直溝 1#骨干壩除險加固工程問題及措施分析

劉鵬程，朱 健，王緒彬

（1.徐州市南水北調工程管理中心,江蘇 徐州 221200；2.上海千年城市規(guī)劃工程設計股份有限公司淮海設計院,江蘇 宿遷 223800）

1 工程概況

直溝1#骨干壩位于丘陵山區(qū),該溝道內共有4 座骨干壩,自下游往上游依次為直溝1#至4#骨干壩,蘭新高鐵及 G6 國家高速及國道109 線公路從直溝1#骨干壩溝口北部穿行而過,骨干壩為確保溝口段王家口村群眾生產、生活及溝口建筑及交通設施免受溝道內洪水威脅而建,但在其建成后的長期運行中,因資金等原因工程缺少必要的維修養(yǎng)護導致泄水建筑物水工結構老化失修等問題嚴重,已不能正常使用。直溝1#骨干壩始建于2007 年4 月,原工程設計控制面積3.58 km2,主溝長6.6 km,比降4.9%,可淤地面積為3.27 hm2,總庫容為 50.49萬m3,其中淤積庫容為36.25萬m3,防洪庫容為14.24萬m3。目前該壩已運行至今 11年,其已淤積庫容為25.19萬m3,攔沙量為25.19萬m3,剩余庫容為25.30萬m3,已淤地面積為2.27 hm2。目前直溝1#骨干壩由放水建筑物和壩體“兩大件”組成,無溢洪道,該壩自建成至今運行多年從未進行過除險加固,壩體及放水建筑物出現不同程度的安全隱患, 壩體下游有蘭新高鐵及G6 國家高速及國道109 線公路、王家口村和耕地等重要保護對象,因此直溝 1#骨干壩的除險加固工作迫在眉睫。

2 存在的問題及處理方案

通過進一步核實直溝 1#骨干壩病險情況,確定其目前存在以下隱患：

（1）壩體：

1）壩體運行時間年限已接近設計年限,并無增設溢洪道設施,已淤積庫容達原工程設計淤積庫容69.4%,結合壩體下游有重要保護對象,對壩體正常運行有安全隱患；

2）上游壩面壩前淤積處沖刷較為嚴重,約20 m被沖刷掏蝕為2 m高立面,已影響壩坡穩(wěn)定,上游壩面臥管附近壩腳坍塌較為嚴重；上游壩面左岸沖溝2 條,分別長 5 m,深1.5 m,寬0.3 m和長4 m,深0.6 m,寬0.2 m,陷穴共4 處,直徑0.3 m深0.3 m的3 處,直徑0.3 m深0.5 m的1處；

3）上游壩面右岸沖溝4 條,分別長2 m寬0.2 m深 0.7 m,長 5 m寬0.3 m深0.3 m,長 10 m寬0.2 m深 0.5 m和長12 m寬0.5 m深0.2 m。陷穴共11 處,直徑0.7 m深2 m的5 處,直徑0.5 m深2 m的2 處,直徑0.3 m深0.6 m的3 處,直徑1.2 m深1 m的1 處；

4）壩頂路面橫向裂縫2 條,分別為長16 m,寬15 cm,深1.5 m和長5 m,寬10 cm,深 1.0 m。陷穴共6 處,直徑0.7 m,深1.5 m的4 處,深 2.5 m的 2 處；

5）下游壩面左岸橫向沖溝3 條,分別為長1 m,寬0.2 m,深0.2 m和長9 m, 寬0.2 m,深1.5 m另一條長5 m,寬0.1 m,深1 m；下游壩面右岸與壩肩交界處沖溝1 條,長 6 m,寬0.3 m,深0.6 m。陷穴共5 處,直徑0.3 m 深1 m的2 處,直徑0.5 m深1 m的2 處,直徑 0.2 m深0.8 m的1 處；

6）壩面上下游兩岸均無排水設施,兩岸坡面洪水對壩面及放水建筑物沖刷嚴重；壩體下游馬道無縱向排水設施,壩面雨水對馬道沖刷較嚴重。

（2）溢洪道：直溝 1#骨干壩原設計無溢洪道,本骨干壩淤積庫容已超過 50%。

（3）放水管（臥管）：臥管臺階砼腐蝕嚴重,表面部分脫落,左右兩側的邊坡較陡,放水孔部分被粘土掩埋或堵塞,臥管最低處基礎被掏空。

（4）放水明渠：槽身輕度腐蝕,表面混凝土大面積脫落,受坡面雨水沖刷,部分橫向斷裂損壞,損壞長度為10 m；涵管出口下游約15 m 處至放水明渠出口被淤泥填埋,已無法繼續(xù)使用。

圖1 淤地壩現狀問題圖

進一步核實該淤地壩病險情況,經認真分析研究,依據國家現行規(guī)范和標準, 對該水庫工程采取以下工程方案進行除險加固：

（1）壩體：修復壩面沖溝,對壩面沖溝以1:1的邊坡開挖后進行換填,回填土壓實度系數需滿足碾壓土石壩回填土壓實度要求；壩體上、下游壩面兩岸增設縱向排水溝,減輕坡面雨水對上下游壩面的沖刷；下游馬道內側增設橫向排水溝, 減輕壩面雨水對馬道的沖刷破壞；對26 眼壩面陷穴直接采用進行人工封填處理。

（2）泄洪建筑物：增設溢洪道,從而防止出現漫壩的危險,確保下游村莊及道路設施的安全。

（3）放水建筑物：將進口臥管兩側陡坡分兩部分進行削坡,陡坡下部分以1∶0.75 邊坡進行削坡后留1 m寬馬道,上部分以1∶1邊坡進行削坡,掩埋或堵塞的放水孔進行人工清理,放水孔進行表面沖洗后砂漿抹面,保證臥管放水孔暢通； 拆除已損壞段12.7 m出口明渠及消力池并重新修建,其余明渠進行表面沖洗后砂漿抹面。

3 除險加固措施

3.1 溢洪道設計

為不影響已建壩體的整體穩(wěn)定,此次工程選擇岸邊式溢洪道,在現場多次查看地形地貌及方案技術及經濟比較后,選擇將溢洪道布置于直溝1#骨干壩右岸臺地至下游側一處較長溝道內,右岸地勢相對左岸開挖量較小,施工方便,本次設計擬在右岸壩肩布置溢洪道。

直溝1#骨干壩溢洪道布置在壩右岸,采用開敞式正槽溢洪道,不設閘門,溢洪道總長91.60 m,總落差17.3 m,溢洪道由進水渠段、控制段、泄槽段、消能段、出水渠組成,全段采用 C25 F200 W4 鋼筋混凝土現澆結構。溢洪道結構設計如下：

（1）進水渠段（喇叭口段）

進水渠段包括引水喇叭口和進水漸變兩部分,溢洪道K0+005.0前為進水喇叭口段,長5.0 m；首端底板高程為2047.9 m,喇叭口首端寬5 m,經喇叭口漸變?yōu)檫M水渠漸變段,進水渠段側墻高與溢流堰側墻高相同,進水渠段底板厚0.3 m,側墻高2.6 m,厚0.3 m。

（2）控制段（溢流堰段）

溢流堰采用結構簡單、施工方便、對承載能力較差的土基較為適用的寬頂堰, 溢流堰底板與進水渠末端底板同高。溢流堰長4.0 m,堰頂高程為2047.9 m,溢流堰橫斷面采用矩形斷面,溢流堰底寬取3.0 m,底板厚0.3 m,側墻高2.6 m,厚0.3 m。

（3）泄槽段

泄槽段長53.6 m,該段為暗渠,蓋板厚0.2 m,設計比降i=1/3.0,其中泄槽樁號K0+024.0～K0+34.0為泄槽邊墻高度漸變段,邊墻由2.6 m高度漸變?yōu)?.7 m。

（4）消力池結構設計

消力池長9 m,采用底流消能方式,消力池寬度B=3 m,蓋板厚0.2 m,側墻厚0.50 m,底板厚為0.5 m,側墻高為2.3 m,混凝土外表層涂瀝青和鋪設規(guī)格為550 g/m2復合土工膜。

（5）出水渠

出水渠長5.0 m,矩形斷面,底寬3.0 m,底板厚0.3 m,側墻厚0.3 m?；炷镣獗韺油繛r青和鋪設規(guī)格550 g/m2復合土工膜。

根據地勘報告,溢洪道全段基礎底部鋪設0.5 m厚灰土墊層,灰土之上鋪設0.1 m厚 C10 混凝土墊層,方便施工。

3.2 放水建筑物維修

原設計放水建筑物主要由臥管、放水涵管、放水明渠和消力池組成,目前臥管和涵管結構完好可繼續(xù)使用,明渠因水力沖刷、腐蝕等原因損毀嚴重,無法正常排水。

（1）臥管維修

目狀臥管兩側邊坡較陡,臥管大部分放水孔已被兩側陡坡塌陷的泥土堵塞, 本次設計將臥管兩側陡坡上部以1:1邊坡進行削坡下部以1∶0.75邊坡削坡,中間設1 m馬道便于削坡施工,削坡棄土清理到壩上游庫區(qū),臥管坡度陡,開挖困難, 只能采用人工開挖削坡,共計開挖土方 50 m3。掩埋或堵塞的放水孔進行人工清理,放水孔進行表面沖洗后砂漿抹面,保證臥管放水孔暢通。

（2）放水陡槽明渠及消力池維修

原建放水明渠斷面滿足骨干壩汛期排水的需求,本次設計對10 m出口明渠損壞段進行拆除重建,結構尺寸亦沿用原設計,明渠底寬0.8 m,深0.9 m,底厚0.3 m、壁厚0.25 m,采用C25 F200 W4 現澆鋼筋砼結構,渠底比降1/3,為防止腐蝕,混凝土外表層涂一層瀝青和鋪設規(guī)格為550 g/m2復合土工膜,基礎鋪設30 cm厚三七灰土墊層,為了方便施工灰土墊層上鋪設10 cmC10 砼墊層。

原建放水明渠消力池斷面滿足骨干壩汛期排水的需求,本次設計對損壞消力池拆除重建,結構尺寸亦沿用原設計,消力池長2.7 m,底寬0.8 m,深0.8 m,底厚0.4 m,壁厚0.3 m,消力池出口寬度0.8 m。采用C25 F200 W4 現澆鋼筋砼結構,為防止腐蝕,混凝土外表層涂一層瀝青涂料和鋪設規(guī)格為550 g/m2復合土工膜, 基礎鋪設30 cm厚三七灰土墊層,為了方便施工灰土墊層上鋪設10 cmC10 砼墊層[1]。

3.3 排水溝設計

骨干壩原設計上下游坡腳、馬道均無排水溝,導致現狀上下游壩面及建筑物受坡面雨水沖刷嚴重。因此本次除險設計在壩面上下游設置排水溝7 條,總長566 m,其中橫向壩軸線排水溝3 條,長 262 m；縱向壩軸線排水溝4 條,長304 m,通過7 條排水溝將壩面及兩岸坡面雨水排至壩腳以外,防止坡面雨水繼續(xù)沖毀壩面。橫向岸坡排水溝沿兩岸坡腳布置,縱向排水溝沿上、下游馬道內側布置,排水溝采用矩形斷面,采用C20 混凝土現澆結構,底寬30 cm,深30 cm,壁厚 10 cm。

3.4 壩面破損處理

直溝 1#骨干壩建壩11年以來未經任何加固或維修,根據《直溝 1#骨干壩病險認定報告》及現場勘查,直溝1#骨干壩壩面沖溝共計10條,其中上游壩面沖溝6 條,下游壩面沖溝4條。此次加固工程對壩面表面沖溝及壩頂路面2 條裂縫以1∶1的邊坡開挖后進行原土換填,回填土壓實度系數需滿足碾壓土石壩回填土壓實度要求。具體處理措施如下：

（1）沖溝及裂縫的開挖長度應超過沖溝兩段各1.0 m,深度超過沖溝縫隙盡頭1 m,開挖溝槽底部的寬度不得小于1 m,邊坡應滿足穩(wěn)定及新舊填土接合的要求[1], 此次工程采用1∶1邊坡進行開挖成梯形斷面。

（2）溝槽開挖應做好安全防護工作,防止坑槽進水,導致土壤干裂或凍裂,挖出的土料要遠離坑口堆放。

（3）壩體回填應采用原壩體或與其性質相近的填料,并控制回填土料的含水量大于最優(yōu)含水量的1%～2%。

（4）溝槽回填時應逐級削去邊坡臺階,將槽壁灑水浸濕,分層回填夯實,要特別注意坑槽邊角處的夯實質量,干容重要達到原壩體設計要求,回填土的壓實系數不得小于0.97[2]。

（5）沖溝處理一般應在低水位時進行,冬季應防止填土凍土及土料凍結,夏季應防止土壤暴曬干裂,雨季應防止雨水流入溝槽。

（6）根據現場勘查直溝1#骨干壩壩坡人工植被較好,整體坡面平整穩(wěn)定,偶見陷穴,共計26 眼,深度不大,洞口直徑在0.3 m以下,對壩體影響不大。此次加固工程對陷穴進行1∶1的邊坡開挖至完整層以下1.0 m后原土換填,回填土壓實度系數需滿足碾壓土石壩回填土壓實度要求,開挖和回填方法跟沖溝處理方法相同。

4 結論及建議

在分析直溝 1#骨干壩目前存在的病險安全隱患的前提下,對直溝 1#骨干壩進行除險加固并采取了除險加固措施。此次除險加固工程的實施,有效地保護壩體下游峰堆鄉(xiāng)王家口村總人口及耕地,以及溝口縣、鄉(xiāng)公路鐵路,保護了壩體下游人民群眾生命、財產安全,確保下游地區(qū)的社會經濟的發(fā)展,村民免受直溝 1#洪水的威脅。