黑虎山水库除险加固工程措施与效益

高淑美

（青州市黑虎山水库管理局，山东 青州 262500）

黑虎山水库位于青州市王坟镇境内弥河支流上，控制流域面积190km2，水库现正常蓄水位163.00m，兴利库容2808万m3；死水位144.60m，死库容262万m3。水库始建于1966年，1972年12月建成发挥效益。水库原建设标准低、施工质量差，防洪标准偏低，达不到有关规范、规定要求，自建库后险情不断，虽经多次应急处理、加固，但都未根除工程安全隐患，严重威胁着下游人民生命财产的安全，不能充分发挥其兴利效益。

1 水库存在的主要问题

1.1 大坝现状

黑虎山水库建成蓄水后，主坝坝体存在渗漏，主坝心墙渗透系数 9.0×10-6～4.0×10-5cm/s。 主坝合拢口清基不彻底，齿槽底部残留卵砾石，透水性强，形成集中渗漏通道，渗流量较大，卵砾石内水力比降大，发生接触冲刷破坏的可能性大；齿槽内壤土与坝基卵砾石直接接触，易发生接触流失而产生隐性破坏。

副坝坝体存在渗漏渗透系数 5×10-6～8.6×10-5cm/s。副坝局部存在集中渗漏现象，现状渗流稳定分析发现，高水位运行时坝体浸润线较高，有坝坡出逸现象；坝体设有40个预留爆破孔，不利于坝体稳定。副坝产生横向裂缝处（0+917附近）坝前未铺设土工膜，上游齿槽下残留卵砾石层，渗透性强，高水位运行时坝坡出逸，从流线分布来看上游渗流竖向落水现象非常明显；副坝底层黏土坝基及非常溢洪道段（代表断面0+950）坝下为黄土状壤土，存在湿陷和接触冲刷问题，此段坝体填筑质量差，坝体渗透性偏大。

主副坝连接段（0+400～0+930）坝基为卵砾石与黄土状壤土双层结构，黄土状壤土竖向裂隙发育，渗透性强，渗流竖向落水现象较明显，渗漏量大，黄土状壤土的湿陷系数为0.032～0.158，湿陷性中等-强烈，下部卵砾石为强透水层；主坝右坝肩岸坡基岩张开，节理裂隙发育，坝体填筑未对断层、裂隙进行处理，致使初期蓄水后就出现基岩集中渗漏、坝肩绕渗等问题。

现状坝顶路面破坏较严重，防浪墙不均匀沉陷、变形严重，多处出现贯穿性裂缝，沙浆剥蚀老化严重，部分坝段基础未与防渗体紧密结合。大坝表层上游干砌乱石段护坡质量差、风化严重、未设反滤层，塌陷变形，坝后无排水体。

1.2 水库放水洞及其启闭设施损坏

放水洞位于大坝桩号0+492处，放水洞基础座落于黄土状亚黏土和河卵石层地带上，并在亚黏土层打井柱桩基础，支撑于卵石层上，其桩底标高为129.8m，基岩顶高程117.0m，井桩基础开挖后，浇制井柱并回填井柱周围，回填部分局部砾卵石密集。放水洞结构型式为坝下埋钢筋混凝土压力管，与坝体填土间可能存在接触冲刷；内衬8mm厚钢板，管内径1.8m，混凝土管壁厚0.55m，进口底高程144.6m，洞身长135.2m，纵坡降1/300，在坝顶上游设竖井，内有控制闸门。启闭设备为25T双吊点启闭机，设计灌溉流量10.5m3/s，最大过水流量29m3/s。因洞基井柱桩坐落在不同岩性土基上，竖井强度及地基承载力不满足要求，不均匀沉降已引起洞身裂缝严重。钢板锈蚀严重，闸门与启闭设施老化锈蚀，启闭机也已经报废，严重影响正常开关闸门，对调洪、灌溉极为不利。泄水渠道消力池底、池坎冲毁严重，影响泄洪。

放水洞未设置检修闸门，并且为坝后闸阀式结构，闸阀失事无法进行检修。放水洞主体结构属破坏较严重结构。

1.3 溢洪道存在的问题

黑虎山水库溢洪道位于水库主坝右岸，现状为开敞式，无溢洪闸。溢洪道分布岩性为寒武系灰岩与页岩互层，泥岩夹疙瘩状灰岩，页岩夹透镜状薄层灰岩，软硬相间，页岩夹层破碎，抗风化能力低，稳定性差，已产生岩石崩落；溢洪道两岸底部采取了浆砌石护砌，护砌高度约3.0m，上部及溢洪道底部岩石裸露，两岸边坡陡峭，层理及构造发育，整体稳定性差，护砌工程不完善。溢洪道现状底宽48.0～50.0m，全长约593m，进口底高程163.5m，出口底高程142.0m。溢洪道核定最大过水流量1861m3/s。中泓桩号0+590处，发育一自然冲沟，冲沟底高程135.0m左右，与现状溢洪道（高程143.0m）相差约8.0m，冲沟与挑流坎相距较近，冲沟处岩体呈强风化，岩石破碎，岩体强度低，抗冲性差，泄流时回水冲刷坝脚，水流淘蚀冲沟，冲沟向上游发展，危及挑流坎的稳定，挑流坎防冲齿墙不满足防冲要求。溢洪道无闸控制，不能充分发挥工程防洪、兴利效益。

非常溢洪道位于大坝北端，最大泄量3480m3/s，为溢流堰型式。非常溢洪道下游为村庄和耕地，不具备运行条件。

2 除险加固措施

针对黑虎山水库存在的主要问题，分别采取了如下除险加固措施：

2.1 大坝坝面翻修

对主坝上、下游坝坡护砌、抛石压重，优化护坡垫层设计。下游草皮护坡及坝体坝面排水设施，坝面每隔50.0m设置一条竖向排水沟，同时在下游161.80m、148.10m高程设置2道纵向排水沟，排水沟采用M10浆砌方块石结构。针对副坝存在问题，采取坝后补坡处理方案。新、老坝坡结合面166.90m高程以下设反滤过渡层，由表及里依次为：草皮护坡、石渣补坡压重，0.5～4cm碎石层厚200mm，中粗沙层厚200mm，表层腐殖土清除整平。拆除新建坝顶道路采用C25混凝土路面结构，自上而下结构型式为：C25混凝土路面，厚0.2m；二灰碎石基层，厚0.25m。防浪墙高度确定为0.80m，采用浆砌石结构。并新建大坝变形及渗流监测设施。

2.2 大坝坝体帷幕灌浆

针对水库蓄水后坝体渗漏现象，综合考虑坝下基岩防渗处理及坝基卵砾石层截渗，分别采用基岩帷幕灌浆和卵砾石帷幕灌浆形成统一整体式防渗。岩基灌浆桩号0+170～0+380，深度5.0m；岩基帷幕灌浆采用水泥浆液自上而下进行，灌浆压力控制在0.15～0.4MPa间。岩基帷幕灌浆的主要目的是充填基岩与黏土心墙的接合面。卵砾石灌浆桩号0+270～0+380，底部与岩基灌浆相接，上部伸入心墙内3.0m。采用2排3序，终孔间距、排距均采用1.50m，排孔交错布置，先灌上排再灌下排，采用自上而下方式。为使岩基灌浆形成有效的连续帷幕亦采用2排，排、孔间距1.50m。卵砾石层帷幕灌浆通常不能形成自立的钻孔，采用套阀式灌浆法。卵砾石帷幕灌浆的目的是防渗切断坝下集中渗漏通道。

2.3 大坝防渗板墙加固

副坝加固处理中为解决坝基黄土状壤土接触冲刷和湿陷问题，对0+380～0+480段已进行了防渗墙加固处理。为解决顶部心墙防渗效果差的问题，对大坝0+005～0+380段上部壤土心墙进行防渗加固处理。在保证防渗工程的可靠性、合理控制工程造价的前提下，选用具柔性结构的深层水泥搅拌桩方案。深层搅拌桩加固使心墙上部壤土形成水泥土截渗墙。水泥土在搅拌过程中必须成塑性状态或流态。要求成墙厚度大于0.20m，桩间搭接大于6.0cm，墙体渗透系数小于5×10-6cm/s，允许坡降大于80。

主河槽段坝基截渗处理采用高喷灌浆方案，双排旋喷套接梅花形布置，钻孔间距0.7m，钻孔入岩1.0m，渗透系数不大于5×10-6。灌浆范围为大坝桩号0+270～0+380，灌浆轴线位于大坝轴线上游7.0m处，采用单排两序施工。底部入岩0.5m，顶部入黏土2.0m，墙体最小厚度0.50m。

对主、副坝二级阶地段采取混凝土防渗墙结合局部高压旋喷方案。防渗墙轴线设于距上游坝肩5.0m处，大坝桩号0+380～0+574段墙厚采用0.6m，0+574～0+950段墙厚采用0.40m。桩号0+487.25～0+496.75段高程149.0m以下采用高压旋喷板墙，施工时先进行高喷，高喷板墙与混凝土防渗墙反弧连接。混凝土防渗墙顶高程169.00m，上部设粘土封口。防渗墙底部1.0m的入岩段以及坝基卵砾石层间及其以上2.0m的范围内为C10普通混凝土墙体，上部结构为塑性混凝土墙体。在放水洞竖井下部及其周围采用高喷板墙防渗。

对坝基岩接触灌浆布置在上游侧，灌浆范围确定为大坝桩号0+000～0+050间。灌浆孔布设3排，上游侧第1排轴线设于坝肩上游5.0m处，上游侧第1排接触灌浆高程控制在126.00m以上，下游侧2排接触灌浆控制在坝基以下5.0m范围内，灌浆标准按小于10Lu来控制。

2.4 水库放水洞及其启闭设施的处理

经方案比较，最后确定放水洞工程原址拆除重建。放水洞重建后既符合防洪标准又美观。在拆除重建放水洞下部采用混凝土防渗墙，顶部采用水泥土回填与混凝土防渗墙结合，水泥土厚2.0m。

新建竖井在原竖井上游侧，自上游进口至坝后出口依次划分为：进口明渠及拦污栅、引水涵洞、竖井控制段、坝下洞身段、出口连接段。竖井内设检修闸门与工作闸门。工作门顶、侧止水为P型橡皮后封水，底止水为条型橡皮止水。为降低启闭力、减少轮子摩擦，轮轴采用自润滑轴套。

2.5 溢洪道处理

针对溢洪道存在的问题，正常溢洪道仍在原位置，在正常溢洪道桩号0+135处新建5孔宽8m的溢洪闸、出口消能设施、溢洪道岸墙及泄槽防护、交通桥。溢洪道自进口至出口划分为：进水渠、溢洪闸控制段、泄槽段、消能防冲段、出水渠。5孔，单孔净宽8m，底板顶高程162.00m。泄槽段包括弯道缓坡段、一级陡坡段、直线缓坡段、二级陡坡段，弯道缓坡段。泄槽段总长426.84m。溢洪道出口采用挑流消能。挑流鼻坎按30年一遇设计，设计流量为712m3，反弧半径15.0m，反弧转角20°。溢洪道引渠段两岸边坡采用喷混凝土支护，出口水平段两侧新建砼侧墙，墙后填土与墙顶距离2.5m，形成缓冲带以防止岩石塌落。

3 除险加固后的工程效益

1）水库除险加固后，防洪能力有了较大提高。设计洪水标准从加固前的50年一遇提高到100年一遇，校核洪水标准从加固前的1000年一遇提高到2000年一遇。

水库除险加固后，水库渗漏量减少，可向青州市日供1.78万m3的水，满足水库有效灌溉面积2133.33hm2，对城市供水、农业灌溉和城市景观用水具有积极的意义。

2）水库建闸后，起调水位为兴利水位163m；库水位低于168.42m（20年一遇防洪高水位）时，控制下泄流量不超过河道安全流量为180m3/s；当库水位高于168.42m时，不再控泄，按自由出流敞泄。可实现在适时适量预泄与蓄水之间进行灵活操作的目标，充分利用水库的防洪库容，一旦出现险情，可迅速调泄水库容量降低库水位，保证工程安全，还可适当调高汛中限制水位，增加汛前水库拦蓄量，充分利用水资源，在汛后可充分拦蓄尾水，达到兴利水位。

3）黑虎山水库除险加固工程实施后，能够确保水库安全度汛，正常蓄水，发挥其应有的防洪社会效益和经济效益，大大保证了水库下游广大人民群众的生命财产安全。

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