淺談彰武縣北溝水庫除險加固設計方案

胡 偉

(彰武縣水利事務服務中心，遼寧 彰武 123200)

1 工程概況

北溝水庫位于阜新市彰武縣馮家鎮侯貝營子村境內，地理坐標為E42°35'08"，N122°30'25"，是一座以農業灌溉、防洪為主，兼有水產養殖等綜合利用的小(1)型水庫，水庫所在河流為養息牧河二級支流西地河。

水庫原設計洪水標準為50a一遇，校核洪水標準為500a一遇。該庫在運行過程中經歷四次除險加固：1976年輸水洞改建加固、1985年進行大壩培厚和防浪墻興建、2002年溢洪道改建、2008年增設排水體和防浪墻。2008年除險加固水庫設計洪水標準為10a一遇，校核洪水標準為50a一遇。2019年北溝水庫大壩安全鑒定設計洪水標準為10a一遇，校核標準為50a一遇。根據2017年本溪市水利電力勘察設計有限責任公司出具的彰武縣北溝水庫安全分析綜合評價報告，鑒定北溝水庫大壩為3類病險壩，急需除險加固措施。

2 水庫除險加固的必要性

北溝水庫建庫50多年來，水庫為國民經濟的發展做出了巨大貢獻，發揮了良好的經濟效益、社會效益和生態效益。北溝水庫雖經過幾次加固處理，特別是2008年除險加固后，基本險情已得到處理，但由于資金問題未能徹底除險。隨著工程使用年限的增加和遭遇高水位運行工況，加固設施和未加固設施逐步暴露出部分問題，受人力、資金限制，監測設施不完善難以通過維修養護有效處理，工程仍存在的諸多安全隱患。

2.1 大壩

上游壩坡局部干砌塊石松動、變形、不規整、嚴重風化；下游壩面局部凹凸不平。干砌石排水棱體頂部砂漿罩面多處破碎、開裂，局部因不均勻沉降而向下游側傾斜，排水棱體塊石排列不齊。壩頂為砂石路面，凹凸不平；迎水側壩頂防浪墻為漿砌石砌筑，砂漿罩面多處開裂；下游側路緣石部分向下游側傾斜，多處缺失、分離；路面無防護措施，對大壩防汛、交通不利。壩基滲漏，壩下形成沼澤。

2.2 溢洪道

進口段底板未襯砌，左、右兩側邊墻為漿砌石結構，局部勾縫砂漿開裂、脫落，部分砌石剝落、缺失。控制段攔污柵墩砂漿罩面普遍開裂脫落；閘墩混凝土普遍存在碳化，水位變化區凍融剝蝕，老閘混凝土與新混凝土之間施工冷縫明顯，老閘混凝土已老化嚴重；存在繞壩滲流；閘墩頂部鋼筋混凝土排架柱及啟閉機工作臺混凝土存在裂縫。攔污柵無起吊設備，金屬構件全部銹蝕，局部攔污柵頂梁和邊梁開焊，變形嚴重；閘門面板及梁系構件普遍存在銹蝕，手動螺桿式啟閉機無銘牌，機體防腐涂層全部脫落、銹蝕，螺桿與閘門吊耳的連接栓均已嚴重變形。閘墩頂部鋼筋混凝土排架柱混凝土存在局部破碎，粗骨料外露，閘室段上部為交通橋，橋面兩側無護欄等防護裝置。泄槽漸變段混凝土底板沖刷剝蝕嚴重，骨料外露；漿砌石左邊墻底部存在明顯淘刷，嵌縫砂漿脫落，最大淘刷深度達24cm。底板存在通長縱向裂縫，長度為2m。混凝土陡槽段內側底板混凝土沖刷剝蝕嚴重，粗骨料外露。左邊墻內側底角處局部露筋，兩側邊墻與底板連接處淘刷明顯，左、右兩側邊墻存在施工縫開裂，鋼筋保護層過薄，銹蝕鼓脹，混凝土開裂，混凝土段與漿砌石段連接處，砂漿抹面開裂。消能防沖設施石籠防沖防護破碎[1]。

2.3 輸水洞

輸水洞豎井閘內兩扇鋼閘門，閘門漏水，手動螺桿啟閉困難，銘牌缺失。

2.4 除險后社會效益

水庫除險后，削減了西地河洪峰，提高了抗洪能力，保護水庫下游馮家鎮1.5萬人口和1333hm2耕地，大鄭線鐵路、G304(丹霍線)、新魯高速(G2511)、X917(大韓線)、馮蘭線及通信光纜等重要基礎設施的安全，水庫作用極為重要。

2.5 除險后經濟效益

可灌溉面積為267hm2，養殖水面30hm2，工程投入運行后，為保護人民生命財產安全和農業發展建設發揮了極其重要的作用，能取得明顯的社會效益和經濟效益。

3 工程設計方案

3.1 大壩加固設計

3.1.1 壩頂設計

由于大壩上游坡面施工破壞壩頂，且現有壩頂路凹凸不平，本次改造按照原路面規模恢復，新建路面寬4.0m，采用0.2m厚的混凝土路面，下設0.15m水泥穩定層。

對壩頂上游防浪墻重新進行混凝土罩面；恢復下游壩肩花崗巖路緣石。

根據管理需求增設壩頂照明設施，采用太陽能路燈，共10盞。

3.1.2 上游護坡設計

拆除大壩上游局部干砌石護坡，并按原規模恢復。

恢復干砌石厚0.3m，維持護坡下鋪設200mm厚碎石墊層和150mm砂墊層不變。

3.1.3 下游壩腳排水棱體設計

拆除大壩下游壩腳沉降傾斜排水棱體，并按原規模恢復。

拆除重建壞損的排水棱體長50.0m，排水棱體維持原尺寸，頂寬1.0m，高2.3m，上游坡比1∶1，下游坡比1∶1.5，棱體底部和上游均設置反濾層，頂部采用0.2m厚C30F300混凝土壓頂。

3.1.4 壩腳蓋重設計

北溝水庫庫區地處科爾沁沙地前沿，建于河流沖積層上，壩基為多層透水地基，表層為弱透水層，下臥強透水砂層，形成雙層地基或弱、強透水層交替構成多層地基[2]。

根據5.5.1.8節滲透穩定計算，表層土缺失時壩基滲透比降為0.35-0.40。參照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》(SL189-2013)：

滿足Ja-x>(Gs-1)(1-n1)/K=(2.65-1)(1-0.56)/2=0.36時，應設置排水蓋重層或排水減壓井。

由于壩基覆蓋層較為深厚，底部相對不透水層較深，通過截滲(懸掛)效果差且投資大，結合《遼寧省小(1)型病險水庫除險加固工程初步設計指導意見》“允許滲漏但不允許滲透破壞”原則，采用在壩腳加蓋重是壩基覆蓋層抗滲穩定最常用也是非常有效的除險措施。

根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》(SL189-2013)，排水蓋重層厚度計算公式如下：

(1)

式中：Ja-x為表層土在壩下游坡腳點a至a以下范圍x點的滲透比降；Gs為表層土的土粒比重；n1為表層土的孔隙率；t1為表層土的厚度，m；γ為排水蓋重層的容重，水上用濕容重，水下用浮容重，kN/m3；γw為水的容重，kN/m3；K為安全系數，取1.5-2.0(本次取2.0)。

修建蓋重后將會引起壩體內承壓水頭的升高，采用弱透水蓋重會顯著增加蓋重的寬度，因此，修筑蓋重選用透水材料，本次設計采用砂石結構。

經計算，排水蓋重厚度1.08m，本次設計排水蓋重厚度取1.1m，由下至上依次鋪設一層反濾土工布、0.3m厚粗砂、0.3m厚碎石和0.5m厚干砌石。

根據壩腳滲出出逸點位置，在壩腳左側150.0m(樁號0+124.5-0+274.5)范圍布設排水蓋重。滲透破壞離壩腳越遠越安全，結合現狀，由排水棱體與現狀地面平順連接，排水蓋重順水流方向取10m。

3.2 溢洪道加固設計

本次加固設計拆除重建懸槽段前的進口段、控制段；對漸變段、泄槽段底板罩面，重新做結構縫止水設施；拆除重建消能防護；更換控制段閘門及啟閉設備。

由于末端懸槽段本次加固設計未調整，控制段位置及高程亦未調整，拆除后重建其縱向、橫向結構尺寸維持原結構不變。

拆除重建后溢洪道仍由進口段、閘室段、漸變段、陡槽段和懸槽段組成。5.7.1.1進口段(樁號0-008.600-0+000.000)

進口段長8.6m，底寬由17.14m漸縮至11.8m，底板高程由146.59m升至147.6m，兩側邊墻墻頂由149.09m升至150.70m。進口段采用鋼筋混凝土矩形槽結構，底板及邊墻厚度均為0.4m，底板下設0.1m厚素混凝土墊層。混凝土標號C30F300W4，素混凝土標號C15。

閘室段(樁號0+000.000-0+007.000)

閘室段采用鋼筋混凝土結構，長7.0m，寬11.8m，閘室底板頂高程147.6m，底板厚1.5m，下設0.1m厚素混凝土墊層。閘室共設有4孔2.8m高的鑄鐵工作閘門和4孔2.8m高的鑄鐵檢修閘門，每孔凈寬2.5m，邊、中墩寬均為0.6m，墩頂高程151.5m，墩頂上游為閘門啟閉機排架及啟閉機室，下游設有交通橋，交通橋橋頂高程151.5m，寬4.0m，并與兩側壩頂連接。混凝土標號C30F300W4，素混凝土標號C15。

漸變段(樁號0+007.000-0+021.100)

漸變段長14.1m，底寬由11.8m漸縮至5.8m，底板高程由147.6m降至146.65m，兩側邊墻墻頂由151.5m降至149.7m。漸變段鑿除風化0.2m厚底板重新利用鋼筋混凝土罩面，混凝土標號C30F300W4。對結構縫利用瀝青塞縫，縫表面用聚硫密封膏處理。

陡槽段(樁號0+021.100-0+080.700)

陡槽段長59.6m，底寬5.8m，底板高程由146.65m降至143.81m，兩側邊墻墻頂由149.7m降至145.74m。陡槽段鑿除風化0.2m厚底板重新利用鋼筋混凝土罩面，混凝土標號C30F300W4。對結構縫利用瀝青塞縫，縫表面用聚硫密封膏處理。

懸槽段(樁號0+080.700-0+104.700)

懸槽段長24.0m，此段為2008年加固段，現狀結構良好，本次設計維持不變。

石籠防護

拆除懸槽段末端的消能石籠，重建固濱籠消能護坦，護坦長5.0m，寬7.0m，石籠厚1.0m。生態格網應符合《生態格網結構技術規程》(CECS353:2013)標準，安裝須在專業廠家指導下進行，填充石料應采用堅硬未風化的卵石或塊石，其尺寸不能小于格網網孔。

3.3 輸水洞加固設計

輸水洞洞身坐落在壩體上，經多年運行，未發現沉陷，坍塌等缺陷，洞體完好。輸水洞鋼閘門銹蝕變形，漏水嚴重，啟閉設施均壞損無法正常啟閉,本次加固設計對其更換。

4 結 語

彰武縣北溝水庫除險加固工程實施完成后，可恢復下游水田灌溉133余公頃，徹底解決北溝水庫存在的病險問題，水庫能正常防洪和灌溉，促進彰武縣水利事業更好的發展。