淺談黑山水庫(kù)攔河土壩加固方案

□賀啟有（遼寧省丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

0 前言

黑山水庫(kù)位于岫巖滿族自治縣蘇子溝鎮(zhèn)黑山村廟溝組的東洋河支流牤牛河上游，距鞍山市約161 km，距岫巖縣城25 km。

黑山水庫(kù)工程于1957年11月正式開工建設(shè)，于1958年9月1日竣工并投入使用。黑山水庫(kù)已運(yùn)行近50年，由于這座水庫(kù)為典型的“三邊”工程，施工質(zhì)量差，施工質(zhì)量得不到保證，雖然經(jīng)過(guò)多次加固改造，但仍存在黏土心墻高度不夠，且與防浪墻不相接，大壩滲漏，溢洪道缺少消能工，輸水洞漏水，缺少觀測(cè)設(shè)施等諸多問(wèn)題，水庫(kù)存在嚴(yán)重安全隱患，所以黑山水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程十分必要，也較為迫切。

黑山水庫(kù)工程為中型，是以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電和養(yǎng)殖等的綜合水利工程。設(shè)計(jì)灌溉面積853hm2，其中水田660hm2，經(jīng)濟(jì)作物19 hm2。水庫(kù)總庫(kù)容為1211.71萬(wàn)m3，校核洪水位（P=0.10%）為103.30 m，設(shè)計(jì)洪水位（（P=2%）為102.08 m，正常蓄水位為99.30 m。

黑山水庫(kù)樞紐工程由攔河土壩、溢洪道、輸水洞組成。攔河土壩長(zhǎng)705m，大壩加高到103.52 m，加寬到6.00 m；輸水洞在樁號(hào)0+591處，拆除重建；溢洪道在左岸，位置不變，將原有溢洪道進(jìn)行拆除重建，溢洪道堰頂高程為99.30 m，寬度為60.70 m，堰體長(zhǎng)度為19.10 m,尾水渠渠底比降i=0.01，底寬46.00 m，長(zhǎng)293.50 m。在這里，我們主要討論攔河土壩的加固方案。

1 建設(shè)條件

1.1 自然概況

牤牛河為東洋河主要支流，于紅旗鄉(xiāng)匯入東洋河，牤牛河流域面積189.90 km2，全長(zhǎng)36.73 km。黑山水庫(kù)控制流域面積49.20 km2，河道平均比降18.40‰,河道長(zhǎng)12.40 km。

1.2 氣象與水文

該流域降水受西太平洋暖濕空氣和流域地形影響，年降水量由西向東遞增，多年平均降水量為800～1200 mm；蒸發(fā)量由西向東遞減，多年平均蒸發(fā)量為1100～1300 mm；多年平均氣溫為7.50～8.00℃，1月份氣溫最低，極端最低氣溫為-32.60℃，7月份氣溫最高，極端最高氣溫為37.30℃，最大凍層深度為1.02m。黑山水庫(kù)的多年平均徑流量為0.64 m3/s，50年一遇洪峰流量為711 m3/s，1000年一遇洪峰流量為1153 m3/s。

1.3 地質(zhì)地形

黑山水庫(kù)位于岫巖滿族自治縣的蘇子溝境內(nèi)，地貌類型屬低山丘陵區(qū)，壩址處基本為“U”型河谷，河谷寬約460 m，右岸較陡，巖石裸露；左岸較緩，為丘陵區(qū)，且表面多為第四紀(jì)覆蓋。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探和探槽揭露，目前防浪墻基礎(chǔ)底未與黏土芯墻相接，防浪墻與芯墻背水肩部的相對(duì)距離為1.50～2.40 m,平均頂寬為1.50 m，芯墻上表面高程為99.50～100.56 m。大壩的填筑材料主要由全風(fēng)化礫砂、含礫粘性土及碎石土組成，大壩壩基存在兩處較大的滲漏帶，分別位于樁號(hào)0+000～0+307段和0+630～0+705段，由于滲漏帶的滲漏量較大，影響大壩安全和壩后電站廠房安全，建議對(duì)這兩段壩基進(jìn)行灌漿處理。

2 攔河土壩加固方案

2.1 攔河土壩存在的主要問(wèn)題

攔河土壩全長(zhǎng)705m，為粘土心墻壩，最大壩高19.89m，防浪墻頂高程104.60 m，壩頂高程103.10～103.50 m，壩頂寬3.50 m。迎水坡平均坡度為1：3.00，背水坡平均坡度為1：2.30。

根據(jù)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院的核查意見，黑山水庫(kù)為三類壩，攔河土壩存在的主要問(wèn)題為：

①防洪標(biāo)準(zhǔn)不符合要求，大壩頂高程比設(shè)計(jì)要求低0.02～0.42 m。

②經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，心墻頂高程100.56～99.50 m，與漿砌石防浪墻基礎(chǔ)之間有0.64～2.70 m透水層，嚴(yán)重威脅大壩安全。

③大壩壩頂寬度只有3.50 m，不滿足規(guī)范要求的最小寬度要求。

④大壩上游護(hù)坡面在冰線一帶，97～99.50 m間冬季由于冰壓護(hù)坡面隆起。

⑤防浪墻自建成就有裂縫，并產(chǎn)生新的裂縫。據(jù)統(tǒng)計(jì)，共有大小裂縫200多條，其中貫穿裂縫近30條。

⑥壩基滲漏嚴(yán)重，水庫(kù)自1958年竣工至今右壩端一直存在滲漏問(wèn)題，而且滲漏比較嚴(yán)重。

2.2 攔河土壩加固設(shè)計(jì)

攔河土壩全長(zhǎng)705 m，為黏土心墻壩，根據(jù)攔河壩存在的主要問(wèn)題，對(duì)大壩進(jìn)行加高培厚，大壩加高到103.52 m，加寬到6.00 m，防浪墻拆除重建，黏土心墻加高，壩基進(jìn)行灌漿處理。

2.2.1 壩頂結(jié)構(gòu)

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)壩頂寬度的要求，中、低壩壩頂寬度可選用5～10m，本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)將壩頂加寬到6m，壩頂設(shè)C20混凝土防浪墻，防浪墻基礎(chǔ)坐落在黏土心墻上，并深入心墻0.50 m，基礎(chǔ)底高程為102.02 m，墻頂高程為104.62 m，防浪墻頂寬0.45 m，背水側(cè)設(shè)置C15混凝土路邊緣石，壩頂面向下游側(cè)放坡，坡比為2%，壩頂采用瀝青混凝土路面。

2.2.2 黏土心墻加高

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探和探槽揭露，黏土心墻頂偏離防浪墻，偏向迎水側(cè)，心墻背水側(cè)肩部與現(xiàn)有防浪墻的距離為1.50～2.40 m，平均距離為1.90m，黏土心墻頂高程為99.50～100.56 m，均低于水庫(kù)最高凈水位(校核水位:103.30 m)，心墻頂寬平均為1.50 m，本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)保持防浪墻軸線不變，將心墻斜著向后加高到102.52 m，坡比采用1：10～1.20，上面接防浪墻。

2.2.3 大壩迎水坡、背水坡結(jié)構(gòu)

大壩迎水坡坡比為1:3，大壩上游護(hù)坡原設(shè)計(jì)為干砌石護(hù)坡，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，加上冬季氣溫較低，經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融破壞，上游冰線一帶（97～99.50 m之間）大壩護(hù)坡面變形、松動(dòng)移位，破壞嚴(yán)重。本次設(shè)計(jì)將上游護(hù)坡石拆除，利用拆除的砌石進(jìn)行拋石護(hù)腳，護(hù)腳頂高程定于死水位92.58 m。護(hù)砌形式采用現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡，將92.58 m高程以上原護(hù)坡拆除利用，平整原壩坡，在其上鋪設(shè)400 g/m2土工布，上面填300 mm厚的砂卵石墊層，墊層上部澆筑C20素混凝土板，厚度200 mm。每塊板的平面尺寸為1.50 m×1.50 m，上下相鄰兩排板錯(cuò)縫排列。

大壩背水坡坡比為1:2.50，采用碎石護(hù)坡，碎石厚200 mm。

2.2.4 大壩基礎(chǔ)處理

根據(jù)《黑山水庫(kù)勘察報(bào)告》及現(xiàn)場(chǎng)勘察分析，大壩壩基存在兩處嚴(yán)重的滲漏帶，分別位于樁號(hào)0+000～0+307段和0+630～0+705段，心墻與壩基之間存在一層厚約2.50～3.50 m的碎石透水層,滲漏量較大，直接影響大壩及壩后電站廠房安全。所以對(duì)這兩段壩基做高噴防滲墻,將心墻與壩基之間的碎石透水層隔斷,高噴墻深入基巖和心墻各1.00 m,高噴防滲墻范圍為0+030～0+317和0+620～0+705兩段，布置1排灌漿孔，孔間距1.50 m，孔徑采用110 mm。

高噴防滲墻的具體施工技術(shù)要求：①灌漿孔沿大壩黏土芯墻中心線布置，布置1排灌漿孔，根據(jù)地質(zhì)條件和以往工程施工經(jīng)驗(yàn)初步確定孔距為1.50 m,實(shí)際施工應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果確定，在施工過(guò)程中如有不良地質(zhì)現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加密、加深鉆孔。②鉆孔采用干孔鉆進(jìn)，如遇砂卵石等無(wú)法鉆進(jìn)的地層時(shí)，應(yīng)根據(jù)監(jiān)理和設(shè)計(jì)單位要求，可采用鐵砂鉆或加少量水。③高噴采用擺噴折接擺角30°，夾角25°。④灌漿采用2重管法噴射注漿，灌漿用水泥采用42.50級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比為1:1.50～1:10（其相應(yīng)漿液密度分別為 1.37 g/cm3和，1.50 g/cm3）。⑤為減緩水泥漿液沉淀速度，在硅酸鹽水泥中添加3%水泥重量的膨潤(rùn)土和3%膨潤(rùn)土重量的碳酸鈉，膨潤(rùn)土的細(xì)度應(yīng)為200目。⑥灌漿壓力為32MPa，實(shí)際施工應(yīng)根據(jù)先導(dǎo)孔試驗(yàn)結(jié)果確定，灌漿泵、灌漿管路容許工作壓力應(yīng)大于最大灌漿壓力的1.20倍。高噴防滲墻最小厚度≥12 cm，滲透系數(shù)≤1×10-5cm/s，抗壓強(qiáng)度R28≥4MPa。⑦高噴灌漿應(yīng)全孔自下而上連續(xù)作業(yè)，需中途拆卸噴射管時(shí)，搭接段應(yīng)進(jìn)行復(fù)噴，復(fù)噴長(zhǎng)度≥0.20 m，高噴灌漿因故中斷恢復(fù)施工時(shí)，應(yīng)對(duì)中斷孔段應(yīng)進(jìn)行復(fù)噴，復(fù)噴長(zhǎng)度≥0.50 m。⑧灌漿封孔采用置換和壓力灌漿封孔法，孔口管栽管從下至上，封孔采用導(dǎo)管注漿，導(dǎo)管距孔底0.50 m，漿液采用水泥和黏土混合漿，黏土和水泥用量采用1:1，混合漿液水灰比采用0.50:1，黏土的塑性指數(shù)≥14，粘粒，含量≥25%，含砂量≤5%，有機(jī)物含量≤3%，當(dāng)漿液升至孔口，經(jīng)連續(xù)復(fù)灌3次不再吃漿，漿液表面也沒(méi)有凹陷現(xiàn)象，即可終止灌漿。

3 結(jié)論

水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全意義重大，前期勘察設(shè)計(jì)工作是做好水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的基礎(chǔ)，直接影響著除險(xiǎn)加固工程的質(zhì)量好壞。除險(xiǎn)加固工程不同于新建工程，它比新建工程要復(fù)雜，受限制的條件也比較多，有工程自身?xiàng)l件的限制，也有來(lái)自外部條件的限制，一定要處理好與它們的關(guān)系，否則會(huì)導(dǎo)致加固方案的失敗或無(wú)法實(shí)施。除險(xiǎn)加固的設(shè)計(jì)方案對(duì)工程第一手材料的全面性、真實(shí)性、準(zhǔn)確性要求很高，一定要把工程原有的設(shè)計(jì)條件、設(shè)計(jì)狀況及工程存在的問(wèn)題搞清楚，并認(rèn)真聽取運(yùn)行管理人員的建議，對(duì)產(chǎn)生問(wèn)題的原因進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析，只有把問(wèn)題的關(guān)鍵找準(zhǔn)，才能做出安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的加固方案。