中營盤水庫大壩除險加固方案探析

郭蓉蓉

（榆林市榆陽區水產工作站 陜西 榆林 719000）

1 概況

中營盤水庫位于榆林市榆陽區境內的榆溪河支流五道河上游，是榆溪河水庫群中的一座中型水利樞紐工程，大壩位于榆陽區孟家灣鄉中營盤村，在榆林市區以北約45km處。該工程于1970年3月動工興建，1972年10月竣工建成，工程等級為三級，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養殖、發電、攔沙等綜合利用的中型水庫。中營盤水庫大壩由主壩和副壩組成，為水力沖填均質水墜沙壩，最大壩高為27 m，壩頂全長820 m（主壩長650 m，副壩兩處長170 m），壩基高程為1197.30 m，壩頂高程為1223.40 m。大壩迎水坡坡比為1∶8；背水坡在壩頂以下2.5 m范圍內為1∶4，以下為1∶10。有效庫容742萬m3，死庫容210萬m3。

2 大壩病險問題及壩址地質情況

2.1 大壩病險問題

中營盤水庫大壩現壩頂高程為1223.17 m～1224.93 m，受當時設計水平和施工條件限制，水庫大壩設計標準較低，壩體填筑料來自兩岸風積砂，壩體砂粒含量占88%～99%，粉粒含量占1%～12%，粘粒含量極少，為粉細砂，按《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》對壩體填筑土料評價可知，壩體粉細砂料質量均不符合規程要求。依據《碾壓式土石壩設計規范》，采用標準貫入擊數查表法計算和室內土工試驗資料表明：壩體填筑質量不符合標準要求，壓實質量較差，水平滲透指標差異性大，壩體屬中透水性，滲透指標不符合質量要求。加之壩坡未砌護，無任何防滲措施，加劇了大壩的風險性。同時副壩較低，經過三十多年運行和泥沙淤積，已經難以滿足蓄水要求，急需加高。

2.2 壩址區工程地質條件

壩區河谷兩岸地形較為平緩，壩后河床高程1201.66 m，河谷呈寬緩對稱的“U”型，兩岸高程1215 m～1235 m，相對高差14 m～34 m，岸坡坡角15°～25°，左右壩肩為沙漠灘地，區內沖溝不發育，筑壩段河谷為N～S向發育，在壩軸線處河谷寬度200 m～250 m，階地不發育。壩址區地下水主要賦存于上更新統河湖相堆積（Q3al+l）松散細砂層中，建庫前兩岸地下水補給河水，建庫后庫水補給地下水。壩基巖性主要為粉砂、細砂構成。

3 大壩加固設計

3.1 大壩穩定復核計算

3.1.1 滲透穩定分析

依據《碾壓式土石壩設計規范》規定，計算上游正常蓄水位1219.10 m，校核洪水位1220.85 m時，下游水位為1201.30m情況下下游的壩坡穩定滲流分析。選取河床最大斷面作為計算斷面，滲流計算參數指標為：壩體填筑沙土滲透系數為5.66×10-3cm/s，大壩填土滲透坡、出逸點高程計算成果見表1。

從表1可知，壩體和壩基的單寬滲流量為q=2.342m3/d·m；壩體和壩基每天最大滲流量為795m3/d，年最大滲漏量為29.02萬m3，約占設計總庫容的1.3%，滲流量較大。下游壩坡的滲流出逸點在壩坡上，壩體的滲透坡降大于規范允許的滲透坡降I允，說明壩體滲透穩定不滿足要求，需進行防滲處理。

表1 大壩填土滲透坡、出逸點高程成果表

表2 土料物理力學指標

表3 大壩穩定計算安全系數成果

3.1.2 壩體穩定分析

依據《碾壓式土石壩設計規范》第7.3.2條，本次穩定分析計算主要復核以下工況：正常運用情況下（穩定滲流期）的下游壩坡，即上游庫水位為正常蓄水位1219.10 m，下游水位為1201.30 m條件下，下游壩坡的穩定計算；非常運用情況下（穩定滲流期）的下游壩坡，即上游庫水位為校核洪水位1220.85 m，下游水位為1201.30 m條件下，下游壩坡的穩定計算。采用北京理正《土石壩穩定計算程序》進行計算，計算斷面取河床最大斷面。各土層的物理力學指標見表2。計算成果見表3。

通過計算可見，中營盤水庫大壩下游壩坡在正常運用情況下的最小安全系數均滿足規范要求。

3.2 壩體整修加固

水庫大壩現壩頂高程為1223.17 m～1224.93 m，本次對壩頂進行整平，恢復至原設計壩高，整平后壩頂高程為1223.50 m。主壩頂寬度維持原6.0 m不變，總長變為662 m。經穩定分析計算壩體抗滑滿足規范要求，大壩上下游壩坡均不需進行培厚處理，只進行簡單地整修處理。處理后上游壩坡坡比為1∶6；下游壩坡坡比壩頂至1219.00 m為1∶5，1219.00m～1213.00m為1∶6。副壩由于加壩不能按原副壩走向進行加高，從右壩肩沿水庫沙梁填筑副壩，長度為223 m，頂寬4.0 m。主、副壩的內外坡比保持一致，均為1∶4。

3.3 大壩防滲處理

本次中營盤水庫防滲加固處理是建立在大壩滲透安全的條件下進行設計的。從所測壩下游的滲透量可知，大壩的滲透主要由壩體產生，所以大壩防滲加固的主要內容由兩部分組成：一是壩基防滲加固處理，為了使防滲體伸入壩基砂層中，在蓄水位增高、壩基防滲后，以達到增長滲徑、減少直接從壩基出滲量；二是壩體防滲加固處理，目的是減少滲透量，降低浸潤線、降低出逸點。

根據地質勘探情況及工程現狀，結合現場查勘情況，選定壩基防滲軸線為：沿大壩縱向在上游壩坡1219.10 m高程線，布設垂直防滲幕墻方案。根據中營盤水庫壩基地質情況，其壩基主要為Q4al中沙層，由風積砂及河湖相細砂夾薄層砂壤土組成，左岸厚3 m～20 m，河谷處3 m～5 m，右岸15 m～30 m，實測其物理力學指標為：ρd=1.48g/cm3，D r=0.74，K20=5.19×10-3cm/s，頂板高程左岸1194.50 m～1196.70 m。

根據上述情況，本次設計中營盤水庫大壩防滲的截滲范圍主要是伸入壩基中砂層中，以達到增長滲徑、減少直接從壩基出滲的目的。鑒于上述情況，根據中營盤水庫壩基地質及截滲目的，本次設計中營盤水庫大壩防滲加固處理方案選用砼墻垂直截滲處理方案。大壩砼防滲墻布設在上游壩坡1219.10 m高程處，防滲墻軸線與主壩軸線平行，防滲墻總長度693.6 m，深度為20 m和25.0 m，墻厚0.4 m。壩基砼墻垂直截滲墻防滲指標為：滲透系數小K≤1.0×10-6cm/s，允許滲透坡降J＞50。

3.4 壩后排水設計

針對下游壩坡運行中存在的問題，為了避免雨水漫流而造成對下游坡面沖刷，增設其壩坡排水設施。由1219.00 m、1213.00 m分別設兩條馬道。馬道寬2.0 m，內側設排水溝，設計排水溝過水斷面b×h=300mm×300mm，壁厚30cm，排水溝橫向通至壩體兩端排水溝。沿壩軸線間隔250 m設置2條排水溝，斷面結構同上所述。考慮到大壩觀測、運行管理及今后整修，沿壩軸線間隔250 m設置一條豎向踏步，共設2條，踏步寬150cm，厚15cm。中營盤水庫下游壩坡沒有設反濾排水體，本次設計為貼坡式反濾排水體，設計頂高程為1205.8 m，底高程為1201.30 m，高4.5 m，頂寬4.86 m，沿主壩縱向布設，壩后長度240 m。

3.5 上下游壩坡坡面設計

針對下游壩坡沖溝，安排在上游防滲工程實施后，清除雜物，外運壤土進行回填處理，設計回填壓實度η≥0.93。為保持坡面完整，坡面進行植物護坡。由于大壩上游壩坡未砌護，隨著泥沙淤積和庫水位的抬高，壩坡有淘刷破壞的可能。本次設計結合上游防滲墻對上游壩坡進行砌護，壩坡護面采用拱形骨架護坡，骨架采用M 7.5漿砌石，格內植物護坡。

3.6 大壩安全監測設計

為確保大壩安全運行，建立一套比較完善的大壩安全監測系統是十分必要的。根據工程的實際情況，本次僅按常規監測進行設計。依據《土石壩安全監測技術規范》，結合大壩特點進行如下觀測項目的設計：外部表面變形觀測、滲流觀測、水文、氣象觀測。

5 結語

在水資源極為緊缺的榆林市，中營盤水庫起著舉足輕重的作用。限于當時設計技術和多蓄水的思想，水庫大壩設計上存在眾多缺限，經過三十多年運行，病險加劇。通過分析病險原因，從大壩加固、防滲處理、壩面排水、壩坡處理、觀測道路以及運行監測六個方面，提出除險加固方案，以確保大壩安全運行。