蔡家坡水庫除險加固方案探析

薛景濤

（戶縣水務局 陜西 戶縣 710300）

1 工程概況

蔡家坡水庫位于戶縣石井鎮(zhèn)蔡家坡村南的曲峪河口，曲峪河發(fā)源于秦嶺北麓，屬渭河三級支流，石井鎮(zhèn)蔡家坡村組織會戰(zhàn)于1972年建成蓄水運行，原總庫容14萬m3，大壩以上控制流域面積11.1km2，山內(nèi)段河道長度8.9km，是一座以防洪為主，兼有灌溉、旅游等綜合效益的Ⅴ等小(二)型水庫。

蔡家坡水庫樞紐工程由大壩、溢洪道及放水設施等組成。

大壩為土壩，壩高22.9m，壩頂寬3.9m，壩頂長60.8m，迎水坡坡比1∶1，背水坡上半段坡比1∶1，下半段坡比1∶1.3。壩底長20.6m，壩基寬41m。壩頂迎水面漿砌石防浪墻寬1m，高1.1m，壩頂高程551.90m，防浪墻頂高程553.00m，下游壩底高程529.00m，正常蓄水位551.38m。

溢洪道為開敞式溢洪道,位于大壩左岸，無坎寬頂堰泄流形式，進口高程549.75m，進口寬 8.9m，深 2m，長 40.2m，比降為0.5%。平直段末端由河谷左岸右拐約90°下泄至溢洪道泄槽中，泄槽下接壩后河道。溢洪道進口堰頂高程549.75m，平直段末端布設一座長6m、高1.8m充水橡膠壩，壩頂高程551.38m。橡膠壩平時立壩蓄水，以抬高正常蓄水位，增加水庫蓄水量，擴大水庫效益，壩前水位與庫水位齊平，少量水經(jīng)橡膠壩下溢，進入泄洪槽右側(cè)的東干渠引水渠；洪水來時，根據(jù)預報放空橡膠壩泄洪，洪水少量進入東干渠，大部分泄往下游河道。溢洪道左岸為山體基巖，右岸為漿砌石矩形擋墻，擋墻頂寬2m，高1.7m～2.5m。

放水設施由臺階式臥管及放水涵洞組成。臥管布置在壩上游坡右岸，分四級布設孔徑0.15m的放水孔，用編織袋或石板封閉，臥管形狀尺寸不盡規(guī)則，上三級尺寸約為 1m×0.5m，最下一級長 2m，寬 1m，采用漿砌石砌筑，水泥砂漿勾縫、抹面。放水涵洞進口為矩形洞口，出口斷面為城門洞型，兩側(cè)墻及頂板為漿砌石砌筑，底板為現(xiàn)澆砼。涵洞長39m，凈寬 0.8m，高 1.55m～1.9m，為無壓明流，洞身比降10%，最大流量2.8m3/s，洞內(nèi)棄留一條DN400鋼筋砼管，為施工時用以放空庫水。

蔡家坡水庫建成運行至今已愈40余年，發(fā)揮了較好的社會效益和經(jīng)濟效益：保護下游石井、余下兩鎮(zhèn)1萬多人、1.5萬余畝耕地及西安市黑河引水渠線和107省道等安全，保證4個自然村3000畝耕地的灌溉，并帶動著當?shù)氐霓r(nóng)家樂和旅游開發(fā)，為縣域經(jīng)濟的發(fā)展穩(wěn)定奠定堅實基礎。但由于水庫帶病運行，水庫本身和下游村莊安全己受到嚴重威脅。

2 蔡家坡水庫存在的主要問題

蔡家坡水庫無設計、無施工等資料，屬典型的“三邊”工程，施工質(zhì)量具有“先天不足”，多年來一直處于帶病運行，沒有最大程度的發(fā)揮應有的效益。水庫工程存在的主要問題有：水庫淤積嚴重，興利、調(diào)節(jié)庫容銳減，嚴重影響水庫防洪、灌溉以及旅游觀光功能的發(fā)揮；水庫大壩填筑質(zhì)量不滿足要求，已出現(xiàn)沉陷裂縫；防洪標準低，溢洪道泄洪能力小，壩頂高程不夠；水庫滲漏嚴重，滲流不穩(wěn)定，下游壩坡抗滑穩(wěn)定性不滿足要求；放水臥管年久失修，高程不夠，放水困難，滲漏嚴重，嚴重威脅到大壩的安全運行；水庫管理、防汛、監(jiān)測等設施不夠健全。

2013年8 月，西安市水務局組織有關專家對蔡家坡水庫大壩進行了安全鑒定工作，將蔡家坡水庫定為三類壩，鑒定結(jié)論為：大壩填筑質(zhì)量差，壩背坡不穩(wěn)定；壩頂高程不夠；迎水坡護坡老化嚴重，裂縫多；庫區(qū)襯砌裂縫多，庫底及壩體滲漏嚴重；放水臥管老化，放水洞內(nèi)有3處裂縫，滲漏嚴重；溢洪道過流能力不夠；水庫管理、防汛、監(jiān)測設施不健全。

3 除險加固方案

3.1 工程任務

蔡家坡水庫為已成工程，其主要建筑物已形成固定模式和格局，且多年以來，水庫的運行對當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境改善及群眾生活提高起著較大的促進作用。故本次除險加固工程的實施應充分考慮該工程的歷史和現(xiàn)狀，盡可能利用現(xiàn)狀工程，投資小并且充分恢復其基本功能的原則。按大壩安全鑒定報告書并結(jié)合本階段水文等有關成果，此次除險加固工程的具體任務為：壩背水坡加寬培厚，使其坡度變緩；壩頂加高；擴大溢洪道泄洪能力，溢洪道內(nèi)側(cè)襯砌、右側(cè)擋墻加高；庫區(qū)、庫岸及迎水坡防滲處理；臥管加固改造，放水洞裂縫處理；增加安全監(jiān)測及管理設施。

3.2 正常蓄水位確定和調(diào)洪計算

本次除險加固維持原正常蓄水位為551.38m不變。蔡家坡流域無實測徑流資料，根據(jù)曲峪河流域徑流特點及現(xiàn)有的水文資料情況，本次采用地區(qū)經(jīng)驗公式法、徑流形成法和暴雨資料推求設計洪水。采用由暴雨資料推求的設計洪水，即蔡家坡水庫10年一遇設計洪水流量Q10%=33m3/s；20年一遇設計洪水流量 Q5%=50m3/s；30年一遇設計洪水流量Q3.3%=59m3/s。設計洪水位和校核洪水位通過調(diào)洪計算確定，起調(diào)水位為549.75m，溢洪道寬度8.5m。調(diào)洪演算成果為：10年一遇設計洪水位551.82m，庫容1.29萬 m3，溢洪道泄量32m3/s；30年一遇校核洪水位552.64m，庫容1.86萬m3，溢洪道泄量57萬m3/s。

3.3 大壩加固設計

3.3.1 上游護坡設計

對大壩上游坡處理：上游坡高差不足4m，為不改變溢洪道進口及臥管布置且考慮壩坡防滲、穩(wěn)定，本次設計采用C20砼護坡。在原斜墻上貼坡做坡比為1∶1的砼護坡，最薄處15cm厚，向下延伸至庫底砼襯砌(549.62m)高程，上接鋼筋砼防浪墻。

3.3.2 下游坡加寬培厚設計

根據(jù)規(guī)范要求及壩體穩(wěn)定計算，將下游坡在原壩坡上干砌塊石加寬培厚至1∶1.3坡，向下游延伸至河床基巖。

壩背坡培厚后，壩坡與右岸山體交坡處設0.4m×0.4m排水溝，用以收集山坡雨水，以防沖刷壩坡。左岸山坡集水面積小，無須設排水溝。壩坡戧臺處，修0.6m×0.6m引水渠與原引水渠順接。引水渠為0.2m厚砼襯砌，下墊0.2m砂礫石料。原放水洞沿右岸山體基巖向外延伸至新砌壩坡外，出洞水流進入東干渠，亦可進入下游排水溝，避免沖刷壩坡。

3.3.3 壩頂設計

經(jīng)復核壩頂高程，水庫在各種設計水位條件下要求最高壩頂高程為554.18m，而現(xiàn)狀壩頂防浪墻頂高程為553.00m，故壩頂高程不滿足要求，須加高壩頂。

本次除險加固設計，將壩頂防浪墻加高1.2m，至554.20m高程。壩頂寬度維持3.9m不變，橫向2%坡度，壩頂路高程553.02m～553.09m。上游側(cè)設C20鋼筋砼防浪墻，高2.2m，厚0.2m，基礎寬 1m，厚0.2m，座于砼護坡之上。

壩頂下游側(cè)設置1m高護欄，基礎為1m×0.6m×0.3m C20砼墩，0.2m砂礫石墊層，以下為干砌石。壩頂中間部位，從上往下依次是：M7.5水泥砂漿砌5cm厚水泥花磚、15cm厚C20砼墊層、20cm厚砂礫石層、干砌石層（原漿砌石防浪墻位置，水泥花磚下澆筑一層C20砼）。

3.3.4 壩背坡蓄水池設計

據(jù)水庫管理人員反映，大壩背水坡與左岸山體交匯處有一處泉水，自水庫修建以來，一直供給下游部分村民生活用水。

在泉水出口位置，修一漿砌石集水坑，鋼筋砼蓋板。沿左岸基巖山體用15m長DN200塑料管按1%坡度將坑內(nèi)泉水引至下游蓄水池。蓄水池用M7.5漿砌石砌筑，壁厚0.6m，頂部為0.2m厚C20鋼筋砼蓋板。池內(nèi)部凈尺寸為2m×2m×2m，池壁用M20水泥砂漿抹面，池頂設一內(nèi)徑0.3m塑料溢水孔，池底設一內(nèi)徑0.1m塑料排水管。

3.4 溢洪道加固設計

通過水力計算，溢洪道右岸擋墻高度不滿足要求，且原溢洪道未襯砌，渠壁粗糙、斷面不規(guī)則，表層巖石風化嚴重。故本次加固對溢洪道進行修整砌護，加高側(cè)墻高度。

溢洪道平直段襯砌斷面為梯形，底寬6m，襯砌高 1.8m，邊坡 1∶0.4，糙率0.017。邊坡用C20砼襯砌，厚0.2m。在橡膠壩上游3m段，用扭面與原橡膠壩側(cè)墻順接。橡膠壩段，維持原襯砌。橡膠壩下游部分，渠底20cm厚砼襯砌延伸8.5m至溢洪道陡坡泄槽。

3.5 放水洞加固設計

3.5.1 臥管修復

拆除原臥管蓋板，新修6級放水臥管，至552.00m高程。每級臥管高0.5m，長1.2m，寬0.5m。臥管用C20鋼筋砼澆筑，厚15cm。每級蓋板中心設一孔徑lOcm的放水孔。臥管兩側(cè)為漿砌石側(cè)墻，最下一級臥管用漿砌石墩與原臥管相接。

3.5.2 放水涵洞內(nèi)防滲加固設計

由地勘結(jié)果可知，放水涵洞內(nèi)有幾條寬窄不一的裂縫，涵洞滲漏嚴重。根據(jù)涵洞損壞部位及其范圍的大小、深度，因地制宜，進行區(qū)分處理。主要用水泥砂漿及砼修補，可有以下幾種：①對于淺層表面裂縫及缺損，采用水泥砂漿及濃縮砂漿、環(huán)氧砂漿等進行分層涂抹；②對于深層范圍較大的裂縫缺損采用普通砼或環(huán)氧砂漿砼填補；③對于貫通洞壁的裂縫破碎帶，清除縫內(nèi)淤泥及破碎部分，鑿毛、清洗，采用水泥砂漿及濃縮砂漿、環(huán)氧砂漿及砼填補；④對于深度及范圍較大的裂縫及缺損采用C30砼填補。所用水泥標號要高，砂漿及砼強度要高，水灰比要小。

3.5.3 放水洞延伸段設計

壩下游坡加寬培厚時，須將原放水洞沿右岸山體外延8m至壩坡面處。延伸段放水洞為城門洞型，內(nèi)部凈高1.9m（拱高0.5m），寬1m，漿砌石砌筑。延伸段涵洞須放置在右岸山體基巖上。放水洞出口外，用漿砌石引水渠將洞內(nèi)水流引入東干渠或壩坡右側(cè)排水溝。

3.6 庫區(qū)防滲設計

庫底采用復合土工膜防滲。防滲結(jié)構(gòu)層從上至下依次為C20砼保護層（厚15cm）、復合土工膜(200/PE(0.3)/200)，再往下為原庫底砼板。庫底保護層縱橫變形縫間距均為4m，寬2cm，縫內(nèi)填高壓聚氯乙烯泡沫板。土工膜鋪設時須先清淤，后鋪膜。膜與漿砌石岸墻用C20砼錨固墩連接，與庫岸交接處填塞止水帶防滲。庫岸裂隙采用C30噴射砼防滲，噴層厚6cm，防滲高度與庫岸漿砌石墻頂一致。

3.7 大壩安全監(jiān)測設計

依據(jù)規(guī)范要求，并結(jié)合水庫大壩的實際情況，設置變形監(jiān)測（垂直、水平位移）、滲流監(jiān)測、庫水位監(jiān)測等安全檢測項目。

4 結(jié)語

蔡家坡水庫是小（二）型水庫，屬“三邊”工程，經(jīng)過40年運行，已出現(xiàn)的工程病害問題使水庫不具備基本運行條件和能力，無法進行正規(guī)化、規(guī)范化的管理，嚴重威脅下游群眾生命財產(chǎn)安全。通過分析水庫病險問題，分別給予加固和更新建設，可消除水庫的安全隱患，對下游的防洪安全及延長水庫的使用年限具有決定意義。同時工程實施后，還將對區(qū)域內(nèi)水土保持和生態(tài)環(huán)境的改善起到積極作用，并帶動著當?shù)氐霓r(nóng)家樂和旅游開發(fā)，為縣域經(jīng)濟的發(fā)展穩(wěn)定奠定堅實基礎。陜西水利