南沙河水库除险加固方案设计简述

路正锋

（太原市水利勘测设计院，山西 太原 030002）

1 水库概况

南沙河水库地处迎泽区东部，太原盆地东山汾河一级支流南沙河山谷口处的水峪村东，坝址控制流域面积25.55 km2，1959年兴建，1960年竣工投入使用，原设计库容137万m3，属典型的“三边”工程，主要功能是蓄水灌溉。该水库是一座以防洪为主的缓洪、滞洪的小（一）型水利枢纽工程，保护下游太原市83个社区29个村约49.16万人、众多学校工矿企业和石太铁路、环城高速路等的安全。水库主要由大坝、泄洪洞、溢洪道等建筑物组成。

2 存在问题

根据水库运行情况、大坝隐患勘测结果及大坝安全鉴定结论，南沙河水库存在的主要问题为：一是大坝防洪标准不足，坝体存在安全隐患。南沙河水库现状抗洪能力不满足《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定的小（一）型水库土石坝洪水标准要求，实际抗洪能力仅达到5年一遇洪水标准。二是溢洪道年久失修，不能满足汛期泄洪要求，严重威胁大坝安全。三是坝基、坝肩存在渗漏，影响大坝安全。四是大坝坝体上下游均未防护，下游坝坡无排水系统，对大坝稳定不利。五是大坝无安全监测设施。

3 除险加固必要性和迫切性分析

除险加固是满足水库大坝正常安全运行的需要。大坝防洪标准不足、坝体存在安全隐患、溢洪道、泄洪洞年久失修、坝基坝肩存在渗漏等问题直接影响水库运行安全。

除险加固是满足下游防洪的需要。南沙河水库所处的地理位置非常重要，下游是迎泽区，是省城太原的主城区、商贸中心，水库一旦溃坝将威胁库区下游29个村，49.16万人，众多学校工矿企业和石太铁路、环城高速路等的安全。

4 除险加固方案设计

4.1 大坝加固方案

水库大坝为均质土坝，现已成为连接两岸的主要交通道路，大坝上下游坝坡均未防护，杂草丛生，且大坝下游坝坡大量倾倒垃圾致使坝顶宽度由6 m增加到18 m，无坝坡排水系统，下游坝坡非常陡。大坝经安全鉴定，上下游坝坡在各种工况下是稳定的，但下游坝坡目前垃圾堆积、变形严重，产生大面积滑坡危险性高。针对大坝存在的问题，大坝加固改造方案为：上下游坝坡进行防护，新增排水设施，重修坝顶路面。

上游坝坡防护：防护前首先清除坝坡表面垃圾、杂草及腐殖土，坝坡高程910 m以下防护型式仍采用干砌石，厚0.4 m，下设150 mm厚砂砾石垫层、土工布。坝坡910 m以上采用干砌石防护，厚0.4 m，下设150 mm厚碎石垫层，护砌至坝顶。

下游坝坡防护：下游坝坡防护范围为整个坝下游坡，坝面长160 m。首先将坝坡表面垃圾、杂草灌木、树木及腐殖土清除干净，然后按坡度1∶2.5进行削坡及培厚，在削坡时对坝体上的孔穴全断面挖除并回填黏土夯实，压实度不小于0.98。其后对坝坡采用草皮护坡，由坝顶护砌至贴坡排水顶部。

排水设施：下游增设坝面排水，下游坝脚河床部位增设坝体排水。在大坝坝顶下游侧及左右两岸顺坝体与岸坡结合处设岸坡排水沟，在坝体排水下游设一纵向排水沟，与岸坡排水沟相连，排出两岸山坡和坝坡积水。下游坝体排水采用贴坡排水。贴坡排水顶部高于坝体浸润线出溢点1.0 m，贴坡干砌石厚0.5 m，下部分别设0.2 m厚的砂砾石反滤层和0.2 m厚的粗砂垫层。排水底部设排水沟，排出坝脚渗水。

根据地勘资料，大坝修筑时未做地基处理，坝基覆盖层主要为卵石混合土、级配不良砾夹级配不良砂，层厚0～3.5 m，结构松散，分选性较差，不均匀系数为10.9～137.7，其渗透系数为11～22 m/d，为强透水层，存在坝基覆盖层渗漏问题。左右坝肩岩体中节理裂隙较发育，且有不同程度的张开，具中等透水性，级配不良砾和砂岩岩层为库水渗漏层位，左右坝肩存在绕坝渗漏问题。从目前情况来看，在水库大坝下游养鱼池有泉水出逸现象，水位随库水位变化较小，较为稳定，出溢点没有出现过异常情况，渗漏未对大坝稳定构成大的威胁。考虑到长期的渗漏有可能对大坝安全产生一定程度的不利因素，对坝体下游渗水处设反滤体。考虑到南沙河水库为缓洪库，不进行坝基防渗处理，结合坝体排水增设坝基反滤层，将贴坡排水反滤层深入坝基砂砾层底部。

坝顶路面：坝顶为沥青混凝土路面，厚50 mm，下设300 mm厚石灰粉煤灰碎砾石上基层，其下为200 mm厚的水泥稳定粒料垫层。路面设2%外倾坡，上下游侧设栏杆。

4.2 溢洪道改造方案

溢洪道进口由于大量倾倒垃圾，致使目前抬高2 m。溢洪道出口4孔桥式涵洞已有1孔全部堵塞。溢洪道桥墩为浆砌石，桥拱由砖石垒砌而成，年久失修，破坏严重，不满足泄洪及防洪抢险要求。溢洪道泄槽为梯形土渠，出口段厂房、仓库遍布，无消能设施，并且堆积较多生活垃圾。根据大坝安全鉴定结论，溢洪道未衬砌，抗冲能力低，出口无消能设施，应进行改造。由于溢洪道泄槽段涉及到大面积的仓库、厂房需要拆迁，且位于太原市区，所需资金及实施难度太大，短期内实施全部溢洪道的疏通不现实。故受资金及拆迁等各种因素的制约，且时间紧、任务急，本除险加固方案未对整个溢洪道进行改建，仅对溢洪道控制段进行改造，拆除原溢洪道控制段，在原位新建。

根据实际情况及安全鉴定结论，溢洪道改造内容主要包括新建10.5 m长进水渠、控制段溢流堰原位改建、泄槽段防护73 m。

为保证控制段溢流堰进水顺畅，新建进水渠段长10.5 m，进口采用喇叭口型式，渠首底宽7.8 m，末端底宽12.0 m，底坡为2‰的逆底，渠首底高程910 m，末端底高程909.979 m。边墙采用M7.5浆砌石直立式挡墙，挡墙顶高程由915.2 m降至911.179 m。底板采用M7.5浆砌石防护，厚0.5 m。

溢流堰为宽顶堰，2孔，每孔净宽3.7 m，前缘净宽7.8 m，堰顶高程910 m，总长20.0 m。堰体材料为C25钢筋混凝土，垫层采用100厚C15素混凝土。为连接两岸交通，溢流堰采用桥涵式溢流堰，顶、底板及侧壁厚均为0.4 m，交通桥底高程同大坝坝顶高程为915.2 m，设计汽车荷载等级采用公路-Ⅱ级。

泄槽防护段总长73.0 m。前10.0 m为过渡段，边墙采用M7.5浆砌石直立式挡墙，底板采用M7.5浆砌石防护，厚0.5 m。其后为渐变段，长10.0 m，与泄槽已砌护段顺接。渐变段后为73 m砌护段，采用M7.5浆砌石防护，厚 0.5 m，边坡 1∶1。

4.3 大坝安全监测方案

南沙河水库从建成至今已运行50多年，但大坝一直没有安全监测设施，其现状既无法满足大坝自身安全监测的实际需要，也不满足《土石坝安全监测技术规范》的要求。为确保水库大坝的安全运行，建立一套比较完善的大坝安全监测系统是十分必要的。本次除险加固设计增设必要的大坝安全监测设施，安全监测的内容主要包含坝体垂直与水平位移观测、渗流监测等。

垂直与水平位移观测：为观测土坝沉陷与变形，共布置3条纵断面12个观测桩，并相应布设工作基点12个。

坝体渗流观测：布设3条横断面，观测孔12个。

5 结语

南沙河水库除险加固方案主要对上下游坝坡、溢洪道等进行了设计，解决了大坝防洪标准不足，坝坡、坝基渗透稳定等问题，但由于拆迁、清障、资金等原因，除险加固后仍存在以下问题：一是泄洪洞下游仍有障碍物，不能正常泄洪。二是溢洪道泄槽段及下游均为临时建筑，溢洪道无法正常泄洪。三是南沙河水库下游河道过洪断面不足，无法安全渲泄水库下泄洪水。四是大坝在第一次蓄水运用，当水深蓄至7 m时（蓄洪量约为55万m3），土坝发生严重管涌和局部脱坡等险情。本次设计增设了大坝下游坝坡排水设施，坝基砂卵石层增设了反滤层，渗透稳定可以满足要求，但由于计算依据数据为本次地勘资料，而大坝坝体质量存在一定差异性，故在实际运行中必须加强观察监测。建议建设单位积极与相关部门协调资金及拆迁事宜，尽快对溢洪道下游进行清障，完善溢洪道泄槽、消能防冲设施；尽快对泄洪洞下游进行清障，确保洪水安全下泄；拓宽南沙河水库下游河道，加强汛期安全监测，确保水库安全运行。