浅谈黑山水库拦河土坝加固方案

□贺启有（辽宁省丹东市水利勘测设计研究院）

0 前言

黑山水库位于岫岩满族自治县苏子沟镇黑山村庙沟组的东洋河支流牤牛河上游，距鞍山市约161 km，距岫岩县城25 km。

黑山水库工程于1957年11月正式开工建设，于1958年9月1日竣工并投入使用。黑山水库已运行近50年，由于这座水库为典型的“三边”工程，施工质量差，施工质量得不到保证，虽然经过多次加固改造，但仍存在黏土心墙高度不够，且与防浪墙不相接，大坝渗漏，溢洪道缺少消能工，输水洞漏水，缺少观测设施等诸多问题，水库存在严重安全隐患，所以黑山水库除险加固工程十分必要，也较为迫切。

黑山水库工程为中型，是以灌溉为主，兼顾防洪、发电和养殖等的综合水利工程。设计灌溉面积853hm2，其中水田660hm2，经济作物19 hm2。水库总库容为1211.71万m3，校核洪水位（P=0.10%）为103.30 m，设计洪水位（（P=2%）为102.08 m，正常蓄水位为99.30 m。

黑山水库枢纽工程由拦河土坝、溢洪道、输水洞组成。拦河土坝长705m，大坝加高到103.52 m，加宽到6.00 m；输水洞在桩号0+591处，拆除重建；溢洪道在左岸，位置不变，将原有溢洪道进行拆除重建，溢洪道堰顶高程为99.30 m，宽度为60.70 m，堰体长度为19.10 m,尾水渠渠底比降i=0.01，底宽46.00 m，长293.50 m。在这里，我们主要讨论拦河土坝的加固方案。

1 建设条件

1.1 自然概况

牤牛河为东洋河主要支流，于红旗乡汇入东洋河，牤牛河流域面积189.90 km2，全长36.73 km。黑山水库控制流域面积49.20 km2，河道平均比降18.40‰,河道长12.40 km。

1.2 气象与水文

该流域降水受西太平洋暖湿空气和流域地形影响，年降水量由西向东递增，多年平均降水量为800～1200 mm；蒸发量由西向东递减，多年平均蒸发量为1100～1300 mm；多年平均气温为7.50～8.00℃，1月份气温最低，极端最低气温为-32.60℃，7月份气温最高，极端最高气温为37.30℃，最大冻层深度为1.02m。黑山水库的多年平均径流量为0.64 m3/s，50年一遇洪峰流量为711 m3/s，1000年一遇洪峰流量为1153 m3/s。

1.3 地质地形

黑山水库位于岫岩满族自治县的苏子沟境内，地貌类型属低山丘陵区，坝址处基本为“U”型河谷，河谷宽约460 m，右岸较陡，岩石裸露；左岸较缓，为丘陵区，且表面多为第四纪覆盖。

根据现场钻探和探槽揭露，目前防浪墙基础底未与黏土芯墙相接，防浪墙与芯墙背水肩部的相对距离为1.50～2.40 m,平均顶宽为1.50 m，芯墙上表面高程为99.50～100.56 m。大坝的填筑材料主要由全风化砾砂、含砾粘性土及碎石土组成，大坝坝基存在两处较大的渗漏带，分别位于桩号0+000～0+307段和0+630～0+705段，由于渗漏带的渗漏量较大，影响大坝安全和坝后电站厂房安全，建议对这两段坝基进行灌浆处理。

2 拦河土坝加固方案

2.1 拦河土坝存在的主要问题

拦河土坝全长705m，为粘土心墙坝，最大坝高19.89m，防浪墙顶高程104.60 m，坝顶高程103.10～103.50 m，坝顶宽3.50 m。迎水坡平均坡度为1：3.00，背水坡平均坡度为1：2.30。

根据中国水利水电科学研究院的核查意见，黑山水库为三类坝，拦河土坝存在的主要问题为：

①防洪标准不符合要求，大坝顶高程比设计要求低0.02～0.42 m。

②经过现场勘察，心墙顶高程100.56～99.50 m，与浆砌石防浪墙基础之间有0.64～2.70 m透水层，严重威胁大坝安全。

③大坝坝顶宽度只有3.50 m，不满足规范要求的最小宽度要求。

④大坝上游护坡面在冰线一带，97～99.50 m间冬季由于冰压护坡面隆起。

⑤防浪墙自建成就有裂缝，并产生新的裂缝。据统计，共有大小裂缝200多条，其中贯穿裂缝近30条。

⑥坝基渗漏严重，水库自1958年竣工至今右坝端一直存在渗漏问题，而且渗漏比较严重。

2.2 拦河土坝加固设计

拦河土坝全长705 m，为黏土心墙坝，根据拦河坝存在的主要问题，对大坝进行加高培厚，大坝加高到103.52 m，加宽到6.00 m，防浪墙拆除重建，黏土心墙加高，坝基进行灌浆处理。

2.2.1 坝顶结构

根据《碾压式土石坝设计规范》对坝顶宽度的要求，中、低坝坝顶宽度可选用5～10m，本次除险加固设计将坝顶加宽到6m，坝顶设C20混凝土防浪墙，防浪墙基础坐落在黏土心墙上，并深入心墙0.50 m，基础底高程为102.02 m，墙顶高程为104.62 m，防浪墙顶宽0.45 m，背水侧设置C15混凝土路边缘石，坝顶面向下游侧放坡，坡比为2%，坝顶采用沥青混凝土路面。

2.2.2 黏土心墙加高

根据现场钻探和探槽揭露，黏土心墙顶偏离防浪墙，偏向迎水侧，心墙背水侧肩部与现有防浪墙的距离为1.50～2.40 m，平均距离为1.90m，黏土心墙顶高程为99.50～100.56 m，均低于水库最高净水位(校核水位:103.30 m)，心墙顶宽平均为1.50 m，本次除险加固设计保持防浪墙轴线不变，将心墙斜着向后加高到102.52 m，坡比采用1：10～1.20，上面接防浪墙。

2.2.3 大坝迎水坡、背水坡结构

大坝迎水坡坡比为1:3，大坝上游护坡原设计为干砌石护坡，经过多年运行，加上冬季气温较低，经过反复冻融破坏，上游冰线一带（97～99.50 m之间）大坝护坡面变形、松动移位，破坏严重。本次设计将上游护坡石拆除，利用拆除的砌石进行抛石护脚，护脚顶高程定于死水位92.58 m。护砌形式采用现浇混凝土板护坡，将92.58 m高程以上原护坡拆除利用，平整原坝坡，在其上铺设400 g/m2土工布，上面填300 mm厚的砂卵石垫层，垫层上部浇筑C20素混凝土板，厚度200 mm。每块板的平面尺寸为1.50 m×1.50 m，上下相邻两排板错缝排列。

大坝背水坡坡比为1:2.50，采用碎石护坡，碎石厚200 mm。

2.2.4 大坝基础处理

根据《黑山水库勘察报告》及现场勘察分析，大坝坝基存在两处严重的渗漏带，分别位于桩号0+000～0+307段和0+630～0+705段，心墙与坝基之间存在一层厚约2.50～3.50 m的碎石透水层,渗漏量较大，直接影响大坝及坝后电站厂房安全。所以对这两段坝基做高喷防渗墙,将心墙与坝基之间的碎石透水层隔断,高喷墙深入基岩和心墙各1.00 m,高喷防渗墙范围为0+030～0+317和0+620～0+705两段，布置1排灌浆孔，孔间距1.50 m，孔径采用110 mm。

高喷防渗墙的具体施工技术要求：①灌浆孔沿大坝黏土芯墙中心线布置，布置1排灌浆孔，根据地质条件和以往工程施工经验初步确定孔距为1.50 m,实际施工应根据生产性试验结果确定，在施工过程中如有不良地质现象，应根据实际情况加密、加深钻孔。②钻孔采用干孔钻进，如遇砂卵石等无法钻进的地层时，应根据监理和设计单位要求，可采用铁砂钻或加少量水。③高喷采用摆喷折接摆角30°，夹角25°。④灌浆采用2重管法喷射注浆，灌浆用水泥采用42.50级普通硅酸盐水泥，水灰比为1:1.50～1:10（其相应浆液密度分别为 1.37 g/cm3和，1.50 g/cm3）。⑤为减缓水泥浆液沉淀速度，在硅酸盐水泥中添加3%水泥重量的膨润土和3%膨润土重量的碳酸钠，膨润土的细度应为200目。⑥灌浆压力为32MPa，实际施工应根据先导孔试验结果确定，灌浆泵、灌浆管路容许工作压力应大于最大灌浆压力的1.20倍。高喷防渗墙最小厚度≥12 cm，渗透系数≤1×10-5cm/s，抗压强度R28≥4MPa。⑦高喷灌浆应全孔自下而上连续作业，需中途拆卸喷射管时，搭接段应进行复喷，复喷长度≥0.20 m，高喷灌浆因故中断恢复施工时，应对中断孔段应进行复喷，复喷长度≥0.50 m。⑧灌浆封孔采用置换和压力灌浆封孔法，孔口管栽管从下至上，封孔采用导管注浆，导管距孔底0.50 m，浆液采用水泥和黏土混合浆，黏土和水泥用量采用1:1，混合浆液水灰比采用0.50:1，黏土的塑性指数≥14，粘粒，含量≥25%，含砂量≤5%，有机物含量≤3%，当浆液升至孔口，经连续复灌3次不再吃浆，浆液表面也没有凹陷现象，即可终止灌浆。

3 结论

水库除险加固工程对我国国民经济的发展和保护人民生命财产安全意义重大，前期勘察设计工作是做好水库除险加固工程的基础，直接影响着除险加固工程的质量好坏。除险加固工程不同于新建工程，它比新建工程要复杂，受限制的条件也比较多，有工程自身条件的限制，也有来自外部条件的限制，一定要处理好与它们的关系，否则会导致加固方案的失败或无法实施。除险加固的设计方案对工程第一手材料的全面性、真实性、准确性要求很高，一定要把工程原有的设计条件、设计状况及工程存在的问题搞清楚，并认真听取运行管理人员的建议，对产生问题的原因进行系统的研究分析，只有把问题的关键找准，才能做出安全可靠、技术可行、经济合理的加固方案。