基于保障安全的基本水尺斷面混凝土凍融修復研究

李嬋娟LI Chan-juan；焦有權JIAO You-quan

（①北京市密云水庫管理處，北京 101512；②北京農業職業學院，北京 102442）

0 引言

1958 年9 月1 日動工興建的密云水庫，是我國華北地區防洪和為北京城區供水的關鍵性水利樞紐，工程始于1959 年汛期攔洪，1960 年建成并投入運營，設計總庫容43.75 億m3。經過歷史上多次的擴建、改建和加固建設，成為如今的集擋水、輸水、泄水建筑物為一體的、功能齊全的、可進行多年調節的大型水利樞紐工程（如圖1）。

圖1 密云水庫樞紐平面布置圖

密云水庫工程按千年一遇洪水設計，萬年一遇洪水校核，壩頂高程160.0m，設計水位157.5m，校核水位158.5m，正常蓄水位157.5m，汛期限制水位152.0m，死水位126.0m。總庫容43.75 億m3，其中防洪庫容9.27 億m3，調洪庫容11.08 億m3，興利庫容35.45 億m3，死庫容4.19億m3。

密云水庫建成60 多年以來，在工程擋水、經濟發展和社會促進方面發揮了巨大的效益：自1959 年工程攔洪以來，水庫攔蓄了所有的上游洪水，基本上根治了潮白河流域的洪澇災害，為下游人民的生命財產安全提供了保障。更為重要的是，在華北地區這個嚴重缺水地區蓄積了的大量清潔水源，極大的解決了水資源供需矛盾，從根本上保障了北京城市正常運轉和區域經濟社會平穩發展。在一個時期內，還促進了漁業、發電和局部大氣環境改善。目前，水庫已成為首都北京最重要的地表飲用水源地，被譽為首都人民的“生命之水”。

1 材料與方法

1.1 水文氣象資料

密云水庫是一座具有防洪、供水、發電等多種功能的大型水利工程，控制著潮白河流域的潮河和白河兩條支流，水庫的流域面積15788km2。水庫所在地區的潮白河流域屬大陸性季風性氣候，主要受西北高壓氣流控制春秋季多風，冬季干寒。年平均氣溫11.5～11.8℃，全年無霜期200～203 天，多年平均降雨量600～650mm，最大凍土深度約1.0m。徑流主要來源于大氣降水，徑流年際變化較大。根據多年水文氣象站觀察，流域內降雨分布，一般是從東南向西北遞減。域內暴雨中心多出現在九松山（密云區）、溪翁莊（密云區）、棗樹林（懷柔區）、千家店（延慶區）一帶。

1.2 工程地質與水文地質

工程區屬燕山山脈的一部分，從區域地質構造上看，庫區為燕山沉陷帶中部偏南，也是燕山山脈的中部，主要為太古代變質巖系及震旦紀中下部地層分布。沉積巖層的走向近東西而偏向北西，變質巖系的片理方向則為北東，二者為角度不整合關系接觸。庫區為一較大背斜的南翼近于軸部，西部震旦紀地層被片麻巖所代替。東至石井、石駱駝以西，北50°東方向線亦因斷層關系，震旦紀地層被片麻巖截斷。兩斷層之間相對的為下降地帶，可謂白河小型地塹。再至潮河以東老牛灣蔓兒嶺一線有北15°～30°東方向的正斷層，其西側斷層上盤部分為上盤相對下降，東側相對上升。由于本區處于燕山沉陷帶內，褶皺斷裂均較發育。

密云水庫庫區是一個盆地。東部的小根柱嶺，西部的五座樓嶺海拔1000m 左右，為巍峨的中高山地形，北部也是一系列較高的山地，包圍著馬蹄形的低地形-盆地底部。盆地內地形主要為侵蝕的低山地形，山頂高程大都在200m 至250m 左右，南部較高達300m 以上，最底部分在南沈莊、恒河東北為廣闊平坦的河流淤積平原。

水文地質條件。白河壩址片麻巖風化很深，滲透性小，石英巖節理發育，滲透性強。由于構造發育，斷層，擠壓破碎帶和裂隙很發育。河床砂卵石復蓋層最深達44m，平均滲透系數500～800m/d。

潮河壩址處基巖透水性一般較小，單位吸水率w 均小于0.03L/min/m。河床段砂礫料復蓋層最大深度14m，河灘部份約為2～5m，滲透系數K=3.4×10-2～1.8×10-1cm/s。

1.3 水工建筑物

1.3.1 白河水工建筑

密云水庫水工建筑物很多，其中白河樞紐所包括的水工建筑物，主要是白河主壩、白河副壩、白河隧洞、白河調節池及碼頭等水工建筑物，還包括張家墳水文站、調節池管理站、白河出庫站、二甲峪管理站4 座及其它建筑物。

1.3.2 潮河水工建筑物

潮河樞紐水工建筑物包括潮河主壩、九松山副壩、三座溢洪道、四條輸泄水隧洞、潮河碼頭及潮河下會水文站、潮河出庫站等。

1.3.3 溢洪道

水庫設有三座溢洪道，總泄量15530m3/s。

1.4 項目實施的必要性

項目所屬工程經過精心的維修養護，可實現工程設施外觀完整、表面整潔、狀態完好、運行順暢的總體養護目標。主要工作為張家墳水文站基本水尺斷面混凝土凍融修復。工程實施地點位于密云水庫白河入庫處的張家墳水文站，對測流的基本水尺斷面進行修復。

2 結果與分析

2.1 基本水尺斷面混凝土凍融修復預備

2.1.1 修復工程設計依據

①《水利工程維修養護定額標準（試點）》（水利部、財政部2004 年頒布）；②《北京市水利工程維修養護預算定額》（北京市水務局與財政局2013 年11 月聯合主編）；③《水利工程維修養護考核標準》；④《水文設施工程施工規程》SL649-2014；⑤《密云水庫設計總結》；⑥《密云水庫工程技術手冊》；⑦其它有關規范、規程；⑧北京市密云水庫管理處提供的相關資料及現場查勘情況。

2.1.2 修復工程實施方案

張家墳水文站測流基本水尺斷面位于張家墳水文站上游的白河入庫的河流上，測流槽在中心河道，為現澆混凝土結構，凈寬9m，底板混凝土厚0.4m，兩側擋墻高1m，寬0.5m，中間位置有高0.5m 的三角形剖面堰一道；混凝土段全長60m，出入口處各建有10m 的漿砌石扭面段和10m 的漿砌石斜坡段。左側二層臺為混凝土結構，寬20m，混凝土板厚0.3m，護砌斜坡段為厚0.5m 的鉛絲石籠結構，寬65m；右側二層臺為混凝土結構，總寬10m，混凝土板厚0.3m，重力式混凝土擋墻凈高1.06m，頂寬0.4m，底寬2.06m，基礎厚0.8m，擋墻外側鋪筑有寬3m、厚0.4m 的干砌石護砌。

測流槽槽底高程181.00m，三角形堰頂高程181.50m，二層臺高程182.00m，左岸護砌頂高程183.06m，右岸擋墻頂高程183.06m。

基本水尺斷面測流槽及二層臺的原混凝土面層全部鑿除，右側擋墻鑿除60m 長，右側擋墻外干砌石護砌地面拆除長度60m。新澆筑C25F150 混凝土測流槽，新澆筑左右岸的C25F150 混凝土二層臺，新澆筑C25F150 混凝土重力式擋墻，結構尺寸及測流槽底、二層臺頂高程保持不變。拆除的干砌石護砌新砌筑M7.5 漿砌石護砌地面。

主要工程量：鑿除底板混凝土750.1m3，鑿除擋墻混凝土202.2m3，澆筑底板C25F150 混凝土750.1m3，澆筑擋墻C25F150 混凝土202.2m3，堰頂鋼板埋件9m（8mm 厚鋼板1.98m2，Ф16 鋼筋10.3kg，Ф8 鋼筋6.2kg），砌石護砌拆除砌筑60m（拆除干砌石72m3，砌筑M7.5 漿砌石72m3，M10 砂漿勾平縫180m2），搭設1.5m 高鋼膜圍堰270m（一期圍堰160m，二期圍堰110m）。

2.2 修復工程條件分析

2.2.1 工程概況

本工程位于密云水庫白河入庫處的張家墳水文站，對測流的基本水尺斷面進行修復。

2.2.2 對外交通條件

本工程位于密云水庫庫區內，庫區內經過多年的運行管理具有便利的交通條件。白河主壩南側約600m 為密關路；現有密云水庫管理處內道路通至白河主壩下，壩頂設有瀝青混凝土道路，路面寬度8m；密云水庫各管理單位及管理設施均有現狀道路通往。

2.2.3 施工供應與加工修配條件

工程所需的外來物資有水泥、木材、油料等，北京市場品種齊全，貨源充足。施工用水、供電及加工修配條件較好，密云水庫水質較好，可以作為施工生產用水，庫區分布的水庫管理單位現有自來水，具備施工接引條件。庫區現有輸電線路，庫區水庫管理設施內現有電源，具備施工接引條件。北京市密云區現有構件加工與機械修配能力，可滿足本工程所需要的構件加工、施工機械修配需求。

2.3 主體修復工程施工

2.3.1 圍堰施工

①圍堰支架的搭設。施工時預先在地面上對圍堰支架進行分段安裝，組裝成型之后再吊裝就位。為了保證圍堰在水中受力均勻，在搭設時必須嚴格控制高度和寬度值，每個結點不得有松口現象，通常用轉軸卡子卡接牢固，為增加穩定性，用3m 長立桿將架子管聯接成一體，連接為一個整體。

②模板鋪設。當各段支架架設合格后，可在其形成的斜坡面上將模板鋪開，并用鉛絲與支架固定在一起，模板與搭板之間也可用鉛絲固定，為減少河水對防水布產生壓力，接縫一定要緊密，盡可能減少縫隙出現。

③吊裝就位。當前序工作完成后，如支架和模板組裝合格后，安排吊裝就位。首先在河中圍堰位置作出標志桿掛線定位，以確保吊裝準確，防止錯位。再由專業人員按照設計標志線，確定圍堰位置，當出現超出設計值得偏移時，由專業安裝人員進行糾偏，為減小圍堰之間出現縫隙，可盡量使圍堰迎水面平整。

④防水布鋪設。河底壓平鋪設防水布，使用沉入砂袋將防水布與模板及河底壓實，確保緊密接合。根據施工工藝，按照先下游后上游的鋪設順序，順水壓茬、逆水鋪設。

⑤基坑排水及泵坑排水。圍堰施工完后必須進行基坑排水，通常在圍堰內做導流水槽，把滲出圍堰的水收集到泵坑，在泵坑內人工排出，保證基坑內作業面干燥，方便施工作業。在基坑內排水時，要安排專人看守圍堰及水泵，防止圍堰或防水布出現局部破損，導致外水倒流。一旦出現破裂狀況，要及時將漏水堵住，加鋪防水布。

⑥圍堰拆除。水工建筑物維護施工結束后，要拆除圍堰，尤其是水下部分圍堰，為保證河道行水順暢，一定要徹底清理。拆除時首先清理干凈圍堰內區域，并將各段圍堰間連接桿等拆除，全部分開各段圍堰，并把先前沉入的砂袋全部撈出，待到圍堰內灌滿水后，拆除全部的土工布，圍堰支架及模板則用吊車將其吊上河岸進行拆除。

2.3.2 混凝土澆筑

模板主要采用鋼模板，局部異形部位使用木模板，模板由人工進行拼裝、支撐并固定。鋼筋在現場加工廠進行加工后，人工使用膠輪車進行場內運輸并進行綁扎、焊接。

混凝土由混凝土攪拌運輸車運至現場后，混凝土泵車輸送入倉，人工進行攤鋪，振搗器密實后采用灑水、覆蓋等方式進行養護。混凝土澆筑施工時，需按設計要求組織施工。冬季進行混凝土澆筑施工時，須切實做好防凍、保溫措施，確保工程施工質量。

2.3.3 砌筑工程

塊石砌筑施工時要求石料應符合有關規定，石質應質地堅硬、均勻、不易風化、無裂紋。其抗水性、抗凍性、抗壓強度均應符合有關技術要求的規定。塊石形狀應大致方正，上下面大體平整，厚度為20～30cm，寬度均為厚度的1.0～1.5 倍，長度約為厚度的1.5～3.0 倍，如有鋒棱銳角，應敲除后使用。同時外露面四周向內稍加修鑿，后部可不加修鑿，但應略小于修鑿部分。砌筑時砌體縫口應砌緊，底部應墊穩、填實、嚴禁架空，宜采用立砌法，不得疊砌和浮塞，石料最小邊厚度不宜小于15cm。漿砌石砂漿選用M10。

外形做到：三直、二平、一圓滑，即：上下口線直、邊線直，踹腳面、坡面平整、河彎圓滑。要求上下口整齊劃一，坡面平整，卵石厚度均勻。

水泥標號不得低于325 號，到場的水泥應按品種、標號、出廠日期分別堆存，受潮濕結塊的水泥，禁止使用。使用砂應為質地堅硬、級配合理、潔凈中粗砂，含泥量不大于3%，若摻用外加劑應符合國家標準。水泥砂漿的配合比必須滿足施工圖紙的強度規定和施工和易性的要求，配合比現場通過試驗來確定，水泥砂漿的配合比符合設計及施工要求。施工中要嚴格按照試驗確定的配料單進行配料，嚴禁擅自更改。

漿砌石工程砌筑施工結束24h 以后再進行勾縫，勾縫寬度不小于砌縫寬度，勾縫深度不小于縫寬的2 倍，勾縫前必須沖洗干凈縫槽，將表面殘留的積水和灰渣清理干凈，縫面還要保持濕潤，保證砂漿的粘結，并應保持塊石砌合的自然接縫。勾縫砂漿一定要重新拌制，嚴禁將勾縫砂漿與砌筑砂漿混用，勾縫砂漿的標號為M10，采用細砂，水灰比較小，灰砂比控制在1:1～1:2 之間。

3 結論與建議

密云水庫是首都最大、最重要的地表飲用水源地，建庫60 多年來，為首都市民提供生產、生活保障用水，并且是首都重要的防洪屏障。隨著首都城市和社會經濟的飛速發展，用水量需求激增，水資源的供需矛盾日益加大，對于密云水庫水工建筑物的精細化修復與維護顯得尤為重要，尤其是以混凝土為材料的水工建筑物，在經歷長年累月的凍融循環后，更要關注其凍融破壞，及時進行工程修復，防止出現安全隱患。

①庫區工程建設中生態環境安全保護的典范。施工期全程對環境空氣的影響進行評估，如平整土地、開挖、建材裝卸、車輛行駛等施工作業中，在自然風作用下，道路揚塵影響范圍在100m 以內，在大風天氣，揚塵量及影響范圍將有所擴大。為減少施工揚塵的影響，要求施工單位施工期間應嚴格加強環境管理、貫徹邊施工、邊防護原則；施工現場只存放用于回填的土方量，多余的土方要及時運走，并且避免露天堆放，存放棄土時，應對其進行分層碾壓，保證棄土高程高于水庫水位沖刷線。干燥季節要適時地對現場存放的土方灑水，保持其表面潮濕，以避免揚塵。對施工臨時占地在施工結束后進行跡地恢復，主要是對生產生活區、施工臨時道路等土地整治后進行植樹植草綠化。生產生活區土地整治后需覆土30cm 進行植樹綠化。

②張家墳水文站現測流基本水尺斷面混凝土面層凍融破壞嚴重，影響測流工作的正常進行，同時造成測流數據的不準確。需對此水尺斷面的面層進行修復，以確保測流工作正常，保障密云水庫工程安全和迎汛安全。該站的監測數據，直接關系到位于白河主壩左岸的白河泄空隧洞防洪安全，同時，監測數據也直接關系著宣泄千年以上洪水的走馬莊隧洞防洪安全，具有非常重大的現實意義。

③關系到首都大型水廠的供水安全與水資源安全。密云水庫是首都北京市一級飲用水水源地，主要通過京密引水渠直接輸送到北京市各大水廠，作為自來水廠的主要地表水源，尤其是新建的第九水廠輸水隧洞位于九松山副壩以東約1km 處，是北京市第九水廠二期取水工程。與此同時，作為南水北調的蓄水水庫，密云水庫承擔了更為重要的戰略職責。

④建議。密云水庫水利工程的正常維護，對水利運行、水庫安全、迎汛安全、供水安全和水質安全具有重要作用，為確保水庫正常功能的實現，應更加科學規劃、科學設計、精細施工，確保庫區各項工程高效安全運行。