双乳山水库除险加固工程概述

2020-01-06李顺平

山西水利科技 2020年2期

李顺平

（忻州市忻府区云中河水利服务中心山西忻州034000）

1 工程概况

双乳山水库位于云中河支流南云中河上游的双乳山脚下，是海河流域子牙河水系滹沱河一级支流南云中河上的一座控制性工程。坝址以上控制流域面积330 km2，其中石山区面积252 km2，土石山区面积78 km2。双乳山水库原设计总库容1 285万m3，最大坝高11.0 m。洪水设防标准为百年一遇洪水设计，保坝设计标准未说明（经复核其洪峰流量相对应为千年一遇洪水标准），兴利运用标准为年调节运行，控制灌溉面积5 800 hm2。

水库运行十五年后，于1976年又在双乳山水库上游8.4 km处修建了“米家寨水库”。米家寨水库设计总库容为1 119万m3，最大坝高23.0 m。洪水设防标准为100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核标准。坝址以上控制流域面积305 km2，此后又于1979年在双乳山水库上游7.6 km处（南北云中河分水口处）修建了固定分洪工程，用以控制云中河干流洪水的渲泄，南北云中河分洪比例为4∶6。至此，双乳山水库控制流域面积缩减为25 km2，但仍承担米家寨水库下泄洪水40%的分洪任务及两库之间25 km2的洪水调蓄任务。为一座以灌溉为主，分洪、养殖为辅的半旁引水库，其运行方式与米家寨水库的运行方式密切关联。米家寨水库的主要任务为缓洪蓄清，双乳山水库的主要任务为分洪蓄清，灌溉兴利。

2 工程现状

双乳山水库现状由主坝、副坝、七个小山包、溢洪道、输水洞组成。

大坝座落在台坡山与凤凰山237 m长的河谷之间，在大坝左侧由四个相连的小山包（即台坡山、馒头山、红山、暖泉山）和1 782 m长的东副坝相连，形成库区左侧挡水坝；在大坝右侧由凤凰山、119 m长的1#副坝、破头山、50 m长的2#副坝、黑龙弯山和2 043 m长的西副坝相连，形成库区右侧挡水坝。双乳山水库原设计为年调节水库，防洪标准为100年一遇洪水设计，总库容1 285万m3，设计主坝坝高11.0 m，坝顶宽7.0～12.0 m，坝顶长317.5 m，大坝迎水面坡比1∶3，背水面坡比1∶2.5，下游坝坡脚设1.5 m高干砌石排水棱体。大坝坐落在原河床上，坝基未作防渗处理，坝基渗漏非常严重，库水位达到8.5 m时，坝后渗水达0.113 m3/s。经过四十余年运行，现状坝顶平均累计下沉62 cm，现状坝高程为10.38 m。

1#副坝座落在大坝右侧的凤凰山与破头山之间，设计坝高7 m，坝顶宽4 m，现状坝顶宽8.5 m，坝顶长119 m，迎水面边坡为1∶3，背水面边坡为1∶2.5，设计坝高为11 m。库水位达到8.50 m时，坝后渗流成为一片沼泽，现状坝体平均累计下沉46 cm，现状坝高为10.54 m，坝坡迎水面干砌石护坡破烂不堪。

2#副坝座落在大坝右侧的破头山与黑龙弯山之间，设计坝高3.0 m，坝顶宽1.5 m，坝顶长50 m，迎、背水面边坡为1∶1，设计坝高11 m。坝体单薄，边坡较陡，当水库水位达到8.0 m时，坝后渗水成为一片沼泽。现状坝体平均累计下沉50 cm，现状坝高为10.50 m。

东副坝布设在库区左侧，从暖泉山相接向库区上游延伸1 782 m，与南云中河河堤相连。东副坝设计顶宽2m，上、下游边坡分别为1∶1.3和1∶1.0，坝高5～2 m，设计坝高11 m，为人工夯实的土坝。现状坝体单薄，边坡较陡，防洪能力差，当库水位达到8.5 m时，坝后成为一片沼泽，渗水流量达到0.03 m3/s。现状坝高为9.7～10.47 m。

西副坝布设在库区右侧，从黑龙弯山始，向库区上游延伸2 043 m，与南云中河河堤相连。西副坝设计顶宽2 m，上、下游边坡分别为1∶1.31和1∶1.0，坝高5～2 m，设计坝高11 m，为人工夯实土坝。现状坝体单薄，边坡较陡，波浪冲刷严重，防洪能力差，当库水位达到8.5 m时，坝后成为一片沼泽，渗水流量达到0.045 m3/s。经过四十余年的运行，现状坝顶高程为9.7～10.55 m。1997年，仅将西副坝最严重的地面接触渗流滑坡隐患部位（桩号从0+025～0+605 m段），580 m长的险工地段进行了局部粉喷桩防渗加固处理，其效果良好，其余的1 438 m副坝仍存在渗透变形问题，尤其是在高水位蓄水期间，时刻威胁着水库的安全，对管理工作带来了极大的不便。

溢洪道布设在大坝（主坝）右坝肩，为开敞式溢洪道，溢洪道断面为复式断面，总长103.7 m，进口宽43.8 m，其中深槽净宽7.8 m，闸墩厚0.7 m，高2.0 m；浅槽净宽4 m×8 m，闸墩厚0.6 m。由闸室段、水平泄槽、陡坡、消力池组成，为浆砌石结构，设计最大泄量210 m3/s。在深槽内设三扇平板木闸门，用螺杆启闭机启闭。由于该建筑物运行四十余年，在水流冲刷、冻融的作用下，特别是消力池灰缝脱落，砌体错位，比较破烂，设备老化，不能正常运行。

原灌溉放水洞工程布设在1#副坝右坝肩，建于基岩之上，闸室总长4.0 m，宽2.8 m，为两孔1.0 m宽、2.0 m高的放水洞，用两扇平板木闸门及两台螺杆式启闭机控制。闸墩厚0.8 m，为浆砌石结构，洞顶为拱形砌石，闸室下游无消能工程，老化失修，冲刷严重。致使工程损坏严重，现状已不能正常运行。

原放水洞遭到破坏后，于1994年10月在修复溢洪道工程的同时，又在溢洪道进水闸基下新凿灌溉洞工程，其结构为0.8 m×0.8 m的钢筋砼暗洞，设计流量1.0 m3/s，由铸铁闸门控制，现状运行良好。

3 存在问题

双乳山水库投入运行四十余年来，在保护下游忻州城区以及铁路、公路和通讯等基础设施的防洪安全，保障下游4个乡镇5 800 hm2农田的灌溉方面起着不可替代的作用。随着经济的发展和忻州城市的扩张，对横穿规划市区的南云中河的防洪任务提出了更高的要求，加之经济的发展和社会的进步，对水资源的需求日益紧迫。但水库存在诸多不稳定隐患，现状水库枢纽工程存在的主要问题：

1）水库主、副坝防洪能力低于100年一遇洪水标准。

2）主、副坝上游护坡塌陷、破损严重。副坝坝顶宽度及抗滑稳定安全系数均不满足规范要求。

3）坝体填筑质量差，大坝坝基、副坝坝体、坝基及东西副坝漏水严重，存在严重的渗透破坏现象，渗流形态不安全。

4）溢洪道进口闸室为浆砌石结构，砂浆脱落，下游消力池两侧墙倾斜，出口消力坎掏刷破坏严重；进口闸门、启闭设施老化。

5）大坝左坝肩岩体较破碎，裂隙发育，渗漏严重。

6）防汛上坝公路不畅，无必要的大坝安全监测与管理设施。

2007年3月，受忻府区水利局及云中河灌区管理处委托，忻州市水利勘测设计院进行了“双乳山水库大坝安全鉴定论证”，同年8月完成《双乳山水库大坝安全鉴定论证报告》，并上报省水利厅，通过部、省专家组鉴定，鉴定结论为：

1）水库综合类别为三类病险库。

2）水库现状规模，不达100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核标准，综合考虑水库防洪安全性复核为C级。

3）副坝下游坝坡的抗滑稳定均不满足规范要求；溢洪道结构不安全，布置不合理。综合评价结构稳定性为C级。

4）大坝坝体填土不均匀，干密度偏低，渗透系数偏大；大坝坝基、1#、2#副坝体、坝基及东、西副坝漏水严重，存在严重的渗透破坏现象；1#、2#副坝坝后曾出现过管涌现象，渗流形态不安全。渗流形态安全性为C级。

5）副坝下游坝坡在遭遇地震时，抗滑稳定不满足规范要求；溢洪道结构不安全，布置不合理，不满足抗震要求。抗震安全系性为C级。

鉴于水库目前存在的问题，为确保双乳山水库这一调蓄工程的安全性，充分发挥其水利枢纽工程的综合效益，必须对其进行除险加固处理，彻底消除大坝不稳定隐患。

4 工程布置

整个除险加固工程由主、副坝防渗加固、溢洪道、左库岸防渗以及上坝公路和其他工程组成。

4.1 主坝

大坝坝顶宽5～7 m，路面为20 cm厚的C25现浇砼铺筑，并向下游成1%的坡比。在坝顶上游侧增设1.0 m高C20钢筋砼防浪墙，高6 m的路灯；下游侧设20 cm×50 cm预制C20砼路延。上游坝坡坡比设计为1∶3，护坡设厚15 cm预制C20砼嵌固块护坡，护坡下设一层200 g/m2-0.2 mm-200 g/m2两布一膜防渗土工布，土工布同坝基防渗墙相连，形成一道防渗屏障。下游坝坡坡比设计为1∶2.7，采用草皮护坡和预制C20凹型砼块排水沟。

坝基采用砼高喷防渗墙防渗，设计墙体厚度30 cm，防渗长度为230 m，平均深度为11 m，总防渗面积2 530 m2。

4.2 1#、2#副坝

1#副坝上游坝坡护坡全部拆除，通过清理，然后重新碾压回填土。同时将坝顶和后坝坡树木全部拔除，并进行整理维修，坝后增设1.5 m高的干砌石排水棱体。1#副坝设计坝顶长119 m，设计最大坝高7.0 m，坝顶宽维持现状为8.5 m，迎水面边坡为1∶2.5，背水面边坡为1∶2.0，路面为25 cm厚的C20预制砼六棱块铺筑，增设1.2m高C20钢筋砼防浪墙，高6 m的路灯，下游侧设20 cm×50 cm预制C20砼路延。上游护坡为厚15 cm预制C20砼嵌固块护坡，其下铺设一层400 g/m2无纺布。下游坝坡采用草皮护坡，并设横向预制C20凹型砼块排水沟。坝基防渗采用砼高喷防渗墙防渗，设计防渗墙打穿坝基亚砂土层和中细砂层到基岩面止，防渗墙厚度30 cm，防渗长度为97 m，平均深度为7.42 m，防渗面积为719.74 m2。

2#副坝全部拆除重建。设计坝高11 m，坝顶长54 m，坝顶宽4.0 m，路面为20 cm厚的C25现浇砼铺筑，上游侧设1.0 m高C20钢筋砼防浪墙，下游侧设20 cm×50 cm预制C20砼路延。上游坝坡坡比设计为1∶2，护坡为厚15 cm预制C20砼嵌固块护坡。下游坝坡坡比设计为1∶1.75，采用草皮护坡，并设横向预制C20凹型砼块排水沟，坝基采用结合槽防渗。

4.3 东、西副坝

对东副坝340 m进行防渗加固处理，同时考虑防洪抢险的需要对坝体进行培厚处理，坝高维持现状高程10.5 m，坝顶宽4.0 m，在坝顶两侧筑浆砌石挡墙，中间填土压实，上面铺设25 cm泥结碎石路面。上游坝坡在原坝坡基础上加以修整之后，增设厚15 cm预制C20砼嵌固块护坡，护坡下从外到内依次铺设3 cm厚1∶10砂浆找平层和200 g/m2-0.2 mm-200 g/m2防渗土工布一层。下游坝坡在原坝坡基础上加以修整之后，增设草皮护坡。

沿东副坝迎水面坝脚对坝基设砼高喷防渗墙防渗。防渗墙的设计深度通常由地质条件和设计条件允许渗流深度两个因素控制。根据本次地质勘探资料东副坝13 m左右以下为较密实的不透水亚黏土层，防渗墙的墙底深入该土层1.0 m即可，结合水库实际情况本次设计东副坝设计防渗长度为340 m（桩号为0+000～0+340 m），设计墙厚30 cm，墙深14 m，以截断坝基强透水层，深入弱透水层亚黏土层1.0 m，防渗面积为4 760 m2。防渗墙浇筑完成后需打桩头50 cm。

西副坝坝高仍维持现状10.5 m（平均值），结合路面处理适当加宽坝顶，坝顶宽4.0 m，路面为25 cm泥结碎石路面，上游增设1.0 m高浆砌石防浪墙。上游坝坡在原坝坡基础上加以修整之后，增设厚15 cm预制C20砼嵌固块护坡，护坡下从外到内依次铺设3 cm厚1∶10砂浆找平层和土工布200 g/m2-0.2 mm-200 g/m2土工布一层，土工布同坝脚水泥土连续防渗墙连为一体，形成一道防渗屏障。下游坝坡经过削坡处理后方可进行坝体培厚，再设草皮护坡。同时，沿西副坝迎水面坝脚设水泥土连续防渗墙对坝基防渗处理，设计墙厚30 cm，墙深10 m，以截断坝基强透水层，深入弱透水层亚黏土层1.0 m。防渗面积为8 000 m2。为便于同防渗墙和顶部墙帽更好地连接在一起，浇筑完成后需打桩头50 cm。

4.4 溢洪道和灌溉输水洞

设计将现状溢洪道及灌溉输水洞进口全部拆除重建，新建溢洪道布设在溢洪道原址范围内。新的溢洪道全长141 m，由进口段、闸室段、陡坡段、消力池和海漫及防冲槽段五部分组成，设计最大泄量为249.62 m3/m。

进口段：闸前进口段长22.5 m，由左、右导水墙和闸前铺盖组成。左右导水墙为M7.5浆砌石重力式挡土墙结构，最大高度为4.8 m，闸前铺盖长22.5 m，底板为厚30 cm现浇C20砼。

闸室段：闸室段全长10.1 m，宽21.2 m，分为4孔净宽3.2 m泄洪闸，和一孔净宽0.8 m灌溉洞，泄洪闸进口底板厚80 cm，上、下游设齿墙，上游齿墙深2.4 m。闸墩厚1.2 m，高6.0～8.35 m，设3.9 m宽20.2 m长的启闭机控制室，墩顶为5 m宽17.8 m长的交通桥。泄洪闸工作门为3.2 m×3.5 m平板铸铁闸门，采用QPQ-2-100卷扬式启闭机启闭。灌溉洞进口位于闸室左侧，进口底板长3.5 m，工作门和检修门均选用0.8 m×0.8 m的平板铸铁闸门，用QL—30SD手电两用螺杆启闭机控制，出口接原输水涵洞。

陡坡段：闸室段后接陡坡段，陡坡段水平投影长50 m，纵坡为1∶5.0，陡槽为喇叭形，扩散角10°，进口宽16.4 m，末端26 m，侧墙采用浆砌石重力式结构，墙高6～2 m，底板为厚50 cm的C20砼。其下设10 cm厚C10混凝土垫层和30 m厚反滤层，分三层铺设，并设纵横向排水。每隔10 m设一齿槛，并在岩基和土基交界处设一齿槛。

消力池：陡坡后接消力池消能，经水力计算消力池宽26 m，长24 m，池深2.0 m。边墙为5.8 m高浆砌石结构，底板为C20砼结构，厚0.7 m，底板设Φ10 cm排水孔，按梅花型布置，孔距2 m，消力池底板下设设10 cm厚C15砼垫层和30 m厚反滤层。

海漫及防冲槽段：消力池后设长20 m宽26 m厚60 cm的铅丝笼海漫，两侧为高3.8 m的浆砌石导流墙。最后为32 m宽，14 m长抛石防冲槽。