關(guān)于淄川區(qū)土泉水庫除險加固的研究

李洪蕊，張曉敏

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 工程概況

土泉水庫位于淄博市淄川區(qū)太河鎮(zhèn)土泉村，屬淄河流域，壩址以上控制流域面積22.8km2，總庫容20.19萬m3，是一座以防洪、灌溉為主的小(2)型水庫。水庫地理位置十分重要，保護(hù)著下游土泉村、柳花村、峨莊村的安全，對削減洪峰、減輕下游防洪壓力發(fā)揮較大作用，同時在灌溉方面效益明顯。

土泉水庫樞紐主要由大壩、溢洪道、放水洞等三部分組成，始建于1958年10月，1962年竣工。由于受工程建設(shè)時期歷史條件的限制，該工程修建時無地質(zhì)勘察及設(shè)計資料，存在一定的先天不足，自工程竣工后就經(jīng)過了多次除險加固。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)及《水利水電工程等級洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2017)，水庫樞紐工程屬Ⅴ等，大壩、溢洪道、放水洞等建筑物級別為5級，洪水標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇洪水設(shè)計，200a一遇洪水校核[1-2]。

土泉水庫始建于1958年10月，1962年竣工。水庫樞紐主要由大壩、溢洪道、放水洞三部分組成。土泉水庫大壩為漿砌石重力壩，下游壩坡為直墻加斜坡式，直墻段高2.0m，下坡段坡比為1∶0.65。下游壩坡末端設(shè)有長8.6m的消力池，池底高程380.44m，池深0.64m，漿砌石消力池尾坎與下游河底高程378.0m高差約2.44m，下游河底沖坑無防沖防護(hù)措施。

受工程建設(shè)時期歷史條件的限制，工程存在一定的先天不足，自工程竣工后就經(jīng)過了多次除險加固，歷次主要加固項目有：

1966年7月14日夜間兩點(diǎn)，暴雨成災(zāi)，洪水沖開壩體一個缺口，1967年修復(fù)。同時在壩體下游新建消力池，寬70m，長10m。

2005年4月，完成了《土泉水庫應(yīng)急加固方案》，主要工程內(nèi)容為對壩體滲漏嚴(yán)重段進(jìn)行灌漿防滲處理，包括東部壩端二次加高結(jié)合處30余m和壩西部20m滲漏嚴(yán)重段。

2008年5月，完成《土泉水庫除險加固方案》。加固主要內(nèi)容包括：①壩體灌漿防滲；②壩面剔縫勾縫；③溢洪道底部整修護(hù)砌，兩側(cè)導(dǎo)流墻加高；④更換放水洞閘閥。

2017年8月，完成《淄川區(qū)水庫除險加固工程初步設(shè)計報告》(報批稿)。除險加固主要內(nèi)容包括：①大壩樁號0+064-0+107段壩體充填灌漿和壩基帷幕灌漿；②大壩下游壩面剔縫勾縫；③壩頂設(shè)太陽能路燈及壩坡處設(shè)安全警示標(biāo)志等附屬工程。

受第9號臺風(fēng)“利奇馬”影響，2019年8月12日，淄川區(qū)遭受歷史罕見的大暴雨，發(fā)生嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，造成巨大的財產(chǎn)損失。其中，淄川區(qū)峨莊支流水庫、塘壩受創(chuàng)嚴(yán)重，威脅周邊及下游居民的生命財產(chǎn)安全。

2 除險加固的原因

土泉水庫建成運(yùn)用至今均已超過50a，由于受工程建設(shè)時期歷史條件的限制，該工程修建時無地質(zhì)勘察及設(shè)計資料，存在一定的先天不足，經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，工程老化問題突出。

受第9號臺風(fēng)“利奇馬”影響，2019年8月12日，淄川區(qū)遭受歷史罕見的大暴雨，發(fā)生嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。土泉水庫損壞嚴(yán)重，威脅周邊及下游居民的生命財產(chǎn)安全。

2019年9月，對土泉水庫安全狀態(tài)進(jìn)行鑒定和評價，為下一步開展除險加固工作提供依據(jù)。根據(jù)《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》(SL258-2017)，評定大壩安全類別為“三類壩”。

土泉水庫存在的問題如下：

1)大壩下游壩坡砌體抗沖刷能力不滿足要求，下游壩坡沖刷破壞嚴(yán)重。直墻以下段大塊砌體分層脫落，甚至局部坡腳出現(xiàn)淘刷大洞，砌體落入下游消力池內(nèi)。未損壞部位，砌石勾縫處砂漿有脫落，表面長有零星雜草。從脫落位置可以看出，壩體由表層料石和不規(guī)則塊石多層砌筑而成，中間夾有一層復(fù)合土工膜，脫落部分多處有水滲出。

2)過壩水流未能在消力池內(nèi)形成完整水躍，消能不完全，對池后河底沖刷嚴(yán)重。

消力池下游現(xiàn)狀消力池內(nèi)有水，漿砌石消力池尾坎砌體完整，無明顯裂縫，砌筑上下層接縫處砂漿脫落，有滲水現(xiàn)象。消力池下游河道沖坑內(nèi)有積水，無防沖防護(hù)措施。

3)壩頂兩側(cè)設(shè)有鐵欄桿柱，中間鐵鏈相連，出現(xiàn)銹蝕情況。

3 問題原因分析

為判斷不同水流跌落位置以及對下游壩坡面產(chǎn)生的危害程度，下面選取不同流量進(jìn)行復(fù)核計算。當(dāng)Q=7m3/s、Q=33m3/s、Q=75m3/s、Q=131m3/s、Q=488.33m3/s(20a設(shè)計下泄流量)時，水流跌落位置及流速分布如圖1所示。

圖1 不同流量下壩頂水流跌落位置及跌落流速分布

由計算可知，當(dāng)Q=131 m3/s時，水流跌落至下游壩坡坡腳；Q=488.33 m3/s時，水流跌落至壩下游消力池內(nèi)。

據(jù)調(diào)查，汛期洪水超壩頂1m多，接近20a一遇設(shè)計?，F(xiàn)狀下游壩坡自直墻段以下壩面已被沖壞，現(xiàn)場調(diào)查與計算相吻合。同時由不同流量計算結(jié)果可以看出，當(dāng)Q=7m3/s時，水流跌落至下游壩坡，距離壩頂豎向距離約3.29m，水流流速為8.2m/s，已遠(yuǎn)超漿砌石坡面的抗沖流速3.5-5.5m/s。當(dāng)Q=131 m3/s時，跌落處流速高達(dá)12.41m/s，對下游砌石壩面的破壞程度很大。而大于設(shè)計下泄流量的洪水，均跌落至壩下消力池內(nèi)，但未能在消力池內(nèi)形成完整水躍，消能不完全，對池后河底沖刷嚴(yán)重，建議采取防沖措施。

4 除險加固設(shè)計

4.1 下游壩坡加固設(shè)計

土泉水庫大壩防滲心墻為亂石砌筑，砌筑質(zhì)量較差，壩肩存在局部滲漏現(xiàn)象。下游壩坡水毀嚴(yán)重，砌體大范圍脫落。大壩下游壩坡砌體抗沖刷能力不滿足要求，破壞嚴(yán)重。為解決下游壩坡抗沖刷能力不足的問題，設(shè)計拆除壩體下游壩坡至新鮮砌石，將新鮮砌石表面鑿毛，采用40cm厚C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土板。壩坡內(nèi)設(shè)排水管，防止?jié){砌石老壩體滲水?；炷涟迮c壩體砌石之間用φ20的錨筋相接，錨筋排布間距為1m×1m。在新建混凝土壩坡底部設(shè)混凝土壓腳。重建后的下游壩坡型式見圖2。

4.2 下游防沖槽設(shè)計

經(jīng)計算，設(shè)計工況下所需消力池長度為12.73m。設(shè)計工況下計算消力池長度大于實(shí)際消力池長度，完整水躍不能在消力池內(nèi)完成，消能效果較差，因此對消力池下游河道沖刷較嚴(yán)重，下游河道需采取相應(yīng)措施進(jìn)行防沖防護(hù)。在消力池下游沖坑部分新建防沖槽，長4m，深2m，防沖槽內(nèi)底部1m深放置石塊，可將沖落消力池的亂石重新利用，避免浪費(fèi)；頂部1m深度范圍內(nèi)放置格賓石籠，避免被洪水沖走。防沖槽型式見圖2。

圖2 下游壩坡重建圖

4.3 壩頂欄桿設(shè)計

土泉水庫為漿砌石溢流重力壩，壩頂為混凝土路面，兩側(cè)設(shè)有鐵鏈相連的鐵欄桿柱。經(jīng)過長年運(yùn)行，欄桿已出現(xiàn)銹蝕。本工程設(shè)計僅對欄桿進(jìn)行除銹處理。該欄桿型式合理，造價低，遇洪水時，上游沖過來的垃圾可輕易通過鎖鏈，避免垃圾堆積于壩頂而對大壩造成更大的破壞。設(shè)計合理，造價低，充分體現(xiàn)了勞動人民的智慧。

5 結(jié) 語

土泉水庫的除險加固設(shè)計，對當(dāng)?shù)厝嗣裼兄匾淖饔谩Ｏ抻跉v史條件，當(dāng)?shù)卦S多小型塘壩原始資料不足，經(jīng)費(fèi)有限，在不影響塘壩安全的前提下，節(jié)省成本，消除隱患問題，恢復(fù)水庫和塘壩應(yīng)有的功能，，確保工程安全和正常使用。并為其它水庫塘壩，文章從塘壩的加固設(shè)計等方面，總結(jié)了土泉水庫加固設(shè)計設(shè)計的經(jīng)驗，為今后其他類似工程的設(shè)計提供參考。