富强水库混凝土护坡除险加固措施探讨

(五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司，新疆 五家渠 831300)

1 工程概况

新疆生产建设兵团第六师共青团农场富强分场(简称富强分场)，地处天山北麓的准噶尔盆地南缘。三屯河尾部的洪积-冲积平原下游位于昌吉市境内，距五家渠市54km，距昌吉市58km，距呼图壁县城30km。富强水库位于富强分场一连至二连西侧，属于河水注入式平原灌溉水库，为Ⅳ等小(1)型水库。工程始建于1959年，2007年对富强水库进行了大坝安全鉴定，结论为三类坝，属病险水库，必须除险加固。2009年对富强水库进行除险加固，至今未进行任何修复。水库总库容100万m3，兴利库容97.2万m3，死库容2.8万m3，设计蓄水位481.56m，最大放水流量1.5m3/s，有效灌溉面积2万亩，可调节补充富强分场二、三、四连的灌水需求。本文针对富强水库的病险情况，结合该水库大坝的安全鉴定结果，对水库除险加固措施进行分析，以期消除水库大坝安全隐患，使水库的运行管理更加便捷、合理。

2 水库病险状况及安全鉴定

2.1 水库现状存在问题

通过野外现场踏勘和地质勘探实验，对水库主要建筑物进行了外观检测和质量调查，并收集了水库设计、施工和运行管理等方面的资料。经分析研究，水库主要存在以下主要问题：ⓐ大坝为碾压式均质土坝，现状坝顶翻浆严重且大坝下游侧坝顶常见雨水冲沟；ⓑ下游-1+500～0+988.37坝段混凝土护坡翘起2～8cm不等，破损较为严重；ⓒ放水闸为开敞式现浇钢筋混凝土水闸，设备运行良好，止水不漏，金属结构坚固完好，启闭机、机电设备运行良好，但缺少变压器，现状电力线等级低；ⓓ放水渠起点为0+958.37放水闸消力池出口，终点与105团引水干渠倒虹吸进口相接，放水渠混凝土衬砌存在细小裂缝。

2.2 水库病情分析及评价

2.2.1 工程质量分析及评价

通过现场检查发现，坝基压实度、坝基防渗处理满足规范要求，依据《水库大坝安全评价导则》(SL 258—2000)的评价标准，鉴定富强水库的坝基处理质量为合格；坝体填筑所用土料满足规范要求，坝体3.5m深度范围内压实度均大于96%，满足《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)的要求，坝体填筑质量为合格；放水闸地基处理质量为合格，放水闸质量为合格，放水闸金属结构质量合格。根据以上结论，对照《水库大坝安全评价导则》(SL 258—2000)的评价标准，综合确定水库大坝工程质量综合评价为合格。

2.2.2 大坝运行管理分析及评价

根据水库调查资料，水库运行中有较好的规章制度和工作计划，能够合理地运用现有的制度和已制定的工作计划；水库大坝无安全监测设施，富强水库大坝为4级建筑物，缺少应对坝面垂直位移和水平位移及坝体浸润线等项目进行监测所需的必要设施；富强水库无水尺，无管理站房，给水库的运行管理带来了极大的不便。根据以上结论，对照《水库大坝安全评价导则》(SL 258—2000)的评价标准，综合确定大坝运行管理评价为差。

2.2.3 大坝结构安全分析及评价

通过对坝顶宽度及高程等进行复核，坝顶宽度、超高满足规范要求，现状坝顶路面翻浆严重，并且坝顶外侧常见雨水冲沟；护坡厚度满足规范要求，但是现状护坡结构不安全，局部混凝土护坡存在翘起、破损等现象，其中在水闸两侧混凝土护坡翘起7～8cm，混凝土板下无一布一膜，可见土体外露，由于位置特殊，大坝存在安全隐患；大坝抗滑稳定满足规范要求，大坝没有产生危及安全的变形；放水闸抗滑稳定满足规范要求。根据大坝结构安全分析，对照《水库大坝安全评价导则》(SL 258—2000)的评价标准，综合确定水库大坝的结构存在隐患，安全性评价为C级。

2.2.4 大坝渗流安全性分析及评价

大坝防渗体连续完整，坝后无明显渗水点；坝体、坝基实际水力比降小于临界水力比降，表明坝体、坝基不会产生渗透变形破坏，可判断大坝渗流性态是安全的。根据大坝渗流安全分析，对照《水库大坝安全评价导则》(SL 258—2000)的评价标准，综合确定水库大坝渗流安全性为基本安全，安全性评价为B级。

2.2.5 放水闸金属结构安全分析及评价

经现场调查及启闭力结果复核，放水闸金属结构安全可靠，强度、刚度及稳定性满足规范要求，启闭机、电机工况良好，启闭力满足要求，但缺少变压器，配套电力线等级低，根据《水库大坝安全评价导则》(SL 258—2000)鉴定水库大坝金属结构安全评价为B级。

综上所述，富强水库为三类大坝，存在安全隐患，亟须开展除险加固措施。

3 水库除险加固措施论证

结合上述水库危险隐患，经过分析，初步拟在以下几个方面进行处理：ⓐ拆除重建局部破损较为严重的混凝土护坡；ⓑ增设大坝变形监测设施、渗流监测设施、水尺及管理站房；ⓒ坝顶、上坝路重新铺筑30cm砂砾石路面；ⓓ增设变压器及改建电力线。针对具体工程措施阐述如下。

3.1 混凝土护坡修复设计

3.1.1 混凝土护坡破坏原因分析

经现场调查，富强水库混凝土护坡分缝处理质量参差不齐，处理质量高的混凝土护坡基本没有外鼓现象，而分缝处理不密实的混凝土护坡坝体含水量高，坝体本身为冻胀性土，在冬季极易发生冻胀破坏。富强水库每年4月1日开闸放水，灌溉冬小麦后，11月20日关闸，虽然富强水库为引水式水库，水源有保证，但是实际水库运行每年都存一定水量以有备无患，坝体冬季土含水量大。所以富强水库在运用过程中满足了冻胀发生的条件。

依据《水工建筑物抗冰冻设计规范》(GBT 50662—2011)，设计冻深及地表冻胀量计算如下：

3.1.1.1 设计冻深

Zd=φdφωZm

(1)

φd=α+(1-α)φi

(2)

(3)

式中Zd——本工程设计冻深，m；

φd——反映由日照或遮阴程度产生的影响；

φω——地下水影响的修正系数；

Zm——实测历年最大冻深，本文取1.50m；

φi——典型断面i的日照及遮阴程度修正系数，本文取1.05；

α、β——计算系数，本文分别取0.68和0.79；

Zwo——附近气象站的地下水位深度，m；

Zwi——计算点的地下水位深度，可取计算点地面至冻结前地下水位埋深，m。

结合富强水库实际资料，经计算，水库设计冻深Zd为0.91m。

3.1.1.2 地表冻胀量

h=0.13Zde-0.02Zw

(4)

式中h——工程地表冻胀量，cm；

Zd——工程设计冻深，经计算富强水库取0.91cm；

根据式(4)计算地表冻胀量可知，本工程的地表冻胀量为11.8cm，土的冻胀级别为Ⅲ级。

3.1.1.3 防冻垫层厚度

根据规范要求可知，防冻垫层可以起到防止护坡受冻胀力作用破坏的作用。防冻垫层建议采用砂砾石或中粗砂，且级配良好，其厚度由工程规模等决定。本工程防冻垫层采用级配良好的砂砾石，防冻垫层厚度按下式计算：

Ze=εZd-δ0

(5)

式中Ze——置换深度，cm；

δ0——衬砌板厚度，本工程取15cm；

ε——置换比，本工程取80%；

Zd——本工程设计冻深，前文计算得出本工程为91cm。

由式(5)计算防冻垫层厚度可得，本工程Ze为57.8cm，由此可知，砂砾石防冻垫层厚度至少应为57.8cm。然而，调查显示本工程砂砾石垫层仅有35cm，也就是说，不满足抗冻胀要求。由此判断，本工程混凝土护坡破坏的主要原因为冻胀破坏，需要针对此点制定修复措施。

3.1.2 混凝土板修复措施

根据前文混凝土护坡破坏原因分析，冻胀是导致混凝土板破坏的主要原因。根据工程实际，为尽量不扰动坝体，本次修复设计以高密度苯板代替砂砾石垫层、重新浇筑混凝土护坡的措施解决混凝土板破坏问题。

3.1.2.1 分缝尺寸的确定

原设计混凝土板分缝尺寸为3.0m×3.0m，本区混凝土板分缝尺寸一般不超过3.0m。大量工程经验证明混凝土板分缝尺寸大于3.0m易断裂，所以原设计分缝尺寸选用合适，本次修复中混凝土板分缝尺寸依然选用3.0m×3.0m。

3.1.2.2 混凝土板厚度的复核

混凝土护坡厚度可由下式计算：

(6)

式中η——系数，对于整体式大块护面板取1.0，对于配装式护面板取1.1；

hp——累积频率为1%的波高，本文取0.59m；

b——沿坝坡向板长，本工程取为3.0m；

ρc——板的密度，本文取为2.4t/m3；

ρw——水的密度，本文取为1.0 t/m3；

Lm——平均波长，本文取为7.4m；

m——边坡系数，本文取2.5。

根据式(6)计算可得，本工程混凝土护坡的厚度规范要求为t=4.3cm，而本工程的混凝土护坡厚度原设计值为15cm，满足规范要求。因此，在加固过程中，保持混凝土板厚度15cm，混凝土强度等级采用C25，抗冻等级采用F200，抗渗等级采用W4。

3.1.2.3 分缝材料的确定

鉴于修复区域处在水位变化区，考虑到风浪、冰冻等因素，填缝材料采用质量较好的高压闭孔板，勾缝材料采用聚氨酯砂浆，本次伸缩缝设计为：分缝采取上部灌2.5cm厚聚氨酯砂浆，下部填12.5cm厚高压闭孔板。

3.1.2.4 高密度苯板厚度的确定

聚苯乙烯泡沫塑料板保温的厚度可按下式计算：

(7)

(8)

式中εx——保温材料的厚度，m；

R0——工程保温基础设计热阻值，m2·℃/W；

I0——工程计算点的冻结指数，℃·d；

αw——保温材料的导热系数修正值，本工程取1.1；

εc——基础材料厚度，本工程取0.13m；

λx——保温材料在自然状态下的导热系数，本工程取0.039W/(m·℃)；

λc——基础材料的导热系数，本工程取1.66W/(m·℃)。

ψd——考虑日照及遮阴程度的工程设计冻深修正系数。

由式(7)和式(8)计算可得，本工程修复工程高密度苯板的厚度εx为0.05m。根据规范要求可知，当采用高密度苯板等保温材料对工程进行保温处理时，可以根据冻深估算保温板的厚度，即10～15cm的冻深需要1cm厚的保温板。由前文分析可知，本工程已有防冻垫层为35cm，根据规范推算，已有防冻垫层可减少3cm保温苯板厚度，即本工程只需加铺2cm厚的保温苯板。然而，根据施工实际要求，高密度苯板厚度不宜小于4cm，因此，本工程高密度苯板厚度确定为4cm。高密度苯板具体技术要求为：表观密度不小于60kg/m3，压缩强度(相对变形百分率)400kPa，导热系数不大于0.039W/(m·℃)，尺寸稳定性不大于1%，吸水率(体积)不大于2%。

3.2 配套完善大坝管理设施

3.2.1 配套大坝观测设施

现状大坝无观测设施，本工程拟设置行之有效的观测设施，如渗漏量观测及水位观测设施。本工程除险加固的观测项目主要为坝基渗透压力观测以及水库区气象、冰情、水位等观测和水库大坝上、下游巡视观测等。变形监测主要在坝两端和坝体的0+400、0+850处埋设标石，设置中心，通过全站仪测量坝体位移量。渗流监测主要通过在坝体的0+850、1+100断面布置渗透压力观测孔。每个断面布置4孔，分别布置在前坝肩、后坝肩及下游坝坡。在0+957.3放水闸处设置水尺。

3.2.2 管理站房

为改善水库管理条件，放置监测水库信息数据的仪器设备，以及满足管理人员的办公、生活要求，应新建管理站房94.73m2，为砖混结构。

3.3 坝顶、上坝路面修复

本工程除险加固措施中，-0+545.7～1+764.6段坝顶路面设计为砂砾石路面，砂砾石层厚30cm，相对密度不小于0.75，在坝顶下游侧设置C25F200预制混凝土平缘石，平缘石尺寸为0.10m×0.40m×0.50m(宽×高×长)。现状上坝路桩号0+917.5处的砂砾石路面，翻浆严重，雨天上坝不便。上坝路长396m，路面宽7m，本工程除险加固措施保持上坝路长度、宽度不变，只对路面进行改造，新增30cm砂砾石路面，上坝路中心线两侧2%放坡，压实指标为相对密度不低于0.75。

3.4 机电及金属结构

在本工程除险加固措施中，针对水库放水闸运行存在的问题，配置S9-80kVA变压器1台，改造配电线路(10kVA/50)750m。

4 除险加固工程施工技术

4.1 混凝土护坡修复施工

首先采用挖掘机带液压破碎锤振捣破碎原混凝土板，人工配合1m3反铲挖掘机挖装，8t自卸汽车运2km至弃渣场。然后进行4cm坝体砂砾石抠除施工。4cm坝体砂砾石抠除是为铺设高密度苯板做准备，采用人工抠除，要求坝体土抠除后坡面平整，不得有大于2cm的粒径石子在表面，利用蛙式打夯机及手扶式平板夯夯实。下一步进行高密度苯板铺设。坡面整平夯实后即可铺设高密度苯板，高密度苯板易折断，铺设过程应轻拿轻放。最后进行混凝土板浇筑。混凝土骨料从距施工现场67km的砂石料场拉运，运至工地后储备，在规划的混凝土拌和站周边堆放，搅拌时用人工胶轮车拉运砂、混凝土骨料、水泥，并用0.4m3移动混凝土拌和机制备混凝土，400L机动翻斗车运500m，采用溜槽入仓，插入式振导器机械振导密实，钢模成型，人工洒水定期养护。

4.2 坝顶路面与上坝路施工

施工中，采用1m3反铲挖掘机在砂石料堆放场挖装，8t自卸汽车运1km，74kW推土机推平，使用13.5t振动碾进行压实，机械无法压实的部位用蛙式打夯机压实，砂砾石压实相对密度不低于0.75。

4.3 输电线路及变压器安装

输电线路及变压器安装按照输变电相关施工规范进行。

4.4 管理站房施工

管理站房施工按照建筑相关施工规范进行。

4.5 变形监测及渗流监测设备安装

4.5.1 变形监测设备安装

人工开挖并埋置预制混凝土标石，然后进行人工回填，并采用蛙式打夯机压实，且压实度不低于96%。

4.5.2 渗流监测设备安装

渗流监测设备安装包括钻孔、下井管、回填反滤料、鼓水冲井、抽水洗井、抽水试验、井口工程实施等。钻孔过程中应摸清地层的变化情况，保证滤水管布置在合适的地层中。井管间应连接好，不得有缝隙，以防漏砂。回填反滤料可采用导管法，以防离析。回填反滤料后应立即进行冲井和洗井，破碎泥皮，洗出反滤料中的泥沙，促进含水层中的较细颗粒进入井内排出，使较粗颗粒排列在反滤料的周围，形成天然反滤，防止或延缓使用过程中淤堵。然后进行抽水试验，量测流量和出沙量，检验井的效果。最后进行井口工程的实施。

5 除险加固工程效益分析

富强水库除险加固工程包括混凝土护坡修复工程、坝顶路面工程、输电线路及变压器安装工程、管理站房工程、变形监测及渗流监测设备安装工程和上坝路工程，本工程概算总投资262.19万元。通过对本工程固定资产投资、年运行费、流动资金及其效益等进行计算分析可得，该工程经济内部收益率为9.97%，大于社会折现率8%；经济净现值为74.12万元，大于0；效益费用比1.21，大于1，由此可知其经济上是可行的。

然而，作为除险加固项目，社会效益起主要决定作用。本工程实施后，将增加水库运行可靠度，进一步保障农业生产，垦区居民将得以安居乐业。同时也将对社会安定和经济发展产生不可估量的影响，社会效益较好。