東榆林水庫除險(xiǎn)加固措施簡述

翟王娟

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

東榆林水庫位于桑干河干流上游，地處朔州市朔城區(qū)大夫莊鄉(xiāng)東榆林村，是一座以灌溉為主，兼顧防洪的中型水庫，水庫控制流域面積3430 km2，總庫容6500萬m3。水庫樞紐建筑物由主壩、副壩、泄洪閘、灌溉涵洞組成。

主、副壩為均質(zhì)碾壓土壩。主壩長1135 m，最大壩高15.5 m，壩基設(shè)有高噴板墻防滲，上游壩坡設(shè)復(fù)合土工膜防滲。在主壩樁號1+135處接副壩，副壩長8766 m，最大壩高8.5 m，副壩0+000—4+500壩段壩基設(shè)有高噴板墻防滲，上游壩坡0+000—4+430設(shè)復(fù)合土工膜防滲。副壩0+000—3+800壩段下游坡腳設(shè)有無砂混凝土排滲暗管，其中樁號0+956—3+800暗管滲水排入地表明渠，0+000—0+950暗管滲水排入主壩下游低凹區(qū)。

泄洪閘位于主壩0+231.56—0+282.76段，最大泄量2811 m3/s。

灌溉涵洞位于副壩0+956處，最大流量1.5 m3/s。涵洞由進(jìn)水塔、壩下埋涵、出水池組成。進(jìn)水塔進(jìn)口底板高程1030.0 m，塔筒頂部高程1044.0 m。塔筒在高程1037.5 m以下，順?biāo)鞣较蜷L7.7 m，垂直水流方向?qū)?.6 m，在高程1037.5 m以上，順?biāo)鞣较蜷L度不變，垂直水流方向?qū)挾仁湛s為4.6 m。埋涵為鋼筋混凝土矩形無壓洞，長55 m，凈寬1.2 m，凈高4.3 m，壁厚0.5 m。

2 存在問題

灌溉涵洞的進(jìn)水塔塔身混凝土凍融剝蝕嚴(yán)重，在高程1037.5 m和塔身平面尺寸突變處，由于應(yīng)力集中，出現(xiàn)較深的水平裂縫，部分側(cè)墻已經(jīng)貫通，塔筒的整體性受到破壞，有發(fā)生倒塌的危險(xiǎn)。

主壩下游壩腳處大面積積水，沼澤化嚴(yán)重；副壩0+000—0+950下游排水管沿線植有樹木，樹木根系長入排水管內(nèi)，使得排水管堵塞嚴(yán)重，造成壩后排水不暢，致使該段部分壩腳下游出現(xiàn)積水。

3 加固方案

3.1 進(jìn)水塔加固方案

對校核洪水位1041.2 m至高程1038.25 m，以及1037.5 m以下塔體做修補(bǔ)處理；對塔筒高程1037.5 m處的水平裂縫進(jìn)行灌漿處理，并采用外包16 mm厚的鋼板進(jìn)行加固。

3.1.1 修補(bǔ)材料選擇

用于混凝土修補(bǔ)的材料主要有硅灰早強(qiáng)混凝土、普通硅酸鹽水泥修補(bǔ)砂漿、鋼纖維水泥砂漿等無機(jī)類修補(bǔ)材料。這些材料成本低，施工方便，與混凝土有較好的性能相容性，常用于一般工程的修補(bǔ)。但修補(bǔ)材料與基底混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度不太牢固，抗凍性能較差，修補(bǔ)層容易出現(xiàn)空鼓、龜裂、脫落現(xiàn)象，可導(dǎo)致修補(bǔ)失敗。

20世紀(jì)六七十年代，環(huán)氧砂漿以其抗壓強(qiáng)度高、與基底混凝土粘結(jié)性強(qiáng)等特點(diǎn)被大量用于水工混凝土的修補(bǔ)。但經(jīng)長期運(yùn)用發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧砂漿具有以下缺點(diǎn)：一是部分材料有毒，危害人體健康并污染環(huán)境；二是收縮率大，與基底混凝土的線膨脹系數(shù)相差較大，致使環(huán)氧砂漿常常開裂，與基底混凝土之間脫空，影響環(huán)氧砂漿的使用壽命；三是在紫外線照射下，環(huán)氧砂漿易變老變脆。

改性環(huán)氧砂漿通過對環(huán)氧樹脂和固化劑的改性，彌補(bǔ)了環(huán)氧砂漿的缺陷。改性環(huán)氧砂漿選用新工藝合成的低黏度、柔韌性的改性環(huán)氧樹脂，使固化物不僅具有良好的粘結(jié)性能、耐化學(xué)介質(zhì)性能，而且還具有高韌性和高延伸率。改性后的固化劑不僅無毒、環(huán)境友好，而且使得環(huán)氧樹脂固化的初凝時(shí)間長，固化后的體系反應(yīng)熱低、砂漿的熱變形溫度高，可有效降低溫度內(nèi)應(yīng)力，避免在固化過程中產(chǎn)生細(xì)微裂縫。因此進(jìn)水塔的修補(bǔ)材料選用改性環(huán)氧砂漿。

3.1.2 修補(bǔ)過程

首先鑿除塔體表面凍融剝蝕層至新鮮混凝土面，并用高壓水槍清洗干凈。其次對高程1041.2～1038.25 m以及1037.5 m以下塔體用改性環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。為增加改性環(huán)氧砂漿修補(bǔ)層與原混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，在干凈的混凝土基面涂刷環(huán)氧基液，涂刷力求薄而均勻，使膠液盡可能深入老混凝土基面，以形成混凝土—界面—環(huán)氧砂漿的復(fù)合體。待底膠初凝時(shí)，涂抹改性環(huán)氧砂漿，涂抹時(shí)盡可能壓實(shí)改性環(huán)氧砂漿，使修補(bǔ)層同底涂層緊密結(jié)合，避免出現(xiàn)空鼓。改性環(huán)氧砂漿抹面厚3 cm。最后對塔筒高程1037.5 m處水平裂縫進(jìn)行處理。清除縫中污物、石屑、松動(dòng)的石子等，并沖洗干凈，再對裂縫進(jìn)行灌漿處理，灌漿材料采用環(huán)氧樹脂漿液。

為增加塔筒的整體性，在塔體裂縫處焊接圍包16 mm厚的鋼板筒箍進(jìn)行加固，鋼板寬1.5 m，裂縫上下各寬0.75 m。鋼板下部設(shè)支撐角鋼，鋼板和塔筒接觸面采用高韌性、高延伸率、耐潮濕、耐老化、粘結(jié)度強(qiáng)的改性環(huán)氧樹脂進(jìn)行接觸灌漿。鋼板加固前，用C30F200混凝土將裂縫上下1.5 m范圍內(nèi)的塔筒表面找平，以便為鋼板提供平整的基面，并在混凝土表層配置直徑12 mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距200 mm。

3.2 大壩下游沼澤化問題處理

3.2.1 沼澤化原因分析

一是主壩段位于古河道處，壩基雖做了高噴防滲板墻，但滲漏量仍然比較大；二是主壩下游壩腳處未設(shè)導(dǎo)滲排水系統(tǒng)；副壩樁號0+000—0+950壩段的滲水通過排滲管排入主壩區(qū)；三是主壩壩后地勢低凹，四周排水不暢，致使主、副壩段滲水和四周匯集的雨水無路可排。以上原因最終導(dǎo)致壩后低凹地帶形成沼澤地。

副壩壩腳下游積水是由于排滲管堵塞，排水不暢所致。

3.2.2 解決方案

主壩下游沿壩腳設(shè)置導(dǎo)滲排水體，更換副壩0+000—0+950壩后排滲暗管，將主、副壩排滲系統(tǒng)連通，由設(shè)置在主壩后部的排滲總管排入下游河道。

壩體滲流量計(jì)算采用北京理正軟件開發(fā)公司編制的《理正巖土計(jì)算—滲流計(jì)算》軟件，經(jīng)計(jì)算：主壩段最大排水流量為0.08 m3/s，副壩段最大排水流量為0.06 m3/s。

排水體考慮在無砂混凝土管和堆石體中選擇。

若設(shè)計(jì)采用堆石排水體，堆石體中孔隙水流的平均流速采用維爾金斯（Wilkins）公式估計(jì)：

式中：V——孔隙水流的平均流速，cm/s；

R——堆石孔隙的平均水力半徑，2.44 cm；

C——綜合性形狀系數(shù)，50.8；

i——管道設(shè)計(jì)縱坡，0.00146。

計(jì)算得V=2.34 cm/s。考慮堆石暗管30%的孔隙率，若要滿足主壩段流量0.08 m3/s的要求，則需要11.4 m2的過水?dāng)嗝妫粷M足副壩段流量0.06 m3/s的要求，則需要8.5 m2的過水?dāng)嗝妗?/p>

通過上述計(jì)算可知堆石排水體斷面尺寸過大，設(shè)計(jì)不合理。

若設(shè)計(jì)采用無沙混凝管，管徑計(jì)算采用明流計(jì)算公式：

式中：Q——設(shè)計(jì)流量，m3/s；

W——過水?dāng)嗝娣e，m2；

R——水力半徑，m；

C——謝才系數(shù)；

n——糙率，0.025；

i——管道設(shè)計(jì)縱坡。

計(jì)算得當(dāng)主壩段排水管徑為660 mm，管中最大水深為0.36 m；副壩段排水管管徑為600 mm，管中最大水深為0.32 m。

由計(jì)算可知，選用無砂混凝土管比較合理，無砂混凝土管施工簡單，費(fèi)用低，而且從副壩段運(yùn)行多年的無砂管來看，排水效果良好。因此壩后排水采用無砂混凝土排水管。

無砂混凝土管鋪設(shè)時(shí)，主壩段無砂混凝土排滲管管徑為660 mm，副壩為600 mm。排滲管管頂?shù)孛嬉韵侣裆?～3.0 m，鋪設(shè)在卵石混合土層，該層具有中等強(qiáng)透水性，在地面以下埋深0～2 m，厚3～5 m。為避免在施工過程中破壞壩腳穩(wěn)定，靠壩腳一側(cè)的管床開挖邊線距離壩腳至少2 m。

在無砂混凝土管外包兩層反濾料，以增大排滲管匯水面積和過濾壩基中的細(xì)粒土，反濾層從外到內(nèi)依次為：第一層厚0.3 m，粒徑0.5～10 mm，第二層厚0.3 m，粒徑5～15 mm。副壩排滲管與主壩排滲管在主壩樁號1+135（副壩0+000）處連通，由主壩排滲管將主、副壩滲水在主壩樁號0+500處導(dǎo)入排滲總管，排滲總管將滲水排入下游河道。

在主壩低凹區(qū)壩段設(shè)置貼坡排水，貼坡排水高出原地面2.1 m，底部與排滲管連接，將壩體滲水導(dǎo)入排滲管中。排水體四周用反濾層包裹，從外到內(nèi)依次為：第一層厚0.4 m，粒徑0.5～10 mm，第二層厚0.4 m，粒徑5～15 mm，最內(nèi)層為0.5 m厚的干砌石。

為防止貼坡排水體在冬天結(jié)冰影響排水，排水體上覆土層厚度不小于凍土深度1.1～1.3 m。

沿排滲暗管每100 m設(shè)觀測井一座，以觀測壩基滲水情況。觀測井內(nèi)徑1.2 m，采用砌磚結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

除險(xiǎn)加固工程完成后，消除了東榆林水庫的安全隱患，保證了下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。