东榆林水库除险加固措施简述

翟王娟

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

东榆林水库位于桑干河干流上游，地处朔州市朔城区大夫庄乡东榆林村，是一座以灌溉为主，兼顾防洪的中型水库，水库控制流域面积3430 km2，总库容6500万m3。水库枢纽建筑物由主坝、副坝、泄洪闸、灌溉涵洞组成。

主、副坝为均质碾压土坝。主坝长1135 m，最大坝高15.5 m，坝基设有高喷板墙防渗，上游坝坡设复合土工膜防渗。在主坝桩号1+135处接副坝，副坝长8766 m，最大坝高8.5 m，副坝0+000—4+500坝段坝基设有高喷板墙防渗，上游坝坡0+000—4+430设复合土工膜防渗。副坝0+000—3+800坝段下游坡脚设有无砂混凝土排渗暗管，其中桩号0+956—3+800暗管渗水排入地表明渠，0+000—0+950暗管渗水排入主坝下游低凹区。

泄洪闸位于主坝0+231.56—0+282.76段，最大泄量2811 m3/s。

灌溉涵洞位于副坝0+956处，最大流量1.5 m3/s。涵洞由进水塔、坝下埋涵、出水池组成。进水塔进口底板高程1030.0 m，塔筒顶部高程1044.0 m。塔筒在高程1037.5 m以下，顺水流方向长7.7 m，垂直水流方向宽5.6 m，在高程1037.5 m以上，顺水流方向长度不变，垂直水流方向宽度收缩为4.6 m。埋涵为钢筋混凝土矩形无压洞，长55 m，净宽1.2 m，净高4.3 m，壁厚0.5 m。

2 存在问题

灌溉涵洞的进水塔塔身混凝土冻融剥蚀严重，在高程1037.5 m和塔身平面尺寸突变处，由于应力集中，出现较深的水平裂缝，部分侧墙已经贯通，塔筒的整体性受到破坏，有发生倒塌的危险。

主坝下游坝脚处大面积积水，沼泽化严重；副坝0+000—0+950下游排水管沿线植有树木，树木根系长入排水管内，使得排水管堵塞严重，造成坝后排水不畅，致使该段部分坝脚下游出现积水。

3 加固方案

3.1 进水塔加固方案

对校核洪水位1041.2 m至高程1038.25 m，以及1037.5 m以下塔体做修补处理；对塔筒高程1037.5 m处的水平裂缝进行灌浆处理，并采用外包16 mm厚的钢板进行加固。

3.1.1 修补材料选择

用于混凝土修补的材料主要有硅灰早强混凝土、普通硅酸盐水泥修补砂浆、钢纤维水泥砂浆等无机类修补材料。这些材料成本低，施工方便，与混凝土有较好的性能相容性，常用于一般工程的修补。但修补材料与基底混凝土之间粘结强度不太牢固，抗冻性能较差，修补层容易出现空鼓、龟裂、脱落现象，可导致修补失败。

20世纪六七十年代，环氧砂浆以其抗压强度高、与基底混凝土粘结性强等特点被大量用于水工混凝土的修补。但经长期运用发现，环氧砂浆具有以下缺点：一是部分材料有毒，危害人体健康并污染环境；二是收缩率大，与基底混凝土的线膨胀系数相差较大，致使环氧砂浆常常开裂，与基底混凝土之间脱空，影响环氧砂浆的使用寿命；三是在紫外线照射下，环氧砂浆易变老变脆。

改性环氧砂浆通过对环氧树脂和固化剂的改性，弥补了环氧砂浆的缺陷。改性环氧砂浆选用新工艺合成的低黏度、柔韧性的改性环氧树脂，使固化物不仅具有良好的粘结性能、耐化学介质性能，而且还具有高韧性和高延伸率。改性后的固化剂不仅无毒、环境友好，而且使得环氧树脂固化的初凝时间长，固化后的体系反应热低、砂浆的热变形温度高，可有效降低温度内应力，避免在固化过程中产生细微裂缝。因此进水塔的修补材料选用改性环氧砂浆。

3.1.2 修补过程

首先凿除塔体表面冻融剥蚀层至新鲜混凝土面，并用高压水枪清洗干净。其次对高程1041.2～1038.25 m以及1037.5 m以下塔体用改性环氧砂浆进行修补。为增加改性环氧砂浆修补层与原混凝土的粘结强度，在干净的混凝土基面涂刷环氧基液，涂刷力求薄而均匀，使胶液尽可能深入老混凝土基面，以形成混凝土—界面—环氧砂浆的复合体。待底胶初凝时，涂抹改性环氧砂浆，涂抹时尽可能压实改性环氧砂浆，使修补层同底涂层紧密结合，避免出现空鼓。改性环氧砂浆抹面厚3 cm。最后对塔筒高程1037.5 m处水平裂缝进行处理。清除缝中污物、石屑、松动的石子等，并冲洗干净，再对裂缝进行灌浆处理，灌浆材料采用环氧树脂浆液。

为增加塔筒的整体性，在塔体裂缝处焊接围包16 mm厚的钢板筒箍进行加固，钢板宽1.5 m，裂缝上下各宽0.75 m。钢板下部设支撑角钢，钢板和塔筒接触面采用高韧性、高延伸率、耐潮湿、耐老化、粘结度强的改性环氧树脂进行接触灌浆。钢板加固前，用C30F200混凝土将裂缝上下1.5 m范围内的塔筒表面找平，以便为钢板提供平整的基面，并在混凝土表层配置直径12 mm的钢筋网，网格间距200 mm。

3.2 大坝下游沼泽化问题处理

3.2.1 沼泽化原因分析

一是主坝段位于古河道处，坝基虽做了高喷防渗板墙，但渗漏量仍然比较大；二是主坝下游坝脚处未设导渗排水系统；副坝桩号0+000—0+950坝段的渗水通过排渗管排入主坝区；三是主坝坝后地势低凹，四周排水不畅，致使主、副坝段渗水和四周汇集的雨水无路可排。以上原因最终导致坝后低凹地带形成沼泽地。

副坝坝脚下游积水是由于排渗管堵塞，排水不畅所致。

3.2.2 解决方案

主坝下游沿坝脚设置导渗排水体，更换副坝0+000—0+950坝后排渗暗管，将主、副坝排渗系统连通，由设置在主坝后部的排渗总管排入下游河道。

坝体渗流量计算采用北京理正软件开发公司编制的《理正岩土计算—渗流计算》软件，经计算：主坝段最大排水流量为0.08 m3/s，副坝段最大排水流量为0.06 m3/s。

排水体考虑在无砂混凝土管和堆石体中选择。

若设计采用堆石排水体，堆石体中孔隙水流的平均流速采用维尔金斯（Wilkins）公式估计：

式中：V——孔隙水流的平均流速，cm/s；

R——堆石孔隙的平均水力半径，2.44 cm；

C——综合性形状系数，50.8；

i——管道设计纵坡，0.00146。

计算得V=2.34 cm/s。考虑堆石暗管30%的孔隙率，若要满足主坝段流量0.08 m3/s的要求，则需要11.4 m2的过水断面；满足副坝段流量0.06 m3/s的要求，则需要8.5 m2的过水断面。

通过上述计算可知堆石排水体断面尺寸过大，设计不合理。

若设计采用无沙混凝管，管径计算采用明流计算公式：

式中：Q——设计流量，m3/s；

W——过水断面积，m2；

R——水力半径，m；

C——谢才系数；

n——糙率，0.025；

i——管道设计纵坡。

计算得当主坝段排水管径为660 mm，管中最大水深为0.36 m；副坝段排水管管径为600 mm，管中最大水深为0.32 m。

由计算可知，选用无砂混凝土管比较合理，无砂混凝土管施工简单，费用低，而且从副坝段运行多年的无砂管来看，排水效果良好。因此坝后排水采用无砂混凝土排水管。

无砂混凝土管铺设时，主坝段无砂混凝土排渗管管径为660 mm，副坝为600 mm。排渗管管顶地面以下埋深1～3.0 m，铺设在卵石混合土层，该层具有中等强透水性，在地面以下埋深0～2 m，厚3～5 m。为避免在施工过程中破坏坝脚稳定，靠坝脚一侧的管床开挖边线距离坝脚至少2 m。

在无砂混凝土管外包两层反滤料，以增大排渗管汇水面积和过滤坝基中的细粒土，反滤层从外到内依次为：第一层厚0.3 m，粒径0.5～10 mm，第二层厚0.3 m，粒径5～15 mm。副坝排渗管与主坝排渗管在主坝桩号1+135（副坝0+000）处连通，由主坝排渗管将主、副坝渗水在主坝桩号0+500处导入排渗总管，排渗总管将渗水排入下游河道。

在主坝低凹区坝段设置贴坡排水，贴坡排水高出原地面2.1 m，底部与排渗管连接，将坝体渗水导入排渗管中。排水体四周用反滤层包裹，从外到内依次为：第一层厚0.4 m，粒径0.5～10 mm，第二层厚0.4 m，粒径5～15 mm，最内层为0.5 m厚的干砌石。

为防止贴坡排水体在冬天结冰影响排水，排水体上覆土层厚度不小于冻土深度1.1～1.3 m。

沿排渗暗管每100 m设观测井一座，以观测坝基渗水情况。观测井内径1.2 m，采用砌砖结构。

4 结语

除险加固工程完成后，消除了东榆林水库的安全隐患，保证了下游人民群众的生命财产安全，具有显著的经济效益和社会效益。