中营盘水库大坝除险加固方案探析

2014-10-26郭蓉蓉

陕西水利 2014年4期

郭蓉蓉

（榆林市榆阳区水产工作站陕西榆林 719000）

1 概况

中营盘水库位于榆林市榆阳区境内的榆溪河支流五道河上游，是榆溪河水库群中的一座中型水利枢纽工程，大坝位于榆阳区孟家湾乡中营盘村，在榆林市区以北约45km处。该工程于1970年3月动工兴建，1972年10月竣工建成，工程等级为三级，是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖、发电、拦沙等综合利用的中型水库。中营盘水库大坝由主坝和副坝组成，为水力冲填均质水坠沙坝，最大坝高为27 m，坝顶全长820 m（主坝长650 m，副坝两处长170 m），坝基高程为1197.30 m，坝顶高程为1223.40 m。大坝迎水坡坡比为1∶8；背水坡在坝顶以下2.5 m范围内为1∶4，以下为1∶10。有效库容742万m3，死库容210万m3。

2 大坝病险问题及坝址地质情况

2.1 大坝病险问题

中营盘水库大坝现坝顶高程为1223.17 m～1224.93 m，受当时设计水平和施工条件限制，水库大坝设计标准较低，坝体填筑料来自两岸风积砂，坝体砂粒含量占88%～99%，粉粒含量占1%～12%，粘粒含量极少，为粉细砂，按《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》对坝体填筑土料评价可知，坝体粉细砂料质量均不符合规程要求。依据《碾压式土石坝设计规范》，采用标准贯入击数查表法计算和室内土工试验资料表明：坝体填筑质量不符合标准要求，压实质量较差，水平渗透指标差异性大，坝体属中透水性，渗透指标不符合质量要求。加之坝坡未砌护，无任何防渗措施，加剧了大坝的风险性。同时副坝较低，经过三十多年运行和泥沙淤积，已经难以满足蓄水要求，急需加高。

2.2 坝址区工程地质条件

坝区河谷两岸地形较为平缓，坝后河床高程1201.66 m，河谷呈宽缓对称的“U”型，两岸高程1215 m～1235 m，相对高差14 m～34 m，岸坡坡角15°～25°，左右坝肩为沙漠滩地，区内冲沟不发育，筑坝段河谷为N～S向发育，在坝轴线处河谷宽度200 m～250 m，阶地不发育。坝址区地下水主要赋存于上更新统河湖相堆积（Q3al+l）松散细砂层中，建库前两岸地下水补给河水，建库后库水补给地下水。坝基岩性主要为粉砂、细砂构成。

3 大坝加固设计

3.1 大坝稳定复核计算

3.1.1 渗透稳定分析

依据《碾压式土石坝设计规范》规定，计算上游正常蓄水位1219.10 m，校核洪水位1220.85 m时，下游水位为1201.30m情况下下游的坝坡稳定渗流分析。选取河床最大断面作为计算断面，渗流计算参数指标为：坝体填筑沙土渗透系数为5.66×10-3cm/s，大坝填土渗透坡、出逸点高程计算成果见表1。

从表1可知，坝体和坝基的单宽渗流量为q=2.342m3/d·m；坝体和坝基每天最大渗流量为795m3/d，年最大渗漏量为29.02万m3，约占设计总库容的1.3%，渗流量较大。下游坝坡的渗流出逸点在坝坡上，坝体的渗透坡降大于规范允许的渗透坡降I允，说明坝体渗透稳定不满足要求，需进行防渗处理。

表1 大坝填土渗透坡、出逸点高程成果表

表2 土料物理力学指标

表3 大坝稳定计算安全系数成果

3.1.2 坝体稳定分析

依据《碾压式土石坝设计规范》第7.3.2条，本次稳定分析计算主要复核以下工况：正常运用情况下（稳定渗流期）的下游坝坡，即上游库水位为正常蓄水位1219.10 m，下游水位为1201.30 m条件下，下游坝坡的稳定计算；非常运用情况下（稳定渗流期）的下游坝坡，即上游库水位为校核洪水位1220.85 m，下游水位为1201.30 m条件下，下游坝坡的稳定计算。采用北京理正《土石坝稳定计算程序》进行计算，计算断面取河床最大断面。各土层的物理力学指标见表2。计算成果见表3。

通过计算可见，中营盘水库大坝下游坝坡在正常运用情况下的最小安全系数均满足规范要求。

3.2 坝体整修加固

水库大坝现坝顶高程为1223.17 m～1224.93 m，本次对坝顶进行整平，恢复至原设计坝高，整平后坝顶高程为1223.50 m。主坝顶宽度维持原6.0 m不变，总长变为662 m。经稳定分析计算坝体抗滑满足规范要求，大坝上下游坝坡均不需进行培厚处理，只进行简单地整修处理。处理后上游坝坡坡比为1∶6；下游坝坡坡比坝顶至1219.00 m为1∶5，1219.00m～1213.00m为1∶6。副坝由于加坝不能按原副坝走向进行加高，从右坝肩沿水库沙梁填筑副坝，长度为223 m，顶宽4.0 m。主、副坝的内外坡比保持一致，均为1∶4。

3.3 大坝防渗处理

本次中营盘水库防渗加固处理是建立在大坝渗透安全的条件下进行设计的。从所测坝下游的渗透量可知，大坝的渗透主要由坝体产生，所以大坝防渗加固的主要内容由两部分组成：一是坝基防渗加固处理，为了使防渗体伸入坝基砂层中，在蓄水位增高、坝基防渗后，以达到增长渗径、减少直接从坝基出渗量；二是坝体防渗加固处理，目的是减少渗透量，降低浸润线、降低出逸点。

根据地质勘探情况及工程现状，结合现场查勘情况，选定坝基防渗轴线为：沿大坝纵向在上游坝坡1219.10 m高程线，布设垂直防渗幕墙方案。根据中营盘水库坝基地质情况，其坝基主要为Q4al中沙层，由风积砂及河湖相细砂夹薄层砂壤土组成，左岸厚3 m～20 m，河谷处3 m～5 m，右岸15 m～30 m，实测其物理力学指标为：ρd=1.48g/cm3，D r=0.74，K20=5.19×10-3cm/s，顶板高程左岸1194.50 m～1196.70 m。

根据上述情况，本次设计中营盘水库大坝防渗的截渗范围主要是伸入坝基中砂层中，以达到增长渗径、减少直接从坝基出渗的目的。鉴于上述情况，根据中营盘水库坝基地质及截渗目的，本次设计中营盘水库大坝防渗加固处理方案选用砼墙垂直截渗处理方案。大坝砼防渗墙布设在上游坝坡1219.10 m高程处，防渗墙轴线与主坝轴线平行，防渗墙总长度693.6 m，深度为20 m和25.0 m，墙厚0.4 m。坝基砼墙垂直截渗墙防渗指标为：渗透系数小K≤1.0×10-6cm/s，允许渗透坡降J＞50。

3.4 坝后排水设计

针对下游坝坡运行中存在的问题，为了避免雨水漫流而造成对下游坡面冲刷，增设其坝坡排水设施。由1219.00 m、1213.00 m分别设两条马道。马道宽2.0 m，内侧设排水沟，设计排水沟过水断面b×h=300mm×300mm，壁厚30cm，排水沟横向通至坝体两端排水沟。沿坝轴线间隔250 m设置2条排水沟，断面结构同上所述。考虑到大坝观测、运行管理及今后整修，沿坝轴线间隔250 m设置一条竖向踏步，共设2条，踏步宽150cm，厚15cm。中营盘水库下游坝坡没有设反滤排水体，本次设计为贴坡式反滤排水体，设计顶高程为1205.8 m，底高程为1201.30 m，高4.5 m，顶宽4.86 m，沿主坝纵向布设，坝后长度240 m。

3.5 上下游坝坡坡面设计

针对下游坝坡冲沟，安排在上游防渗工程实施后，清除杂物，外运壤土进行回填处理，设计回填压实度η≥0.93。为保持坡面完整，坡面进行植物护坡。由于大坝上游坝坡未砌护，随着泥沙淤积和库水位的抬高，坝坡有淘刷破坏的可能。本次设计结合上游防渗墙对上游坝坡进行砌护，坝坡护面采用拱形骨架护坡，骨架采用M 7.5浆砌石，格内植物护坡。