柏杖子水庫除險加固工程設(shè)計方案分析

王炳棋

（遼寧省白石水庫管理局 遼寧 朝陽 122000）

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國各種類型水庫總數(shù)之和超過8萬座，而且大部分修建于上世紀(jì)六七十年代，由于當(dāng)時設(shè)計和材料等水平有限，目前很多水庫已經(jīng)達不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。所以我國針對水庫的除險加固工程量浩大，范圍幾乎遍布全國各地，因此對相關(guān)的研究工作也很有必要。

1 工程概況

柏杖子水庫位于遼寧省凌源市境內(nèi)，處于柏杖子河的中游位置，流域面積50km2，水庫控制面積25.0km2，該水庫是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖的綜合性水利工程。柏杖子水庫始建于1971年，至今已有45年歷史，期間沒有進行過任何維修及加固工作。目前，柏杖子水庫存在的主要問題有防洪標(biāo)準(zhǔn)低、滲透問題較為嚴(yán)重、抗震標(biāo)準(zhǔn)低及大壩整體穩(wěn)定性較差。針對這些問題，相關(guān)部門組織有關(guān)專家對水庫進行了實地調(diào)查，設(shè)計了相應(yīng)的加固方案措施。

2 除險加固工程設(shè)計方案分析

柏杖子水庫除險加固工程的主要組成部分包括大壩、護坡和溢洪道的加固設(shè)計。

2.1 壩體加固設(shè)計方案分析

1.高程計算

柏杖子水庫大壩主體為粘土心墻壩，壩體的外殼為填筑碎石，長度約為68m。在土堤上建有高度為0.8m的防浪墻，其基本示意圖如下圖1所示。

壩體高程是檢驗是否滿足使用要求的最基本參數(shù)，其驗算過程如下所示。

式中：Y——壩體總高程，m；

R——波浪最大爬高，m；

e——最大風(fēng)壅水面高度，m；

A——安全加高，m。正常運用情況取值0.5m；非常運用情況取值0.3m。

式中：K——綜合摩阻系數(shù)；

W——多年平均最大風(fēng)速，m/s；

D——風(fēng)區(qū)長度，m；

Hm——水域平均水深，m；

β——計算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角，取值0°。

經(jīng)過實地調(diào)查和測量，得出柏杖子水庫大壩各個參數(shù)的取值如下表1所示。

根據(jù)計算，得出柏杖子水庫大壩在非常運用的時候要求的壩高最大，可達到380.36m而目前壩體的實際高程為382.2m，防浪墻高程383.0m，超出需要高程值為2.64m，完全滿足安全系數(shù)要求。所以在設(shè)計加固方案時維持了壩體的現(xiàn)狀高程[1]，但需要在此基礎(chǔ)上進行必要的加固處理。

2.加固設(shè)計

圖1 柏杖子水庫大壩主體示意圖

表1 計算最大風(fēng)壅水面高度參數(shù)取值表

圖2 混合堤結(jié)構(gòu)示意圖

表2 大壩防滲方案對比

為提高柏杖子水庫大壩的抗洪能力，在壩體關(guān)鍵位置，設(shè)計采用混合堤的形式作為加固措施，混合堤是目前較為流行的一種堤型，其本質(zhì)是在土堤接觸流水的一側(cè)設(shè)置一道混凝土墻（其結(jié)構(gòu)見下圖2），這種堤型可有效減少占地面積和需要的土料。

采用混合堤加固后的壩體段高程與之前的壩體保持一致，防浪墻深度設(shè)計為土堤上表面以下20m～25m位置，整體形狀呈梯形。施工方式為開挖后搭建模具，采用整體澆灌混凝土形式。待混凝土固結(jié)后進行回填土夯實處理。

3.防滲設(shè)計

根據(jù)實地調(diào)查，柏杖子水庫大壩存在滲透現(xiàn)象，需要進行防滲處理。初步設(shè)計方案有以下兩種。

方案一：混凝土防滲墻+帷幕灌漿。首先使用挖槽機械在壩基中進行挖槽作業(yè)，開槽寬度為40cm～50cm，深度控制在15m左右。之后在槽中進行打鉆，鉆孔直徑和槽寬相同，鉆孔深度（以槽底為基準(zhǔn)）為10m，然后進行灌漿作業(yè)（成型圖見圖3）。

圖3 防滲墻成型圖

方案二：壩體灌漿。對壩基進行帷幕灌漿處理，為避免出現(xiàn)漿幕斷續(xù)現(xiàn)象，采用填充式灌漿方式，即：布置雙排鉆孔，排距為1.0m，孔距設(shè)計為2.0m，孔深35.0m。之后對鉆孔進行加壓注漿，壓力值可由實地試驗得出[2]。

以上兩種方案的對比情況如下表2所示。

經(jīng)過比較，可發(fā)現(xiàn)雖然方案一的混凝土防滲墻的效果較好，但在施工和經(jīng)濟性方面不如方案二，所以最終采用壩體灌漿這種方法來應(yīng)對滲透問題。

2.2 護坡加固設(shè)計

柏杖子水庫的護坡在363.5m、372.8m、374.2m高程處分別有一個寬戧臺，寬戧臺寬度為2m，坡比依次為1∶2.5、1∶3.0、1∶3.0。經(jīng)過多年使用，護坡表面出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，所以對護坡表面進行加固處理，初步設(shè)計兩種加固方案。

方案一：干砌石護坡。這種護坡的突出優(yōu)點為可以就地取材，加工和運輸費用大大降低，但施工不方便，且整體性不太好，美觀度不高。

方案二：混凝土預(yù)制塊護坡。這種護坡施工方便，施工速度快，工程質(zhì)量容易保證，按照“品”字形鋪設(shè)可使穩(wěn)定性得到保證。

經(jīng)過研究，為了使經(jīng)濟性和實用性都達到最大化，本項目決定在柏杖子水庫水流較急的上游段采用混凝土預(yù)制塊護坡形式，水流較緩的下游段采用干砌石護坡形式[3]。

其中設(shè)計采用混凝土預(yù)制塊厚度為0.15m，形狀為正方形，邊長0.5m；下游干砌石護坡厚度0.3m，所需石料就地取材。在鋪好混凝土預(yù)制塊和砌石后，要對塊體接縫進行必要的灌漿處理，漿液為水泥砂漿，水灰比以1∶3為宜。

2.3 消力池改造設(shè)計方案

本項目溢洪道為開敞形式，主要存在的問題有溢流堰和底板破壞較為嚴(yán)重，部分墻體已腐蝕，對泄洪很不利。經(jīng)過對溢洪道高程進行計算，原高程滿足要求，但由于溢洪道為無閘控制，所以消力池運行壓力較大，在此對其進行必要的改造，主要措施為加深加長處理[4]。

在本項目中，消力池所處地形坡度較大，為了節(jié)省投資成本，設(shè)計采用等寬矩形消力池形式。消力池需要的深度和長度分別按照公式（3-3）（3-4）計算。

式中：ht——出口下游水深；

h——躍后水深；

ΔZ——消力池尾部出水面跌落。

式中：K——經(jīng)驗參數(shù)；

q——消力池出口處單寬流量；

ΔH——上下游水位差。

經(jīng)計算得出消力池的深度為d=1.3m，L=13m，消力池邊墻高度按照經(jīng)驗值設(shè)計為3.5m。經(jīng)過投入使用后，消力池能使上流水躍在池內(nèi)形成穩(wěn)定水躍，效果較為理想。

3 結(jié)語

本文對柏杖子水庫的壩體、護坡以及消力池的加固設(shè)計方案進行了說明分析，可以看出設(shè)計工作需要緊緊依附于工程的實際情況，很多參數(shù)需要現(xiàn)場測得和查閱資料。壩體、護坡和消力池隨著使用年限的增長是最容易出問題的位置，在對其進行加固設(shè)計時應(yīng)充分考慮實用和經(jīng)濟因素，力求充分利用原有水庫基礎(chǔ)，保證改造工程的質(zhì)量達到新建工程的水平[5]。陜西水利

[1]程圣國，鄭瑛，蔡啟龍.小型土石壩病險水庫除險加固技術(shù)研究[J].小水電2005（06）:16-18.

[2]嚴(yán)祖文，魏迎奇，張國棟.病險水庫除險加固現(xiàn)狀分析及對策[J].水利水術(shù),2010（10）:76-79.

[3]劉艷芳，徐冬梅，劉玉新.小型水庫除險加固問題探討 [J]水利科技與經(jīng)濟，2008（04）:83-84.

[4]趙家成，王從鋒，姜利漢.中、小型病險水庫除險加固的研究[J].三峽大學(xué)報,2005（04）:34-35.

[5]楊啟貴，高大水.我國病險水庫加固技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].人民長江,2011（12）:6-11.