水库除险加固设计探析

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摘要：芒勇水库大坝为两期建成的浆砌石单曲拱坝，因建成时期技术落后，存在不同程度的安全隐患。为了消除水库病害，针对水库大坝存在的险情，设计采取增加坝顶防浪墙、对左岸进行帷幕灌浆、更换闸门及启闭机等除险加固技术方案处理水库大坝存在的问题。经实施效果评价，设计技术方案合理，达到除险加固目的。

关键词：除险加固设计;技术方案

1.工程简况

芒勇水库位于贵州省三都县境内，属珠江流域柳江水系打狗河上游支流河段，坝址以上集雨面积86.2km2，是一座以农田灌溉为主，兼顾农村人饮任务的综合利用水利工程。水库总库容2049万m3，灌溉面积4.47万m3，工程规模为中型。水库始建于1978年，1979年停建。1989年复建，1995年建成蓄水。挡水大坝为浆砌石单曲拱坝，最大坝高32.0m，坝顶高程852.00m，坝顶宽5.0m，坝顶弧长169.5m。泄洪建筑物形式为坝顶泄洪，采用挑流鼻坎消能，溢流堰顶高程848.10m。放水建筑物形式为岸边塔式取水、左岸隧洞放水，设计放水流量4.0m3/s，取水口设闸门控制放水。大坝座落在三叠系新苑组（T2x）青灰色含钙质页岩夹细粒砂岩地层之上，坝基岩体为CIII1、CIII2类，总体属软质岩，遇水易软化，抗风化能力弱，工程地质条件较差。

2.水库大坝存在的主要问题

2.1大坝安全超高复核

结合工程规模和《防洪标准》的规定，本工程设计洪水标准采用50年一遇（P=2%），校核洪水标准采用500年一遇（P=0.2%）。经调洪演算，大坝设计洪水位为850.23m，校核洪水位为850.96m。根据《浆砌石坝设计规范》中关于非溢流坝坝顶超高的计算公式（△h=2h1+h0+hc）计算，本工程△h=0.71+0.2+0.3=1.21m。现坝顶高程为852.00m，坝顶满足规范要求，但加上安全超高1.21m后，防浪墙顶应为852.17m高程，而大坝无防浪墙，不满足安全超高要求。

2.2库首左岸渗漏分析

库首左岸出露地层为T2x青灰色含钙质页岩与细粒砂岩互层，分水岭山体单薄，且有与坝区河谷呈平行发育的低邻谷，水平距离180m，水位落差28m，水力比降15.6%。左岸邻谷有大片沼泽湿地和漏水点，总漏水量为10L/s。据钻探揭示，左岸山体节理裂隙发育，岩层强风化厚度达15.0-19.0m，地下水位低于正常水位12.5m，库首左岸存在邻谷渗漏问题。

2.3坝体渗漏分析

运行中发现早期老坝体浸润严重，局部形成射流，后期坝体局部也存在浸润。钻孔压水试验表明，坝体高程838.0m以上透水率一般小于3Lu，局部大于5Lu；高程838.0m以下的老坝体透水率一般为5-10Lu之间，局部大于10Lu，渗透性明显较大。分析认为，坝体分两期建成，早期坝体胶结材料为砂浆，受施工技术水平限制，形成坝体的空隙较大；后期坝体胶结材料为砼，情况有所改善，但局部仍存在空隙大的问题。

2.4坝基渗漏分析

现场调查发现，坝脚和左右坝肩共有明显漏水点4处，范围较大的浸润4处，总渗漏量达2.3L/s。室内试验表明，坝基含钙质页岩遇水软化后，强度指标降低达47%左右。分析认为，坝基岩层虽属隔水层，但因受区域构造和风化作用的影响，节理裂隙发育，岩体破碎，裂隙相互连通形成库水的渗漏途径，一般渗漏量较小，范围分散。原设计未作固结灌浆和帷幕灌浆处理，致使坝基渗漏量逐年加大。

2.5泄洪冲刷计算

溢洪道位于坝顶中部，泄洪冲刷区出露基岩为软质岩，遇水易软化，抗冲刷能力差，冲刷系数1.8。经现场测量，冲坑深度已达5.0m，坝后开始形成临空面。利用《水力学计算手册》中的冲刷计算公式对泄洪挑流及下游冲坑稳定进行复核，结果显示，冲坑最深点距坝趾距离30.1m，最大冲坑深度13.7m，冲坑后坡坡比i=1：2.2，大于稳定要求的ik=1：2.5，因此，可判断冲坑后坡影响坝基的安全稳定。

2.6放水隧洞漏水分析

放水隧洞位于左岸，总长146.5m，断面为城门洞型，宽×高为2.3m×2.3m，采用M5浆砌石衬砌，厚50cm，侧墙和顶拱用厚6cm的C15钢丝网砼防渗，底板用厚5cm的C10砼防渗。运行中发现，洞内和出口周边漏水严重，洞内漏水点集中在进口0-50m范围内，漏水量达200L/s，隧洞出口周边漏水量达100L/s。分析认为，因施工技术原因，隧洞施工时对围岩的扰动较大，成型断面不规则，掉块严重。据勘测，进口段多处裂缝漏水，洞顶掉块局部最大高度达3.1m，底板因高程错误回填有80cm厚的石渣，原设计未作固结和回填灌浆处理，也未设截流环，防渗层较薄，使库水沿隧洞砌体周边渗漏，大部分从砌体施工缝隙渗入洞内。

2.7近坝库岸稳定分析

近坝左岸布置有取水塔，高程852.0m以上曾经发生过小型滑坡。右坝肩布置有冲沙底孔，进口右侧边坡较陡，上部已发生坍塌现象。此外，左右坝肩原开挖面常发生塌落现象。分析认为，近坝库岸覆盖层较厚，基岩为软质岩，遇水易软化，且岸坡较陡。结合近坝库岸地形地质条件，采用瑞典条分法对库岸边坡稳定进行分析计算，利用《北京理正计算程序》边坡稳定分析的等厚土层土坡稳定计算程序计算，在水库放空时，经计算得岸坡稳定安全系数K=1.27＞〔K0=1.15〕，自然边坡总体是稳定的。但在库水消落、冲淘和风浪的作用下，库岸局部土体和强风化岩屑不断垮塌和崩落，会造成局部失稳及流土，影响取水口及底孔的正常运行。

2.8闸门启闭困难

取水口共安装事故平面闸门和工作平面闸门各一扇，闸门尺寸为1.2m×1.2m，卷扬式启闭机启闭。现状闸门变形漏水严重，启闭困难。原因主要是门叶结构变形，门体和附件锈蚀严重，启闭机老化等。

3.除险加固设计方案

3.1坝顶防浪墙设计

根据大坝安全超高复核成果，大坝需增设20cm以上的防浪墙方可满足水库运行和防洪的要求。结合坝顶安全防护的需要，设计在坝顶上游侧设置防浪墙，下游侧设置防护栏杆，以满足大坝安全超高要求。设计防浪墙总长170.0m，高1.2m，采用C20钢筋砼浇筑，厚度30cm，每隔1.5m设立柱，立柱间设矩形花纹装饰。下游栏杆采用C20钢筋砼预制组装。

3.2库首左岸帷幕灌浆设计

库首左岸有一低丫口，根据勘探钻孔资料，岩体透水率q≤5Lu弱透水层顶板高程825.0m-829.0m，往左岸山顶方向，地下水位以26%的比降抬升。结合左岸地形地质条件，设计采取帷幕灌浆的方案处理左岸的渗漏问题。设计帷幕线沿左岸山脊上游侧布置，以尽量减少无效进尺，右端接左坝肩帷幕，左端接地下水位。帷幕形式为封闭式，考虑到左岸放水隧洞两侧岩体因开挖扰动破碎，在放水隧洞部位设双排孔，其余地段设单排孔，排距1.5m，基本孔距3.0m，帷幕线长137m。帷幕深度原则上深入q≤5Lu弱透水层5m或深入地下水位以下10m，帷幕下限高程820.0m-838.0m。采用自下而上分段循环式灌浆工法，合格标准为岩体透水率q≤5Lu。设计主帷幕钻孔47个，副帷幕钻孔9个。

3.3坝体补强灌浆设计

针对坝体的渗漏特点，设计采用帷幕补强灌浆的方案对坝体渗漏进行处理。主要是通过补强灌浆充填坝体内部空隙，提高坝体的整体强度和防渗性能，达到防渗截漏的目的。结合坝基防渗处理的需要，补强灌浆钻孔沿坝顶轴线偏上游侧布置，与坝基帷幕钻孔共用，其中，利用坝身段进行补强灌浆。单排孔，基本孔距2.0m，帷幕线长168m。采用自下而上分段循环式灌浆工法，合格标准为坝体透水率q≤3Lu。设计补强灌浆钻孔85个。

3.4坝基固结灌浆和帷幕灌浆设计

（1）固结灌浆设计根据坝基岩性特点，为控制坝基岩体遇水软化而降低其力学指标，确保大坝安全，设计对坝基全面进行固结灌浆处理。设计固结灌浆钻孔为4排，自上游往下游编号为A、B、C、D排。其中，A排由坝基帷幕孔兼，B排沿坝顶轴线偏下游侧布置，距离A排1.0m，为倾向下游斜孔（倾角87°）；C、D排从下游面灌浆平台施工，C排为倾向上游斜孔（倾角79°），D排为铅直孔。采用岩芯钻机钻孔，孔位交错布置，基本孔距3.0m，孔深深入基岩8.0-18.0m。采用自下而上分段循环式灌浆工法，合格标准为岩体透水率q≤5Lu。设计固结灌浆钻孔198个。（2）帷幕灌浆设计为了有效控制因坝基渗漏而降低结构面的抗剪强度，确保大坝的安全稳定，设计采用帷幕灌浆的方案对坝基进行处理。结合坝体补强灌浆的布置，利用补强灌浆钻孔基岩段进行帷幕灌浆。帷幕左端接左岸帷幕，右端向右岸坡延长接右岸地下水位。根据钻探成果，左坝肩岩体透水率q≤3Lu弱透水层顶板高程820.0m，河床段坝基岩体透水率q≤3Lu弱透水层顶板高程815.0m，右坝肩岩体透水率q≤3Lu弱透水层顶板高程829.0m。因此，结合工程规模和坝基地质条件，设计帷幕下限为：左坝肩820.0m高程；河床段800.0m高程；右坝肩824.0-837.0m高程。帷幕形式为封闭式，单排孔，基本孔距河床段为2.0m、右岸坡为3.0m，帷幕线长232m。采用自下而上分段循环式灌浆工法，合格标准为岩体透水率q≤3Lu。设计帷幕灌浆钻孔105个。

3.5下游护坦设计

针对下游冲刷区存在的问题，考虑到坝基钙质页岩易风化、遇水易软化的特点，同时为防止小流量的冲刷破坏，使冲坑后坡至坝趾基岩逐渐淘空而影响坝基安全稳定，设计对坝趾后作护坦保护处理。参照消能防冲设计规范，护坦设计洪水标准为30年一遇（P=3.3%）。设计护坦延伸长度9.0m，坡比1∶3，采用C25钢筋砼浇筑，厚度1.0m，并在末端设置齿墙，齿墙底部高程按30年一遇冲坑深度控制。护坦基础采用Ф25锚杆锚固，间距1.5m×1.5m，并设Ф40mm排水孔，间距3m×3m。设计护坦面积585m2。

3.6放水隧洞加固设计

3.6.1加固方案

针对放水隧洞地质条件复杂、漏水问题严重的现状，首先提出对隧洞加固处理的原则是：①满足隧洞稳定要求；②满足渗流稳定要求；③满足水力计算要求；④投资省。经综合比较，设计采取洞内和洞外防渗加固并举的方案处理放水隧洞漏水问题。其中，洞内措施是先在取水塔后、左岸帷幕线交点上、顶板掉块严重部位设置砼截流环防渗，再对隧洞进行充填灌浆和固结灌浆；洞外措施是在地表利用钻孔灌浆对隧洞进行防渗加固。

3.6.2洞内防渗加固设计

（1）截流环为配合隧洞充填灌浆和与左岸帷幕搭接，并对洞顶严重掉块部位进行有效处理，设计分别在桩号16.5m、52.5m、94m、118m设置4道截流环，并在桩号52.5m截流环上设置2环风钻钻孔帷幕灌浆与左岸帷幕搭接，截流环同时作为充填灌浆分区的端部。设计截流环结构为：宽度2.0m，深入完整基岩1.0-2.0m，采用C20砼浇筑。环内断面与隧洞断面一致。（2）充填灌浆经对隧洞进行稳定复核计算，隧洞浆砌石砌体能满足稳定要求，但不能满足运行稳定要求。针对隧洞顶板存在空洞、底板为石渣回填的现状，设计首先对隧洞空洞部位采用C20泵送砼回填、对隧洞底板采用C20钢筋砼加固后，再全断面对隧洞进行充填灌浆处理。设计充填灌浆采用风钻钻孔，灌注纯水泥浆或水泥砂浆。钻孔布置在底板、左右边墙、顶拱共4排，孔距3.0m，孔深深入基岩10cm，孔位交错布置，利用截流环作为分区端部分成4个灌区施工。设计钻孔180个，灌浆面积830m2。（3）固结灌浆因受开挖扰动的影响，隧洞围岩较破碎，除进行充填灌浆外，设计采取风钻钻孔固结灌浆的方案加固隧洞围岩。设计钻孔按左边墙1排、右边墙1排、顶拱2排布置，孔距3.0m，孔位交错布置，孔深深入基岩2.0m，采用全孔一次灌浆工法。设计钻孔180个。3.6.3洞外防渗加固设计根据隧洞存在不满足抗外水压力要求的情况，在洞内加固措施的基础上，为了有效防止外水压力对隧洞的破坏，设计采取地表钻孔防渗灌浆的方案进行处理。设计对隧洞进口第一道截流环至左岸帷幕线之间进行地表钻孔防渗灌浆，长度36m。钻孔沿隧洞中心和两侧布置，共3排孔，排距2.65m，基本孔距3.0m，孔位交错布置。灌浆顶界为洞顶以上10m，中间排下限深入隧洞顶部，左右排深入隧洞底板以下10m。钻孔为铅直孔，采用自下而上分段循环灌浆工法，合格标准为岩体透水率q≤5Lu。设计钻孔36个。

3.7近坝库岸护坡设计

根据库岸地形特点和失稳模式，设计按削坡减载、分片分级开挖、护坡结构形式轻型多样的原则，针对不同部位采取不同的护坡结构形式，同时设置排水措施。对上游库岸，采用砼格栅+锚杆的护坡方案；对左右坝肩采用浆砌石护坡方案。经稳定复核，护坡设计满足稳定要求。设计格栅采用C20钢筋砼浇筑，网格尺寸1.5m×1.5m，格栅梁断面为30cm×30cm，在网格节点布置Ф25锚杆，长度5.0m。网格下铺土工布作反滤，正常水位高程848.1m以下格栅内用C20砼护坡，厚20cm，高程848.1m以上格栅内用干砌块石护坡，厚30cm。左右坝肩采用M7.5浆砌块石护坡，厚30-50cm。护坡总面积4200m2。

3.8更换闸门及启闭机

针对闸门及启闭机存在的问题，设计采用更换闸门和启闭机的方案处理。设计事故门、工作门尺寸均为1.2m×1.2m，按动水启闭条件设计，结合原有埋件的布置和利用，选用平面定轮式闸门。工作闸门需经常开启调节流量，选用手电两用的螺杆式启闭机（QL-120KN）。事故闸门要能在动水迅速关闭，利用水柱闭门，选用卷扬式启闭机（QPQ-160KN）。

4.结语

除险加固工作完成后检查，当水库运行到正常水位时，隧洞内未发现渗水现象，所有原坝体、坝基及左岸邻谷漏水点消失。通过实施除险加固，使大坝外型得到了改观，坝体、坝基及左岸渗漏得到了处理，泄洪冲刷得到了控制，近坝库岸得到了加固，放水设施得到了完善，大坝安全稳定得到了保障，水库已能正常蓄水运行，除险加固效果显著，说明设计方案合理。

参考文献：

[1]孙钊.大坝基岩灌浆[M].中国水利水电出版社,2004.

[2]张景秀.坝基防渗与灌浆技术（第二版）[M].中国水利水电出版社,2002.

[3]水利电力部水利水电规划设计院主编.水利水电工程地质手册[S].水利电力出版社,1985.

[4]李炜.水力计算手册（第二版）[M].中国水利水电出版社,2006.

作者:陆龙池 冉习 单位:贵州省黔南州大中型灌区管理局 贵州省黔南州水利水电勘测设计研究院