大壩除險加固新技術在南馬廠水庫中的應用

郭慧黎

（北京市水利規劃設計研究院，北京100048）

大壩除險加固新技術在南馬廠水庫中的應用

郭慧黎

（北京市水利規劃設計研究院，北京100048）

在南馬場水庫除險加固工程中，通過科學的方案比選，在保證水庫安全的前提下，應用了一系列大壩除險加固新技術，不僅解決了大壩帶病運行的險情，恢復了大壩正常運行功能，而且使舊險壩面貌煥然一新，保持了水庫的原有規模，消除了隱患，最大限度地滿足區域發展要求，經濟和社會效益顯著。為以后類似工程提供了設計依據。

除險加固；技術創新；表孔溢洪道

1 基本概況

南馬場水庫位于北京石景山區五里沱鎮雙泉寺村東北部，壩址位于黑石頭溝上游的馬場溝上，流域面積1.1km2，主溝長1.92km，主溝比降為7.3%。大壩為漿砌石拱壩，水庫設計總庫容18.1萬m3，屬小（2）型水庫［1］。加固前大壩由擋水壩及左岸溢洪道組成，加固后在原擋水壩處開表孔設溢流堰形成溢流壩段，與原溢洪道共同泄洪。工程位置及水庫現狀見圖1和圖2。

南馬場水庫為小（2）型水庫，工程等級為Ⅴ等，主要建筑物設計標準為5級。其防洪標準按20年一遇洪水設計；100年一遇洪水校核。工程區地震動峰值加速度為0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。大壩自1979年建成蓄水運行后，發現壩體有漏水現象。為此1992年4月對大壩進行了水泥帷幕灌漿加固處理，但效果不好，大壩仍有滲漏現象。本次工程是對該病險水庫進行除險加固，通過本次除險加固和修復，解決大壩帶病運行的險情，恢復大壩正常運行功能。

2 工程設計

南馬場水庫除險加固工程主要包括：（1）壩頂開表孔，加大溢流量；（2）完善壩體防滲結構，在壩體上游面外貼混凝土，解決壩體滲漏及壩體超標準應力問題；（3）對壩基進行帷幕灌漿處理，解決壩基滲漏；（4）對壩體進行封拱灌漿，保證大壩整體性；（5）其它附屬工程措施，包括原溢洪道泄槽

圖1 工程位置圖

圖2 現狀南馬廠水庫照片

底板修復、新建壩頂交通橋、閘房改造、臺階修復、庫區周邊設施建設及庫區清淤等。主要的工程設計要點有：

2.1 壩體增設表孔溢洪道設計

2.1.1壩頂開表孔形成溢流壩段

擋水壩段壩頂在樁號0+025～0+059之間開表孔設溢流堰形成溢流壩段，溢流壩為開敞式，不設閘門，堰頂高程為正常蓄水位308.0m，設3孔單孔凈寬10m，與原溢洪道共同泄洪，中墩與邊墩厚均為1.0m。

為保證兩岸交通暢通，在溢流壩段設人行橋，寬度同壩頂寬度。

2.1.2下游壩面防護

溢流壩段下游在下泄小頻率洪水時，下泄水流會沖刷下游壩面，為保護下游漿砌石壩面，需在溢流壩段下游壩面澆筑0.7m厚的鋼筋混凝土保護層，考慮下游壩面整體美觀，最終確定整個大壩下游面均澆筑0.7m厚的鋼筋混凝土保護層。

2.1.3消能防沖設計

溢流壩段采用挑流消能，下游設15.0m長，28.4m寬防沖槽，槽深2.0m，內填塊石，槽底距下游壩腳18.5m。為加強保護下游壩腳，在下游壩腳處設2.0m厚漿砌石護砌，其上澆筑0.7m厚的鋼筋混凝土保護層。沿水流方向下游還設長28.5m，寬28.4m，厚1.0m的高鍍鋅鉛絲石籠。

2.2 壩體上游防滲體設計

將整個大壩上游面進行鑿毛處理后，澆筑1～1.2m厚鋼筋混凝土防滲面板，高程300m以上面板厚1.2m，高程300m以下面板厚1.0m，防滲面板設伸縮縫，逢距10m，伸縮縫內設止水。

對特殊漏水點，利用錨筋孔進行水泥砂漿灌注。

2.3 壩基帷幕灌漿

上游壩基設3.0m寬，2.0m厚鋼筋混凝土帷幕灌漿平臺。

帷幕灌漿為單排，孔距2.0m，孔深取0.7倍水頭。為避免發生壩肩繞滲，帷幕灌漿向兩岸分別延伸10m。

2.4 壩體封拱灌漿

封拱灌漿選擇在低溫季節4月初進行，宜從大壩中部向兩岸推進，由基礎開始自下向上以此灌至頂層。灌漿孔布置在橫縫的兩側，距橫縫1～1.2m，孔間距1.0m，孔向與壩面成45度，孔深按穿過橫縫0.5m計。

封拱灌漿在大壩上下游面進行，灌漿前需在上下游橫縫處進行封閉封面局部處理。

3 方案比選

在本次設計中，專門對壩體增設表孔溢洪道設計進行了方案比選。

由于現狀溢洪道泄洪能力有限，按目前泄流能力，大壩設計標準僅為2年，遠遠小于現行規范規定的20年一遇洪水設計，100年一遇洪水校核的設計標準。如不增加溢洪道泄量，只能降低大壩設計標準，大壩防洪能力大大降低，汛期遇設計及校核水位時，洪水漫頂，嚴重影響大壩及下游地區的安全。

設計曾考慮對現有溢洪道擴寬及降低溢洪道堰頂高程方案，但兼顧拱壩壩肩的穩定性及左岸地形，現狀溢洪道沒有擴寬條件；如降低溢洪道堰頂高程需重新設置左岸重力墩，溢洪道堰頂位于該重力墩上并設閘門，方可滿足設計要求，如果重設重力墩對左岸結構影響較大，且設閘門給運行管理帶來不便，因此本設計在壩頂中部增設溢流壩方案，以增加大壩泄流量。設計對以下兩種表孔方案進行比選。

方案一：壩頂開表孔-設3孔，單孔凈寬10m，不設閘門。

壩頂開表孔設溢流堰形成溢流壩段，堰頂高程為正常蓄水位308.0m，與原溢洪道共同泄洪。溢流壩段壩頂設3跨凈寬10m人行橋，下游設34m寬防沖槽。

方案二：壩頂開表孔-設3孔，單孔凈寬4m，設閘門。

同方案一壩頂開表孔設溢流堰形成溢流壩段，不同之處是堰頂高程及單孔凈寬不同，堰頂高程為306.0m，單孔凈寬4m。為保證308m蓄水面，堰頂需設閘門，汛期開閘與原溢洪道共同泄洪。溢流壩段壩頂設3跨凈寬4m人行橋，下游設16m寬防沖槽。

方案一及方案二優缺點比較結果見下表1。

表1 方案比較表

綜合上述比較，推薦方案一。

4 技術創新

本工程設計，我們從整體到細部進行了認真的分析研究，設計方案的創新點及采用的新技術、新材料、新工藝應用主要體現在以下幾方面。

4.1 創新性的增設了壩體溢流壩段，解決了防洪標準不足問題

南馬場水庫為漿砌石拱壩，原有溢洪道位于大壩左岸，最大過流能力為8m3/s，防洪標準僅為兩年一遇，遠小于現行規范規定的小（2）型水庫20年一遇洪水設計，100年一遇洪水校核的防洪標準。解決防洪標準不足問題常用的方法有壩體加高、降低溢洪道或拓寬溢洪道三種方法。但南馬廠水庫為拱壩，壩體加高不僅改變了壩體的受力條件，而且結合地形條件，加高后兩壩肩也不能與兩岸巖體有效的結合，致使加高后的拱圈不能向兩岸山體傳力，故該方案不可行。綜合考慮左岸地形和對壩肩穩定的影響，溢洪道也沒有降低或拓寬的條件。故本次設計創新性的考慮在壩頂中部開表孔形成溢流壩段，增大壩體防洪能力。

具體設計為：擋水壩段在樁號0+025.00～0+ 059.00間開表孔設溢流堰形成溢流壩段，溢流壩為開敞式，不設閘門，堰頂高程為正常蓄水位308.0m，設3孔單孔凈寬10m，與原溢洪道共同泄洪。新設溢流壩段的堰面曲線采用WE S，采用挑流消能。

4.2 壩體上游面設混凝土防滲面板，對壩基進行帷幕灌漿，形成上游完整防滲體系

大壩自1979年建成蓄水運行后，壩體一直存在滲水現象，采用壩體帷幕灌漿效果并不理想。此次設計采用放空水庫，上游面重新澆筑鋼筋混凝土防滲面板，為防止新設防滲面板產生貫穿裂縫，除設伸縮縫外，防滲面板厚度較厚，采用1.0m，并在面板混凝土中摻入適量膨脹劑，以防止混凝土開裂，提高其防滲能力。此外，對特殊漏水點，利用附近錨筋孔進行水泥砂漿灌注，形成防滲雙重保護。

上游壩基處同時設壩基帷幕灌漿平臺，在灌漿平臺上對壩基進行帷幕灌漿，壩體防滲面板與壩基帷幕灌漿平臺間設止水帶，使壩體上游面形成一個完整防滲體系。

4.3 設計理念創新，人水和諧

病險水庫除險加固的傳統設計思路，一般是針對在水庫安全鑒定結論中提出存在的問題，采取有針對性的工程措施，解決病險可能對安全帶來的危害。南馬場水庫除險加固設計轉變觀念，創新除險加固的新思路，設計方案充分考慮了與周圍環境的協調。

（1）壩體下游面外貼混凝土，混凝土內設置排水管，即防止小頻率洪水對下游面的沖刷，也保證了大壩整體美觀。壩體上下游面均外貼混凝土，原破舊的壩體裹于其中，舊壩重獲新生。

（2）為新開表孔而設大壩交通橋，結合壩頂翻修，采用類似拱橋設計方案，外表美觀，為整個大壩加固設計起到畫龍點睛的作用。

（3）壩體除險加固同時，壩體周邊進行了綠化生態景觀設計，打造山、水、綠、人共融的和諧景觀。

通過以上措施，使舊險壩面貌煥然一新，既保持了水庫的原有規模，消除了隱患，確保了水庫的安全，又最大限度地滿足區域發展要求，使水庫不僅發揮了防洪、供水、灌溉的作用，而且已經成為服務于當地休閑、旅游、戶外運動等服務型產業的景觀核心，經濟與社會效益顯著。

5 結論

本次除險加固，通過增設表孔溢洪道，增大了水庫泄流量，提高了水庫的防洪標準，滿足了現行

圖3 效果圖（1）

圖4 效果圖（2）

規范規定的防洪標準100年一遇的要求；壩上游面澆筑鋼筋混凝土防滲面板，有效地防止了壩體滲漏；對壩基帷幕灌漿，阻斷了壩基滲流；同時對原溢洪道底板修復及庫區清淤等附屬工程進行完善。目前修復后的水庫運行良好，水庫加固后運行照片見圖3，圖4。

［1］北京市水利規劃設計研究院.石景山區南馬場水庫除險工程實施方案設計報告〔R〕.北京市水利規劃設計研究院.2010.

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10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.09.037

郭慧黎（1981年—），女，工程師。