嫩北農場奮斗水庫土石壩除險加固設計綜述

李學宏

(富錦市水務局，黑龍江 富錦 156100)

?

嫩北農場奮斗水庫土石壩除險加固設計綜述

李學宏

(富錦市水務局，黑龍江 富錦 156100)

隨著水利工程的不斷發展，病險水庫也越來越多。病險水庫的除險加固是水利工程建設的一個重點，要根據實際情況，合理利用水庫的地形、地質條件，有效控制工程量，節約投資和能源，保護環境。文章以嫩北農場奮斗水庫為例闡述病險水庫的除險加固設計工作的重點是查清存在的問題，并針對問題制定解決方案，指明設計過程中應注意的事項。

病險水庫；存在問題；除險加固；土石壩

1 工程概況

嫩北農場奮斗水庫位于嫩江縣城北偏東40km，嫩漠公路53km處，壩址位于該場科研站以西。奮斗水庫始建于1968年，1974年大壩合攏。該庫屬于嫩江左岸一級支流科洛河右岸支流西溝子左支上的年調節小(I)型水庫，匯流面積94.5km2。該水庫設計標準為10a一遇洪水，50a一遇校核洪水。依2003年10月提出的《黑龍江省嫩北農場奮斗水庫安全評價報告》按原標準復核得出的原水庫工程設計規模為：校核洪水位為277.58m,校核總庫容為937.74 萬 m3.水庫正常(興利)水位276.20m,興利庫容為607.1 萬 m3；死水位為273.00m,死庫容為131.9 萬 m3。

奮斗水庫土壩為均質壩，現狀壩頂寬度為8.0m, 壩長為650m壩頂最低高程為277.93m,最大壩高為8.5m，平均壩高為5.68m.土壩上游坡為干砌塊石護坡，設計坡比為1∶3.0；下游壩無護坡，設計坡比為1∶2.5.按原設計安排，該水庫保護耕地400hm2(旱田)，村屯3個，人口0.4萬人，嫩-黑地方鐵路3km；灌溉旱田827hm2；養魚水面80hm2，苗圃100hm2。

2 現狀奮斗水庫存在的問題

根據2003年10月提出的嫩北農場奮斗水庫《大壩安全鑒定報告書》的安全鑒定意見，本工程存在的主要問題是：①大壩現狀防御洪水標準為20年一遇，洪水標準低。②土壩、輸入洞及溢洪道工程地質條件較差。③壩體施工質量差，壩體土料含水量較高，填筑指標低、壓縮系數大，不均勻沉降明顯，壩坡面不平整；上游護坡塊石粒徑小、護砌質量差、墊層和反濾施工質量差；冰凍破壞較重；下游壩腳無排水體。下游壩坡欠填較多；下游壩坡遭人、畜蹬踏破壞較大。該壩已經經歷三次垮壩，一次大面積滑坡和一次嚴重管涌。④壩基漏水，壩基滲流出溢坡降大于規范允許值，滲流形態不安全。⑤輸水洞洞身及出口消力池擋土墻等主要結構均有局部混凝土剝離、破壞、漏筋問題，嚴重危及正常使用。⑥溢洪道已經經歷三次大的水毀，最近的一次破壞發生在1991年，至今已有13年時間而未得修復。溢洪道陡坡段、消力池段岸墻及底板均已大部分嚴重破壞，完全喪失了正常運用功能。⑦輸水洞鋼閘門變形、銹蝕、止水失效，閘門關閉不嚴、長漏水；啟閉機螺桿嚴重變形，不能正常使用。⑧無專門管理機構、人員、站舍、水文測報、檢測安全設備及交通工具與通訊設施。

3 開展除險加固工程設計的必要性

由于水庫修建時缺少基礎資料、資金不足等原因[1]，水庫主體工程土壩、溢洪道、輸水洞仍存在較嚴重的質量問題，影響工程安全，工程不能正常運行。主要存在防洪標準低、滲漏、穩定性差等問題，只能低水位運行，不能正常運行，達不到調蓄水資源的目的，嚴重影響水庫功能的發揮，也給水庫下游城鄉人民群眾生命財產安全構成威脅[2]。如果水庫險情得不到及時處理，后果將十分嚴重。

4 土石壩除險加固設計

4.1 土石壩地質工程特征

左壩肩樁號0+000-0+185壩段主要地層巖性為：壩基表層主要以黃褐色和灰黑色低液限粉土為主，下覆弱風化和微風化閃長玢巖。土質較均勻，局部含粒徑10cm左右的塊石，稍有光澤，韌性中等，干強度較低。低液限粉土頂板最小埋深0.15m,底板最大埋深5.96m.全風化閃長玢巖：灰褐色，局部為棕黃色，結構完全破壞成已崩解或分解成土狀或砂狀，其礦物已可用手捏碎。強風化閃長玢巖：灰黃色，具有分化裂隙部分巖石分解或崩解成土狀、砂狀。錘擊聲啞，易碎。鎬可挖動。頂板最小埋深3.35m,底板未揭穿。

右壩肩樁號0+485-0+585壩段表層、下覆層均系物理性狀、力學指標與左壩低液限粉土相近而略有差異的低液限粉土。壩中部樁號0+185-0+485壩段淺表層次為與左壩相同或相近的低液限粉土，下覆均系強風化閃長玢巖，壩中段的特殊地層巖性是在樁號0+180-0+240和0+330-0+390壩段內，在266-270m高程內均夾有一層強透水的砂礫層透鏡體。據分析，這是奮斗水庫大壩壩基滲漏的主要地質因素。壩基土料主要物理性質指標：濕重度18.05kN/m3,飽和重度19.26kN/m3,土料內摩擦角φ=35°，壩基土主要為砂性土，土料凝聚力C=0，黏土滲透系數k=2.5×10-7cm/s,費黏性土滲透系數k=2.7×10-7cm/s。

4.2 土石壩設計情況分析：

由于該工程是除險加固工程，土石壩設計任務為對壩體進行加高培厚和按設計斷面的整形處理，新建壩體排水，改建護坡和壩頂路面[3]。因此，土石壩設計應該是在原壩體的基礎上進行的，其壩址不變，壩型不變，只是在原壩體的基礎上進行輪廓尺寸的重新設計。土石壩新斷面應盡量采用與原壩體性質相近的土料，以確保新老結合面的穩固與防滲。

4.2.1 剖面尺寸擬定

該壩采用碾壓式均質壩，根據壩型、壩高、壩的級別、壩體及壩基材料的性質荷載、施工和運用條件等因素，初步擬定該壩上游坡坡度為1:3,下游坡坡度為1:3.壩頂寬度根據構造施工運行交通和地震等方面的綜合研究確定，該壩為低壩，故可擬定壩頂寬度為6m.

壩頂高程是根據正常運用非常運用的靜水位加相應的超高Y予以確定：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y為壩頂超高；R為最大風浪在壩坡上的爬高，m；A為安全加高，m，根據壩的級別確定。該壩為4級建筑物，設計情況取A=0.5，校核情況取A=0.3m；E為最大風雍水面高；K為綜合摩阻系數，取k=3.6×10-6；D為風區長度，m；Hm為壩前風區水域平均水深。

根據計算成果，取壩頂高程為279.0m，壩頂設置1.2m高的防浪墻，壩頂高程為277.8m。

4.2.2 細部構造設計

因為原壩體施工質量較差，壩體土料含水量較高，填筑指標低，壓縮系數大等原因，壩身臨水側設置防滲心墻，防滲心墻采用黏土填筑，坡度與壩坡相同，墻頂厚度為1.5m，頂部高出設計水位0.5m。因為壩基地質條件差局部存在滲漏問題，采用垂直防滲的方法進行處理。垂直防滲采用截滲墻的形式，截滲墻布設在臨水側堤腳處與壩身防滲斜墻連成一體，以增加防滲效果。壩體下游壩腳處設置棱體排水，棱體排水能有效降低浸潤線高度，排水效果好[4]。

4.2.3 抗滑穩定分析

土石壩穩定分析是確定壩的剖面和安全評價的主要依據。對均質壩和厚心墻壩來說，滑動面往往接近于圓弧[5]。該土石壩為均質土壩，采用圓弧滑動法進行壩坡穩定分析。采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧法進行計算。計算公式如下：

施工期：

(1)

水位降落期：

(2)穩定滲流期：

(3)

式中：k為抗滑穩定安全系數；b為條塊寬度，m，W為條塊重力，kN；W1為堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2為堤坡外水位以下的條塊重力，kN；z為堤坡外水位高出條塊底面中點的距離，m；u為穩定滲流期堤身或堤基中空隙壓力，kPa；ui為水位降落前堤身的空隙壓力，kPa；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°；γw為水的重度，kN/m3；Cu，φu，C’，φ’為土的抗剪強度指標，kN/m3，°

根據計算，施工期最小安全系數為1.82，水位降落期為1.78，穩定滲流期為1.36。該壩為IV級建筑物，其容許最小抗滑穩定安全系數為：正常運用，1.15,；非常運用，1.05(《水工設計手冊》(土石壩))。根據計算成果可知各種工況下壩坡均滿足抗滑穩定安全要求。

5 結 論

該設計是嫩北奮斗水庫樞紐除險加固的一項工程。根據設計基本資料可知，奮斗水庫水利樞紐的土石壩、溢洪道和輸水洞等建筑物損毀嚴重，該樞紐工程師一座病險庫，需要進行除險加固處理。基于此，文章針對該樞紐的土石壩進行了除險加固設計。

土石壩設計是對原壩體進行加高增厚，按設計斷面進行整形處理，新建排水設施，改擴建壩體護坡。其設計內容主要包括剖面尺寸確定，細部構造設計，防滲及抗滑穩定分析等。

由于土石壩的材料為土質材料，泄洪閘為鋼筋混凝土材料，兩種材料差別較大，其間的銜接比較困難，工程上應盡量避免在土石壩上興建泄水建筑物。但在土石壩上興建泄洪閘，可使建筑物布置緊湊，運用方便，降低工程造價，而且該水庫為小型工程，經過認真研究論證認為該工程可行。

該工程建成后，將提高其防洪標準到20a一遇，除了提高防洪效益外，該工程還將大大提高其灌溉、城市及工業供水、養殖等功能，造福周邊百姓。

[1]吳海濤.淺談小型水庫土石坎的除險加固[J].經濟技術協作信息,2011(30):127.

[2]陳勇.里禾水庫大壩除險加固設計[J].貴州水力發電,2011,25(04):22-25.

[3]郭曉軒,時長波,劉春鋒,等.岳城水庫除險加固工程總體設計[J].海河水利,2011(05):8-11.

[4]張曉,時鐵城,阮建飛.嶗山水庫除險加固工程設計[J].中國水利,2011(20):43-45.

[5]郭峰,何文華.水利工程建設監理工作存在的問題及原因分析[J].中國西部科技,2010(01):72-73.

1007-7596(2017)01-0069-02

2016-12-30

李學宏(1974-)，男，黑龍江富錦人，高級工程師。

TV698.23

B