而且滲漏比較嚴重。

2.2 攔河土壩加固設計

攔河土壩全長705 m，為黏土心墻壩，根據攔河壩存在的主要問題，對大壩進行加高培厚，大壩加高到103.52 m，加寬到6.00 m，防浪墻拆除重建，黏土心墻加高，壩基進行灌漿處理。

2.2.1 壩頂結構

根據《碾壓式土石壩設計規范》對壩頂寬度的要求，中、低壩壩頂寬度可選用5～10m，本次除險加固設計將壩頂加寬到6m，壩頂設C20混凝土防浪墻，防浪墻基礎坐落在黏土心墻上，并深入心墻0.50 m，基礎底高程為102.02 m，墻頂高程為104.62 m，防浪墻頂寬0.45 m，背水側設置C15混凝土路邊緣石，壩頂面向下游側放坡，坡比為2%，壩頂采用瀝青混凝土路面。

2.2.2 黏土心墻加高

根據現場鉆探和探槽揭露，黏土心墻頂偏離防浪墻，偏向迎水側，心墻背水側肩部與現有防浪墻的距離為1.50～2.40 m，平均距離為1.90m，黏土心墻頂高程為99.50～100.56 m，均低于水庫最高凈水位(校核水位:103.30 m)，心墻頂寬平均為1.50 m，本次除險加固設計保持防浪墻軸線不變，將心墻斜著向后加高到102.52 m，坡比采用1：10～1.20，上面接防浪墻。

2.2.3 大壩迎水坡、背水坡結構

大壩迎水坡坡比為1:3，大壩上游護坡原設計為干砌石護坡，經過多年運行，加上冬季氣溫較低，經過反復凍融破壞，上游冰線一帶（97～99.50 m之間）大壩護坡面變形、松動移位，破壞嚴重。本次設計將上游護坡石拆除，利用拆除的砌石進行拋石護腳，護腳頂高程定于死水位92.58 m。護砌形式采用現澆混凝土板護坡，將92.58 m高程以上原護坡拆除利用，平整原壩坡，在其上鋪設400 g/m2土工布，上面填300 mm厚的砂卵石墊層，墊層上部澆筑C20素混凝土板，厚度200 mm。每塊板的平面尺寸為1.50 m×1.50 m，上下相鄰兩排板錯縫排列。

大壩背水坡坡比為1:2.50，采用碎石護坡，碎石厚200 mm。

2.2.4 大壩基礎處理

根據《黑山水庫勘察報告》及現場勘察分析，大壩壩基存在兩處嚴重的滲漏帶，分別位于樁號0+000～0+307段和0+630～0+705段，心墻與壩基之間存在一層厚約2.50～3.50 m的碎石透水層,滲漏量較大，直接影響大壩及壩后電站廠房安全。所以對這兩段壩基做高噴防滲墻,將心墻與壩基之間的碎石透水層隔斷,高噴墻深入基巖和心墻各1.00 m,高噴防滲墻范圍為0+030～0+317和0+620～0+705兩段，布置1排灌漿孔，孔間距1.50 m，孔徑采用110 mm。

高噴防滲墻的具體施工技術要求：①灌漿孔沿大壩黏土芯墻中心線布置，布置1排灌漿孔，根據地質條件和以往工程施工經驗初步確定孔距為1.50 m,實際施工應根據生產性試驗結果確定，在施工過程中如有不良地質現象，應根據實際情況加密、加深鉆孔。②鉆孔采用干孔鉆進，如遇砂卵石等無法鉆進的地層時，應根據監理和設計單位要求，可采用鐵砂鉆或加少量水。③高噴采用擺噴折接擺角30°，夾角25°。④灌漿采用2重管法噴射注漿，灌漿用水泥采用42.50級普通硅酸鹽水泥，水灰比為1:1.50～1:10（其相應漿液密度分別為 1.37 g/cm3和，1.50 g/cm3）。⑤為減緩水泥漿液沉淀速度，在硅酸鹽水泥中添加3%水泥重量的膨潤土和3%膨潤土重量的碳酸鈉，膨潤土的細度應為200目。⑥灌漿壓力為32MPa，實際施工應根據先導孔試驗結果確定，灌漿泵、灌漿管路容許工作壓力應大于最大灌漿壓力的1.20倍。高噴防滲墻最小厚度≥12 cm，滲透系數≤1×10-5cm/s，抗壓強度R28≥4MPa。⑦高噴灌漿應全孔自下而上連續作業，需中途拆卸噴射管時，搭接段應進行復噴，復噴長度≥0.20 m，高噴灌漿因故中斷恢復施工時，應對中斷孔段應進行復噴，復噴長度≥0.50 m。⑧灌漿封孔采用置換和壓力灌漿封孔法，孔口管栽管從下至上，封孔采用導管注漿，導管距孔底0.50 m，漿液采用水泥和黏土混合漿，黏土和水泥用量采用1:1，混合漿液水灰比采用0.50:1，黏土的塑性指數≥14，粘粒，含量≥25%，含砂量≤5%，有機物含量≤3%，當漿液升至孔口，經連續復灌3次不再吃漿，漿液表面也沒有凹陷現象，即可終止灌漿。

3 結論

水庫除險加固工程對我國國民經濟的發展和保護人民生命財產安全意義重大，前期勘察設計工作是做好水庫除險加固工程的基礎，直接影響著除險加固工程的質量好壞。除險加固工程不同于新建工程，它比新建工程要復雜，受限制的條件也比較多，有工程自身條件的限制，也有來自外部條件的限制，一定要處理好與它們的關系，否則會導致加固方案的失敗或無法實施。除險加固的設計方案對工程第一手材料的全面性、真實性、準確性要求很高，一定要把工程原有的設計條件、設計狀況及工程存在的問題搞清楚，并認真聽取運行管理人員的建議，對產生問題的原因進行系統的研究分析，只有把問題的關鍵找準，才能做出安全可靠、技術可行、經濟合理的加固方案。