察爾森水庫除險加固工程設計要點

劉 濤，呂君卓，金 輝，宋立民

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021)

1 工程概況

察爾森水庫位于嫩江支流洮兒河中游、內(nèi)蒙古自治區(qū)科右前旗境內(nèi)，是一座綜合利用的大（1）型水庫，也是洮兒河干流上唯一一座控制性骨干工程。水庫正常蓄水位為365.40 m，設計洪水位366.40 m，校核洪水位367.61 m，水庫總庫容12.53×108m3。設計灌溉面積66460 hm2，多年平均發(fā)電量2664×104kW·h。水庫下游防洪標準為20年一遇洪水標準。

水庫樞紐由壤土心墻砂礫石壩、溢洪道、泄洪洞和電站組成。心墻頂高程為369.00 m，壩頂高程為371.50 m，最大壩高為40.0 m，壩頂寬為6.0 m，壩頂長為1712 m，防浪墻頂高程為372.50 m。上游壩坡坡比為1∶2.5和1∶2.75，邊坡點高程為354.50 m，采用塊石護坡；下游壩坡坡比為1∶2.0和1∶2.5，采用砌石網(wǎng)格砂礫石護坡，在高程354.50 m處設有2.0 m寬馬道。岸邊陡槽式溢洪道，位于大壩左側，現(xiàn)狀設4孔9 m×9 m弧形鋼閘門（加固后為3孔），堰頂高程353.00 m，最大泄量3531 m3/s。泄洪洞位于大壩右側，采用二洞合一的布置方式。主洞灌溉、泄洪，支洞發(fā)電輸水。主洞為圓形有壓隧洞，長度392 m，內(nèi)徑分為6.0 m和6.7 m。最大泄量326 m3/s。

水庫于1971年9月開始設計，1989年9月下閘蓄水，1990年主體工程基本完工，1996年9月通過了國家初步竣工驗收。2011年5月完成大壩安全鑒定論證報告，于2011年6月22日通過審查，并將察爾森水庫定性為三類壩。2011年7月15日，《關于察爾森水庫三類壩安全鑒定成果的核查意見》同意察爾森水庫為三類壩鑒定結論意見，需要進行加固處理。

2 水庫建筑物存在的主要問題

1）大壩工程：大壩壩頂防浪墻裂縫嚴重，壩頂路面龜裂、高低不平；上游護坡極不平整，起伏差不滿足規(guī)范要求，下游壩坡砌石網(wǎng)格砂礫石護坡破損嚴重，局部斷面缺失；大壩壩基滲漏嚴重，存在滲流穩(wěn)定問題，滲流安全不滿足要求。

2）溢洪道工程：進水渠入口上游岸坡局部塌岸嚴重；進水渠首部噴混凝土剝蝕、脫落嚴重，翼墻破損、剝蝕嚴重，局部鋼筋裸露，相鄰段錯位；溢流面和閘墩混凝土老化嚴重，存在龜裂、碳化、剝蝕、脫落等現(xiàn)象，溢流面抗沖刷能力不足，閘墩存在裂縫，牛腿附近抗裂計算不滿足規(guī)范要求，邊墩側向抗傾安全系數(shù)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；陡槽段邊墻和底板混凝土裂縫較多，剝蝕嚴重；溢洪道混凝土抗凍指標不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3）泄洪洞工程：泄洪洞進口左岸近壩岸坡及進口閘室后山坡存在穩(wěn)定問題，進口落石堆積嚴重，攔污柵已無法正常啟閉；泄洪洞進口啟閉機室梁、板等多處存在裂縫，不滿足結構承載力要求；泄洪洞洞身及出口段混凝土存在老化、碳化、剝落現(xiàn)象。

3 大壩加固

3.1 大壩基礎防滲處理加固

根據(jù)安全鑒定結論，大壩壩基滲漏嚴重，存在滲流穩(wěn)定問題，滲流安全不滿足要求。根據(jù)地質資料，大壩基礎水平防滲層滲透系數(shù)偏大，滲透系數(shù)平均值為1×10-4cm/s，且滲透系數(shù)離散性大，覆蓋層厚度不均一。壩基土體的可灌性根據(jù)顆粒分配曲線分析，壩基范圍內(nèi)分布的各層土，級配不良礫可灌性較好，含細粒土礫不適宜常規(guī)灌漿，粘土質礫不適宜常規(guī)灌漿。由此可看出，含細粒土礫與粘土質礫層均不可灌漿。

因此，大壩基礎處理選定對地基適應性較強，施工技術成熟，成墻質量保證率較高，防滲性能和效果可靠的混凝土防滲墻型式?，F(xiàn)狀大壩壩基各土層的滲透比降應小于允許比降，盡量減小壩基滲流量，節(jié)省投資為原則，結合滲流計算成果進行了局部加固處理。

該方案僅對不滿足滲透穩(wěn)定部位的基礎進行了加固處理。大壩基礎防滲處理范圍為0+150.00～0+815.00 m和1+222.00～1+470.00 m兩段，總長913 m，采用混凝土防滲墻。防滲墻中心線距壩軸線以下1.0 m，防滲墻厚度為0.6 m，防滲墻頂部插入壤土心墻不小于4.0 m。防滲墻底部深入弱風化巖0.5 m，防滲墻最大深度為27 m。根據(jù)滲流計算，在0+150.00～0+430.00 m部位結合防滲墻進行帷幕灌漿，灌漿深度為20 m，間距2.0 m。

3.2 上游護坡加固

將高程367.00～371.50 m上游護坡不平整部位局部拆除后重新進行防護，施工過程中對坡面上的內(nèi)部觀測孔及滲流監(jiān)測設施等應采取臨時保護措施，以免遭到破壞。防護型式根據(jù)工程實際運行情況，考慮與原護坡結構的連接，采用漿砌石護坡，坡比為1∶2.5，漿砌石厚度為40 cm，其下為15 cm厚的砂礫石墊層。

3.3 下游護坡加固

將坡面上現(xiàn)有砌石網(wǎng)格梁拆除后重新修筑漿砌石網(wǎng)格梁，間距仍采用3 m，斷面為30 cm×30 cm（寬×高）。壩頂至高程354.50 m之間壩坡為1:2.0，在高程354.50 m馬道，內(nèi)設40 cm×30 cm（寬×高）的混凝土縱向排水溝；高程354.50～337.00 m之間壩坡為1∶2.5；在高程337.00 m馬道，內(nèi)設40 cm×30 cm（寬×高）的混凝土排水溝，337.00 m以下壩坡為1∶3.0。沿壩軸線每50 m設一道30 cm寬的混凝土橫向排水溝，與壩腳及每層馬道排水溝相連，縱向排水溝平行壩軸線。沿下游壩坡共設4條寬2.0 m的上壩踏步，在有監(jiān)測點部位設寬2.0 m的踏步，均采用混凝土結構。

3.4 壩頂結構加固

原瀝青混凝土路面全部拆除，重新鋪設瀝青混凝土路面。對大壩防滲墻部位進行處理，考慮到大壩基礎混凝土防滲墻施工需要形成不小于11 m寬的施工平臺，此次設計將壩頂路面挖至370.00 m高程，然后將開挖料直接填至下游壩坡，頂寬3.2 m，邊坡為1∶1.5，待基礎防滲墻施工結束后再將壩坡處的填筑料挖除，同時將壩頂370.00 m高程以下挖除30（50）cm，然后再重新填筑至壩頂371.50 m高程。

壩頂下游側采用混凝土路緣石，斷面為20 cm×50 cm。在路緣石每隔50 m預留排水溝，將壩頂積水排至下游排水溝內(nèi)。

4 溢洪道加固

溢洪道為岸坡開敞式溢洪道，溢洪道全長270 m。由進水渠、控制段、泄槽段、挑流鼻坎段、出水渠等組成，現(xiàn)狀溢洪道控制段溢流總凈寬為36.0 m，長28.0 m。溢洪道4孔，單孔凈寬9.0 m，中墩厚度均為2.0 m，邊墩為衡重式擋墻結構。由于閘墩牛腿附近抗裂計算和扇形鋼筋承載力不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，所以，此次加固設計需要對閘墩進行加固處理。

現(xiàn)狀溢洪道閘墩中墩厚度為2 m，比較單薄，不宜采用開挖后再貼混凝土的加固處理方式。如果采用鑿毛后再貼50 cm厚混凝土處理，勢必將減少溢流孔凈寬（現(xiàn)狀4孔，單孔寬9 m），使溢洪道的泄流能力降低，不能滿足泄流要求。因此此次加固設計將原中墩全部拆除重建，邊墩為滿足牛腿布置局部拆除。根據(jù)現(xiàn)狀堰體布置保證溢流道總凈寬36.0 m不變。

1）進水渠：底高程 351.00 m，全長 115 m，閘前寬41 m，進口處寬85 m。原底板拆除后重新采用混凝土襯砌，厚度為50 cm。導流墻為衡重式擋墻，將兩側導墻混凝土進行鑿毛，然后噴涂混凝土界面粘結劑，再重新澆筑50 cm厚的貼面混凝土，墻高不變，導墻表部設有構造鋼筋網(wǎng)和化學植筋。

2）控制段：溢流前緣總寬為41 m，總長35 m，溢流堰孔口共分3孔，每孔凈寬12 m。閘墩長度根據(jù)閘門布置需要加長7 m，因此需將拆除泄槽段起始段（包括底板和邊墻）以便邊墩布置。將原3個中墩拆除后重新修筑兩個中墩，厚度均為2.5 m。2個邊墩為布置牛腿附近扇形鋼筋的需要將359.00 m高程以上部位拆除重建至371.50 m高程，359.00 m高程以下部分邊墩先進行鑿毛，然后噴涂混凝土界面粘結劑，再重新澆筑50 cm厚的貼面混凝土，邊墩表部設有構造鋼筋網(wǎng)和化學植筋。

溢流堰頂高程為353.00 m，堰型仍采用駝峰堰，上游堰高2 m，下游堰高3 m。在挖除中墩部位堰體混凝土后其余部位堰體均采用局部加固處理。即將堰體表面先挖除20 cm，然后噴涂混凝土界面粘結劑，再重新澆筑20 cm混凝土。閘墩上部設有交通橋、工作橋、液壓啟閉機及啟閉機室等。

3）泄槽段：泄槽段起點高程為349.42 m，底坡1∶9，長100 m。其中0+063.00 m樁號以前13 m為新建段，該樁號以后87 m為加固段。

泄槽0+050.00～0+063.00 m新建范圍內(nèi)混凝土底板厚度為0.6 m，底板表部設有構造鋼筋網(wǎng)及錨筋。泄槽0+063.00～0+150.00 m屬于加固段，將現(xiàn)狀底板和邊墻進行鑿毛，然后噴涂混凝土界面粘結劑，再分別重新澆筑25 cm和35 cm厚的混凝土，底板、邊墻表部均有設有構造鋼筋網(wǎng)、錨筋和化學植筋。加固后的泄槽寬為41.4 m。

5 泄洪洞加固

1）進水口清淤

察爾森水庫泄洪洞進水口由于庫岸巖塊掉落阻塞，攔污柵不能正常起吊檢修，此次處理設計對進水口淤積進行清理。

2）進水口啟閉機室拆除及重建

將進水口檢修高程369.50 m以上結構全部拆除，按照更新后的金屬結構設計及其啟閉設備選型，重新進行泄洪洞進水口結構布置設計。

檢修平臺室結構尺寸為13.8 m×12.6 m×8.0 m（長×寬×高），長度（水流方向）較原啟閉機排架擴大2.1 m，寬度及高度方向與原結構尺寸一致。由于攔污柵啟閉時，啟閉機室受較大側向力作用，原排架結構承載力不足，發(fā)生震動破壞。此次加固設計，將原排架結構檢修平臺室改為剪力墻結構，墻體厚70 cm。啟閉機室結構尺寸為13.8 m×12.6 m×4.5 m（長×寬×高），長度（水流方向）較原啟閉機排架擴大2.1m，寬度及高度方向與原結構尺寸一致，墻體厚40 cm，啟閉機室結構凈尺寸滿足啟閉機運行要求。

3）進水口近壩岸坡加固

考慮到邊坡頂部進水口公路已經(jīng)形成，在保證公路安全的情況下，對現(xiàn)狀干砌石護坡段的下部塊石層先進行水泥砂漿灌注，并設φ100 mm排水孔。然后再將坡面開挖至塊石層以下0.5 m，再重新鋪設漿砌石護面，在漿砌石內(nèi)布設φ80 mm軟式排水管，與排水孔相連接。由于水庫近年來最低水位高程多為350.00 m左右，為避免放空水庫，將漿砌石護坡分兩期施工，待庫水位低于350.00 m時再行施工二期。為保證一期漿砌石護坡的穩(wěn)定，在356.00 m高程采用3φ22錨筋束固坡，間排距均為3 m。對靠近進水口的巖石邊坡清坡處理后，采用混凝土板防護，混凝土厚度50 cm，并設錨筋和排水系統(tǒng)。

泄洪洞進水口右側45 m岸坡以外延長防護30 m，清坡處理后采用噴錨支護，厚度為15 cm，并設錨筋和排水系統(tǒng)。

4）洞身加固

此次加固設計挖除原噴混凝土襯砌段剝蝕破壞部位及底拱澆筑混凝土，新建鋼筋混凝土襯砌，斷面型式為圓形，底拱局部最小襯砌厚度為30 cm，最大局部襯砌厚度為50 cm，襯砌后內(nèi)徑為6.0 m，保持內(nèi)徑與原鋼筋混凝土襯砌一致，平順連接?；炷烈r砌段頂拱135°范圍內(nèi)進行回填灌漿。

對現(xiàn)狀鋼筋混凝土襯砌段局部破損部位采取鑿除混凝土，噴涂混凝土粘結劑，然后回填混凝土的方式進行處理，鑿除深度30 cm。