新城水庫(kù)土石壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)綜述

吳 紅

（黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150080）

1 工程概述

新城水庫(kù)位于延壽鎮(zhèn)南偏東16 k m處,螞蟻河右岸支流石頭河中下游,是一座以農(nóng)田灌溉和城鎮(zhèn)供水為主,結(jié)合發(fā)電的綜合利用中型水庫(kù)。新城水庫(kù)壩址以上集水面積99 k m2,石頭河流域面積147 k m2,新城水庫(kù)是石頭河上唯一一座控制性工程。

新城水庫(kù)始建于 1958年,1959年大壩合龍,后經(jīng)幾次續(xù)建,至 1975年主體工程基本竣工,1983年基本達(dá)到原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇,校核標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇,壩頂高程為223.37 m,總庫(kù)容1 700萬(wàn)m3。為了解決延壽縣城居民供水和農(nóng)田灌溉的需要,于 1997年自水庫(kù)接通城鎮(zhèn)供水管道,并于2000年對(duì)水庫(kù)進(jìn)行增容擴(kuò)建,擴(kuò)建后設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇,校核標(biāo)準(zhǔn)為1000 a一遇,擴(kuò)建后校核洪水位（P=0.1%）224.86m,總庫(kù)容2 580萬(wàn)m3;水庫(kù)擴(kuò)建后,可灌溉水庫(kù)下游水田面積1 140 h m2,2010年后可向延壽鎮(zhèn)供水達(dá)500萬(wàn) m3/a。

新城水庫(kù)樞紐工程由土石壩、溢洪道、輸水洞及電站組成,壩址選在灘地窄河谷處,土壩為黏土斜墻堆石壩,黏土鋪蓋防滲;溢洪道布置在右岸條形山體鞍部,輸水洞布置在壩右側(cè)山體中,電站布置在洞出口坡腳處。2000年水庫(kù)進(jìn)行增容擴(kuò)建,壩型仍為黏土斜墻堆石壩,堆石壩在原壩的基礎(chǔ)上自壩后坡進(jìn)行加高培厚;壩頂長(zhǎng)455m,壩頂寬6.0 m,壩頂高程226.10 m,最大壩高21.60 m,上游邊坡 1∶3.5,下游邊坡1∶1.6和 1∶2.0,在高程 217.0 m處設(shè)置馬道,馬道寬 2.0m,下游壩腳處設(shè)排水帶。

2000年水庫(kù)增容擴(kuò)建后至 2005年間,土石壩迎坡壩面多次出現(xiàn)塌陷,壩背坡出現(xiàn)滲水,省水院于 2006年11月對(duì)新城水庫(kù)進(jìn)行了大壩安全鑒定工作,省水利廳組織有關(guān)專家對(duì)新城水庫(kù)大壩安全評(píng)定為三類壩,為病險(xiǎn)水庫(kù)。

2 土石壩壩體存在的主要問(wèn)題

新城水庫(kù)土石壩壩型為黏土斜墻堆石壩,因溢洪道未建成即蓄水,造成 1960年夏汛時(shí),隧洞閘門(mén)因事故無(wú)法泄洪,導(dǎo)致大壩決口。1960年 11月至 1962年 6月對(duì)大壩決口段進(jìn)行修復(fù),1964年水庫(kù)管理部門(mén)對(duì)土壩進(jìn)行全面鉆探檢查,結(jié)果表明土壩黏土斜墻質(zhì)量較差,1968年水庫(kù)重新翻修黏土斜墻。

2000年水庫(kù)增容擴(kuò)建蓄水后,一直處于較高水位狀態(tài)下運(yùn)行。水庫(kù)于 2001年 5月 9日及 5月 22日在水庫(kù)土石壩上游坡分別發(fā)現(xiàn)一陷坑,陷坑發(fā)現(xiàn)時(shí)均沒(méi)于水下,上游庫(kù)水面未見(jiàn)異常。水庫(kù)陷坑處理后又持續(xù)3 a正常蓄水,又于 2005年 6月 3日土石壩上游坡又發(fā)現(xiàn) 3處陷坑。

基于險(xiǎn)情的不斷發(fā)生,延壽縣新城水庫(kù)管理站委托黑龍江省水利科學(xué)研究院暨黑龍江省水利工程質(zhì)量檢測(cè)中心站對(duì)水庫(kù)大壩質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)和分析,采用瞬變電磁法探查大壩內(nèi)部隱患,并在大壩前坡選取兩處外觀異常區(qū)域和可能存在隱患區(qū)域,開(kāi)挖探坑進(jìn)行檢測(cè)。

通過(guò)瞬變電磁法對(duì)大壩 4個(gè)測(cè)試斷面進(jìn)行測(cè)試,從測(cè)試結(jié)果看黏土斜墻中存在異常電導(dǎo)率測(cè)試值偏多,電導(dǎo)率最大值和最小值均發(fā)生在這里,反映出黏土斜墻質(zhì)量欠佳,極有可能存在著滲透通道,至少存在著產(chǎn)生滲漏通道的隱患。

在探坑開(kāi)挖檢查時(shí),為了使開(kāi)挖的探坑容易發(fā)現(xiàn)壩內(nèi)滲漏隱患,位置選擇在靠近前壩肩,且壩前雜草繁茂的地方,在僅有的 2個(gè)探坑中就發(fā)現(xiàn)壩體內(nèi)有已朽的粗樹(shù)干、大粒徑塊石、集中堆積的碎石等,且黏土中還挖出了積水,大壩黏土斜墻含水率高（現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)值為 21.67% ～23.0%）、壓實(shí)質(zhì)量差,不能滿足截滲要求。壩體內(nèi)黏土斜墻上碎石墊層和碎石混合土保護(hù)層與設(shè)計(jì)情況不符,反濾層局部級(jí)配不合理,且各層界限不明顯,碎石粒徑較大,并夾有 ＞40 c m的石料,達(dá)不到反濾的作用。

綜上可以看出,新城水庫(kù)土石壩經(jīng)過(guò)多期建設(shè)、返修,致使大壩構(gòu)成復(fù)雜,施工銜接部位多,存在隱患較多。由于水庫(kù)前期土石壩防滲體及反濾結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量差,才導(dǎo)致 2001、2005年塌坑的頻繁發(fā)生。

3 壩體陷坑產(chǎn)生的原因分析

每個(gè)陷坑的產(chǎn)生,都是由內(nèi)、外因素共同作用的結(jié)果,外界因素是水庫(kù)長(zhǎng)期高水位運(yùn)行,內(nèi)在因素是原斜墻質(zhì)量差,斜墻下面又是不符合反濾要求的碎石土墊層。庫(kù)水經(jīng)質(zhì)量較差的斜墻滲透到下部不符合反濾要求的碎石土墊層,滲透水先將碎石土中的土粒帶走,高水頭滲水的長(zhǎng)期作用又將其中的砂粒帶走,即產(chǎn)生內(nèi)部管涌并發(fā)展為流土,這些顆粒被帶到后面壩體堆石的空隙中,逐漸形成自然反濾帶,顆粒中的極細(xì)部分隨著滲透水流流出壩外,長(zhǎng)時(shí)間的作用形成集中滲流,集中滲流又將質(zhì)量差的黏土斜墻剝蝕,長(zhǎng)期作用結(jié)果使原斜墻下部58 a填筑的斜墻逐步脫空并擴(kuò)大,如脫空部位上面的斜墻與周圍部分斜墻間的側(cè)向摩阻力尚能支持脫空部分斜墻和其上面保護(hù)層、護(hù)坡塊石等重量就不會(huì)塌陷;若支持不了就產(chǎn)生塌陷,只不過(guò)因脫空小或陷落部分較為疏松,塌陷不明顯;當(dāng)下部脫空范圍大,側(cè)向摩阻力無(wú)法支持時(shí),即發(fā)生明顯塌陷。

4 土石壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

鑒于水庫(kù)存在的隱患,本次設(shè)計(jì)采用在不放空水庫(kù)前提下,于壩體上游坡樁號(hào) 0+16.2～0+362.4高程214.86m,樁號(hào) 0+362.4～0+416.2高程217.00m處,開(kāi)挖寬14.30 m塑性混凝土防滲墻施工作業(yè)平臺(tái),由平臺(tái)前緣向內(nèi)7.3 m處設(shè)置一道厚60 c m的塑性混凝土防滲墻,防滲墻深至基巖以下0.5～1.0 m,并與左岸壩基碎石混合土和右岸花崗巖緊密連接,作為壩體下部和壩基部分的防滲措施。防滲墻頂高程至高程224.00 m,采用厚0.5 m m聚乙烯雙層500 g/m2的復(fù)合土工膜做為壩體中上部防滲材料,復(fù)合土工膜底部采用直接在導(dǎo)向槽內(nèi)用現(xiàn)澆混凝土與塑性混凝土防滲墻牢固連接,按 1∶2.75邊坡鋪至224.00 m時(shí),膜頂端澆注于混凝土防浪墻底板內(nèi),使其與防滲墻和防浪墻形成閉合的防滲整體,以有效解決壩體及壩基的防滲問(wèn)題。

壩體回填時(shí),于高程217.00 m處設(shè)置馬道。馬道寬4.50 m,之上采用 1∶3.0邊坡,25c m厚混凝土板護(hù)坡,下墊25c m厚碎石;馬道之下采用 1∶3.5邊坡,25c m厚干砌石護(hù)坡,下墊25 c m厚碎石。復(fù)合土工膜下鋪砂墊層,厚 20 c m,其下再鋪一層粒徑 ＜4 c m的碎石支持層,厚20 c m;復(fù)合土工膜上鋪砂墊層,厚30 c m,墊層之上采用小徑堆石填筑。壩頂采用泥結(jié)石路面,厚25 c m。

5 壩基防滲墻施工

混凝土防滲墻的施工由于采用不同的造孔機(jī)具,施工前需修建孔口導(dǎo)向槽、泥漿制漿站和混凝土拌和站等,鋼筋混凝土導(dǎo)向槽可避免出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。固壁泥漿可以循環(huán)使用,使用膨潤(rùn)土造漿,可使用高速攪拌機(jī)?；炷翝仓靶鑼?duì)槽內(nèi)進(jìn)行清孔換漿,使孔內(nèi)膨潤(rùn)土漿達(dá)到密度≤1.1 g/c m3,黏度≤30s,含砂量≤3%。鉆機(jī)和抓斗采用兩鉆一抓的施工方法,造孔采用沖擊鉆機(jī)對(duì)各種地層都適應(yīng)的優(yōu)勢(shì),又發(fā)揮了抓斗對(duì)一般地層可快速掘進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)。

圖 1 土石壩橫斷面圖

6 結(jié) 論

新城水庫(kù)土石壩迎坡壩坡塌陷、背坡滲水,威脅了水庫(kù)的安全運(yùn)行,通過(guò)對(duì)壩基和壩體采取防滲加固措施,從根本上解決了水庫(kù)的病險(xiǎn)問(wèn)題,使水庫(kù)能夠更好的發(fā)揮灌溉、城鎮(zhèn)供水、發(fā)電等綜合效益。

[1]黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 .黑龍江省延壽縣新城水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2008.

[2]譚靖夷 .中國(guó)水力發(fā)電工程[M].北京：中國(guó)電力出版社,2000.