黑虎山水庫除險加固工程措施與效益

高淑美

（青州市黑虎山水庫管理局，山東 青州 262500）

黑虎山水庫位于青州市王墳鎮(zhèn)境內(nèi)彌河支流上，控制流域面積190km2，水庫現(xiàn)正常蓄水位163.00m，興利庫容2808萬m3；死水位144.60m，死庫容262萬m3。水庫始建于1966年，1972年12月建成發(fā)揮效益。水庫原建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差，防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，達(dá)不到有關(guān)規(guī)范、規(guī)定要求，自建庫后險情不斷，雖經(jīng)多次應(yīng)急處理、加固，但都未根除工程安全隱患，嚴(yán)重威脅著下游人民生命財產(chǎn)的安全，不能充分發(fā)揮其興利效益。

1 水庫存在的主要問題

1.1 大壩現(xiàn)狀

黑虎山水庫建成蓄水后，主壩壩體存在滲漏，主壩心墻滲透系數(shù) 9.0×10-6～4.0×10-5cm/s。 主壩合攏口清基不徹底，齒槽底部殘留卵礫石，透水性強(qiáng)，形成集中滲漏通道，滲流量較大，卵礫石內(nèi)水力比降大，發(fā)生接觸沖刷破壞的可能性大；齒槽內(nèi)壤土與壩基卵礫石直接接觸，易發(fā)生接觸流失而產(chǎn)生隱性破壞。

副壩壩體存在滲漏滲透系數(shù) 5×10-6～8.6×10-5cm/s。副壩局部存在集中滲漏現(xiàn)象，現(xiàn)狀滲流穩(wěn)定分析發(fā)現(xiàn)，高水位運(yùn)行時壩體浸潤線較高，有壩坡出逸現(xiàn)象；壩體設(shè)有40個預(yù)留爆破孔，不利于壩體穩(wěn)定。副壩產(chǎn)生橫向裂縫處（0+917附近）壩前未鋪設(shè)土工膜，上游齒槽下殘留卵礫石層，滲透性強(qiáng)，高水位運(yùn)行時壩坡出逸，從流線分布來看上游滲流豎向落水現(xiàn)象非常明顯；副壩底層黏土壩基及非常溢洪道段（代表斷面0+950）壩下為黃土狀壤土，存在濕陷和接觸沖刷問題，此段壩體填筑質(zhì)量差，壩體滲透性偏大。

主副壩連接段（0+400～0+930）壩基為卵礫石與黃土狀壤土雙層結(jié)構(gòu)，黃土狀壤土豎向裂隙發(fā)育，滲透性強(qiáng)，滲流豎向落水現(xiàn)象較明顯，滲漏量大，黃土狀壤土的濕陷系數(shù)為0.032～0.158，濕陷性中等-強(qiáng)烈，下部卵礫石為強(qiáng)透水層；主壩右壩肩岸坡基巖張開，節(jié)理裂隙發(fā)育，壩體填筑未對斷層、裂隙進(jìn)行處理，致使初期蓄水后就出現(xiàn)基巖集中滲漏、壩肩繞滲等問題。

現(xiàn)狀壩頂路面破壞較嚴(yán)重，防浪墻不均勻沉陷、變形嚴(yán)重，多處出現(xiàn)貫穿性裂縫，沙漿剝蝕老化嚴(yán)重，部分壩段基礎(chǔ)未與防滲體緊密結(jié)合。大壩表層上游干砌亂石段護(hù)坡質(zhì)量差、風(fēng)化嚴(yán)重、未設(shè)反濾層，塌陷變形，壩后無排水體。

1.2 水庫放水洞及其啟閉設(shè)施損壞

放水洞位于大壩樁號0+492處，放水洞基礎(chǔ)座落于黃土狀亞黏土和河卵石層地帶上，并在亞黏土層打井柱樁基礎(chǔ)，支撐于卵石層上，其樁底標(biāo)高為129.8m，基巖頂高程117.0m，井樁基礎(chǔ)開挖后，澆制井柱并回填井柱周圍，回填部分局部礫卵石密集。放水洞結(jié)構(gòu)型式為壩下埋鋼筋混凝土壓力管，與壩體填土間可能存在接觸沖刷；內(nèi)襯8mm厚鋼板，管內(nèi)徑1.8m，混凝土管壁厚0.55m，進(jìn)口底高程144.6m，洞身長135.2m，縱坡降1/300，在壩頂上游設(shè)豎井，內(nèi)有控制閘門。啟閉設(shè)備為25T雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)，設(shè)計灌溉流量10.5m3/s，最大過水流量29m3/s。因洞基井柱樁坐落在不同巖性土基上，豎井強(qiáng)度及地基承載力不滿足要求，不均勻沉降已引起洞身裂縫嚴(yán)重。鋼板銹蝕嚴(yán)重，閘門與啟閉設(shè)施老化銹蝕，啟閉機(jī)也已經(jīng)報廢，嚴(yán)重影響正常開關(guān)閘門，對調(diào)洪、灌溉極為不利。泄水渠道消力池底、池坎沖毀嚴(yán)重，影響泄洪。

放水洞未設(shè)置檢修閘門，并且為壩后閘閥式結(jié)構(gòu)，閘閥失事無法進(jìn)行檢修。放水洞主體結(jié)構(gòu)屬破壞較嚴(yán)重結(jié)構(gòu)。

1.3 溢洪道存在的問題

黑虎山水庫溢洪道位于水庫主壩右岸，現(xiàn)狀為開敞式，無溢洪閘。溢洪道分布巖性為寒武系灰?guī)r與頁巖互層，泥巖夾疙瘩狀灰?guī)r，頁巖夾透鏡狀薄層灰?guī)r，軟硬相間，頁巖夾層破碎，抗風(fēng)化能力低，穩(wěn)定性差，已產(chǎn)生巖石崩落；溢洪道兩岸底部采取了漿砌石護(hù)砌，護(hù)砌高度約3.0m，上部及溢洪道底部巖石裸露，兩岸邊坡陡峭，層理及構(gòu)造發(fā)育，整體穩(wěn)定性差，護(hù)砌工程不完善。溢洪道現(xiàn)狀底寬48.0～50.0m，全長約593m，進(jìn)口底高程163.5m，出口底高程142.0m。溢洪道核定最大過水流量1861m3/s。中泓樁號0+590處，發(fā)育一自然沖溝，沖溝底高程135.0m左右，與現(xiàn)狀溢洪道（高程143.0m）相差約8.0m，沖溝與挑流坎相距較近，沖溝處巖體呈強(qiáng)風(fēng)化，巖石破碎，巖體強(qiáng)度低，抗沖性差，泄流時回水沖刷壩腳，水流淘蝕沖溝，沖溝向上游發(fā)展，危及挑流坎的穩(wěn)定，挑流坎防沖齒墻不滿足防沖要求。溢洪道無閘控制，不能充分發(fā)揮工程防洪、興利效益。

非常溢洪道位于大壩北端，最大泄量3480m3/s，為溢流堰型式。非常溢洪道下游為村莊和耕地，不具備運(yùn)行條件。

2 除險加固措施

針對黑虎山水庫存在的主要問題，分別采取了如下除險加固措施：

2.1 大壩壩面翻修

對主壩上、下游壩坡護(hù)砌、拋石壓重，優(yōu)化護(hù)坡墊層設(shè)計。下游草皮護(hù)坡及壩體壩面排水設(shè)施，壩面每隔50.0m設(shè)置一條豎向排水溝，同時在下游161.80m、148.10m高程設(shè)置2道縱向排水溝，排水溝采用M10漿砌方塊石結(jié)構(gòu)。針對副壩存在問題，采取壩后補(bǔ)坡處理方案。新、老壩坡結(jié)合面166.90m高程以下設(shè)反濾過渡層，由表及里依次為：草皮護(hù)坡、石渣補(bǔ)坡壓重，0.5～4cm碎石層厚200mm，中粗沙層厚200mm，表層腐殖土清除整平。拆除新建壩頂?shù)缆凡捎肅25混凝土路面結(jié)構(gòu)，自上而下結(jié)構(gòu)型式為：C25混凝土路面，厚0.2m；二灰碎石基層，厚0.25m。防浪墻高度確定為0.80m，采用漿砌石結(jié)構(gòu)。并新建大壩變形及滲流監(jiān)測設(shè)施。

2.2 大壩壩體帷幕灌漿

針對水庫蓄水后壩體滲漏現(xiàn)象，綜合考慮壩下基巖防滲處理及壩基卵礫石層截滲，分別采用基巖帷幕灌漿和卵礫石帷幕灌漿形成統(tǒng)一整體式防滲。巖基灌漿樁號0+170～0+380，深度5.0m；巖基帷幕灌漿采用水泥漿液自上而下進(jìn)行，灌漿壓力控制在0.15～0.4MPa間。巖基帷幕灌漿的主要目的是充填基巖與黏土心墻的接合面。卵礫石灌漿樁號0+270～0+380，底部與巖基灌漿相接，上部伸入心墻內(nèi)3.0m。采用2排3序，終孔間距、排距均采用1.50m，排孔交錯布置，先灌上排再灌下排，采用自上而下方式。為使巖基灌漿形成有效的連續(xù)帷幕亦采用2排，排、孔間距1.50m。卵礫石層帷幕灌漿通常不能形成自立的鉆孔，采用套閥式灌漿法。卵礫石帷幕灌漿的目的是防滲切斷壩下集中滲漏通道。

2.3 大壩防滲板墻加固

副壩加固處理中為解決壩基黃土狀壤土接觸沖刷和濕陷問題，對0+380～0+480段已進(jìn)行了防滲墻加固處理。為解決頂部心墻防滲效果差的問題，對大壩0+005～0+380段上部壤土心墻進(jìn)行防滲加固處理。在保證防滲工程的可靠性、合理控制工程造價的前提下，選用具柔性結(jié)構(gòu)的深層水泥攪拌樁方案。深層攪拌樁加固使心墻上部壤土形成水泥土截滲墻。水泥土在攪拌過程中必須成塑性狀態(tài)或流態(tài)。要求成墻厚度大于0.20m，樁間搭接大于6.0cm，墻體滲透系數(shù)小于5×10-6cm/s，允許坡降大于80。

主河槽段壩基截滲處理采用高噴灌漿方案，雙排旋噴套接梅花形布置，鉆孔間距0.7m，鉆孔入巖1.0m，滲透系數(shù)不大于5×10-6。灌漿范圍為大壩樁號0+270～0+380，灌漿軸線位于大壩軸線上游7.0m處，采用單排兩序施工。底部入巖0.5m，頂部入黏土2.0m，墻體最小厚度0.50m。

對主、副壩二級階地段采取混凝土防滲墻結(jié)合局部高壓旋噴方案。防滲墻軸線設(shè)于距上游壩肩5.0m處，大壩樁號0+380～0+574段墻厚采用0.6m，0+574～0+950段墻厚采用0.40m。樁號0+487.25～0+496.75段高程149.0m以下采用高壓旋噴板墻，施工時先進(jìn)行高噴，高噴板墻與混凝土防滲墻反弧連接?；炷练罎B墻頂高程169.00m，上部設(shè)粘土封口。防滲墻底部1.0m的入巖段以及壩基卵礫石層間及其以上2.0m的范圍內(nèi)為C10普通混凝土墻體，上部結(jié)構(gòu)為塑性混凝土墻體。在放水洞豎井下部及其周圍采用高噴板墻防滲。

對壩基巖接觸灌漿布置在上游側(cè)，灌漿范圍確定為大壩樁號0+000～0+050間。灌漿孔布設(shè)3排，上游側(cè)第1排軸線設(shè)于壩肩上游5.0m處，上游側(cè)第1排接觸灌漿高程控制在126.00m以上，下游側(cè)2排接觸灌漿控制在壩基以下5.0m范圍內(nèi)，灌漿標(biāo)準(zhǔn)按小于10Lu來控制。

2.4 水庫放水洞及其啟閉設(shè)施的處理

經(jīng)方案比較，最后確定放水洞工程原址拆除重建。放水洞重建后既符合防洪標(biāo)準(zhǔn)又美觀。在拆除重建放水洞下部采用混凝土防滲墻，頂部采用水泥土回填與混凝土防滲墻結(jié)合，水泥土厚2.0m。

新建豎井在原豎井上游側(cè)，自上游進(jìn)口至壩后出口依次劃分為：進(jìn)口明渠及攔污柵、引水涵洞、豎井控制段、壩下洞身段、出口連接段。豎井內(nèi)設(shè)檢修閘門與工作閘門。工作門頂、側(cè)止水為P型橡皮后封水，底止水為條型橡皮止水。為降低啟閉力、減少輪子摩擦，輪軸采用自潤滑軸套。

2.5 溢洪道處理

針對溢洪道存在的問題，正常溢洪道仍在原位置，在正常溢洪道樁號0+135處新建5孔寬8m的溢洪閘、出口消能設(shè)施、溢洪道岸墻及泄槽防護(hù)、交通橋。溢洪道自進(jìn)口至出口劃分為：進(jìn)水渠、溢洪閘控制段、泄槽段、消能防沖段、出水渠。5孔，單孔凈寬8m，底板頂高程162.00m。泄槽段包括彎道緩坡段、一級陡坡段、直線緩坡段、二級陡坡段，彎道緩坡段。泄槽段總長426.84m。溢洪道出口采用挑流消能。挑流鼻坎按30年一遇設(shè)計，設(shè)計流量為712m3，反弧半徑15.0m，反弧轉(zhuǎn)角20°。溢洪道引渠段兩岸邊坡采用噴混凝土支護(hù)，出口水平段兩側(cè)新建砼側(cè)墻，墻后填土與墻頂距離2.5m，形成緩沖帶以防止巖石塌落。

3 除險加固后的工程效益

1）水庫除險加固后，防洪能力有了較大提高。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)從加固前的50年一遇提高到100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)從加固前的1000年一遇提高到2000年一遇。

水庫除險加固后，水庫滲漏量減少，可向青州市日供1.78萬m3的水，滿足水庫有效灌溉面積2133.33hm2，對城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉和城市景觀用水具有積極的意義。

2）水庫建閘后，起調(diào)水位為興利水位163m；庫水位低于168.42m（20年一遇防洪高水位）時，控制下泄流量不超過河道安全流量為180m3/s；當(dāng)庫水位高于168.42m時，不再控泄，按自由出流敞泄?？蓪崿F(xiàn)在適時適量預(yù)泄與蓄水之間進(jìn)行靈活操作的目標(biāo)，充分利用水庫的防洪庫容，一旦出現(xiàn)險情，可迅速調(diào)泄水庫容量降低庫水位，保證工程安全，還可適當(dāng)調(diào)高汛中限制水位，增加汛前水庫攔蓄量，充分利用水資源，在汛后可充分?jǐn)r蓄尾水，達(dá)到興利水位。

3）黑虎山水庫除險加固工程實施后，能夠確保水庫安全度汛，正常蓄水，發(fā)揮其應(yīng)有的防洪社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，大大保證了水庫下游廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

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