关于淄川区土泉水库除险加固的研究

李洪蕊，张晓敏

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

1 工程概况

土泉水库位于淄博市淄川区太河镇土泉村，属淄河流域，坝址以上控制流域面积22.8km2，总库容20.19万m3，是一座以防洪、灌溉为主的小(2)型水库。水库地理位置十分重要，保护着下游土泉村、柳花村、峨庄村的安全，对削减洪峰、减轻下游防洪压力发挥较大作用，同时在灌溉方面效益明显。

土泉水库枢纽主要由大坝、溢洪道、放水洞等三部分组成，始建于1958年10月，1962年竣工。由于受工程建设时期历史条件的限制，该工程修建时无地质勘察及设计资料，存在一定的先天不足，自工程竣工后就经过了多次除险加固。根据《防洪标准》(GB50201-2014)及《水利水电工程等级洪水标准》(SL252-2017)，水库枢纽工程属Ⅴ等，大坝、溢洪道、放水洞等建筑物级别为5级，洪水标准为20a一遇洪水设计，200a一遇洪水校核[1-2]。

土泉水库始建于1958年10月，1962年竣工。水库枢纽主要由大坝、溢洪道、放水洞三部分组成。土泉水库大坝为浆砌石重力坝，下游坝坡为直墙加斜坡式，直墙段高2.0m，下坡段坡比为1∶0.65。下游坝坡末端设有长8.6m的消力池，池底高程380.44m，池深0.64m，浆砌石消力池尾坎与下游河底高程378.0m高差约2.44m，下游河底冲坑无防冲防护措施。

受工程建设时期历史条件的限制，工程存在一定的先天不足，自工程竣工后就经过了多次除险加固，历次主要加固项目有：

1966年7月14日夜间两点，暴雨成灾，洪水冲开坝体一个缺口，1967年修复。同时在坝体下游新建消力池，宽70m，长10m。

2005年4月，完成了《土泉水库应急加固方案》，主要工程内容为对坝体渗漏严重段进行灌浆防渗处理，包括东部坝端二次加高结合处30余m和坝西部20m渗漏严重段。

2008年5月，完成《土泉水库除险加固方案》。加固主要内容包括：①坝体灌浆防渗；②坝面剔缝勾缝；③溢洪道底部整修护砌，两侧导流墙加高；④更换放水洞闸阀。

2017年8月，完成《淄川区水库除险加固工程初步设计报告》(报批稿)。除险加固主要内容包括：①大坝桩号0+064-0+107段坝体充填灌浆和坝基帷幕灌浆；②大坝下游坝面剔缝勾缝；③坝顶设太阳能路灯及坝坡处设安全警示标志等附属工程。

受第9号台风“利奇马”影响，2019年8月12日，淄川区遭受历史罕见的大暴雨，发生严重的洪涝灾害，造成巨大的财产损失。其中，淄川区峨庄支流水库、塘坝受创严重，威胁周边及下游居民的生命财产安全。

2 除险加固的原因

土泉水库建成运用至今均已超过50a，由于受工程建设时期历史条件的限制，该工程修建时无地质勘察及设计资料，存在一定的先天不足，经过几十年的运行，工程老化问题突出。

受第9号台风“利奇马”影响，2019年8月12日，淄川区遭受历史罕见的大暴雨，发生严重的洪涝灾害。土泉水库损坏严重，威胁周边及下游居民的生命财产安全。

2019年9月，对土泉水库安全状态进行鉴定和评价，为下一步开展除险加固工作提供依据。根据《水库大坝安全评价导则》(SL258-2017)，评定大坝安全类别为“三类坝”。

土泉水库存在的问题如下：

1)大坝下游坝坡砌体抗冲刷能力不满足要求，下游坝坡冲刷破坏严重。直墙以下段大块砌体分层脱落，甚至局部坡脚出现淘刷大洞，砌体落入下游消力池内。未损坏部位，砌石勾缝处砂浆有脱落，表面长有零星杂草。从脱落位置可以看出，坝体由表层料石和不规则块石多层砌筑而成，中间夹有一层复合土工膜，脱落部分多处有水渗出。

2)过坝水流未能在消力池内形成完整水跃，消能不完全，对池后河底冲刷严重。

消力池下游现状消力池内有水，浆砌石消力池尾坎砌体完整，无明显裂缝，砌筑上下层接缝处砂浆脱落，有渗水现象。消力池下游河道冲坑内有积水，无防冲防护措施。

3)坝顶两侧设有铁栏杆柱，中间铁链相连，出现锈蚀情况。

3 问题原因分析

为判断不同水流跌落位置以及对下游坝坡面产生的危害程度，下面选取不同流量进行复核计算。当Q=7m3/s、Q=33m3/s、Q=75m3/s、Q=131m3/s、Q=488.33m3/s(20a设计下泄流量)时，水流跌落位置及流速分布如图1所示。

图1 不同流量下坝顶水流跌落位置及跌落流速分布

由计算可知，当Q=131 m3/s时，水流跌落至下游坝坡坡脚；Q=488.33 m3/s时，水流跌落至坝下游消力池内。

据调查，汛期洪水超坝顶1m多，接近20a一遇设计。现状下游坝坡自直墙段以下坝面已被冲坏，现场调查与计算相吻合。同时由不同流量计算结果可以看出，当Q=7m3/s时，水流跌落至下游坝坡，距离坝顶竖向距离约3.29m，水流流速为8.2m/s，已远超浆砌石坡面的抗冲流速3.5-5.5m/s。当Q=131 m3/s时，跌落处流速高达12.41m/s，对下游砌石坝面的破坏程度很大。而大于设计下泄流量的洪水，均跌落至坝下消力池内，但未能在消力池内形成完整水跃，消能不完全，对池后河底冲刷严重，建议采取防冲措施。

4 除险加固设计

4.1 下游坝坡加固设计

土泉水库大坝防渗心墙为乱石砌筑，砌筑质量较差，坝肩存在局部渗漏现象。下游坝坡水毁严重，砌体大范围脱落。大坝下游坝坡砌体抗冲刷能力不满足要求，破坏严重。为解决下游坝坡抗冲刷能力不足的问题，设计拆除坝体下游坝坡至新鲜砌石，将新鲜砌石表面凿毛，采用40cm厚C25现浇钢筋混凝土板。坝坡内设排水管，防止浆砌石老坝体渗水。混凝土板与坝体砌石之间用φ20的锚筋相接，锚筋排布间距为1m×1m。在新建混凝土坝坡底部设混凝土压脚。重建后的下游坝坡型式见图2。

4.2 下游防冲槽设计

经计算，设计工况下所需消力池长度为12.73m。设计工况下计算消力池长度大于实际消力池长度，完整水跃不能在消力池内完成，消能效果较差，因此对消力池下游河道冲刷较严重，下游河道需采取相应措施进行防冲防护。在消力池下游冲坑部分新建防冲槽，长4m，深2m，防冲槽内底部1m深放置石块，可将冲落消力池的乱石重新利用，避免浪费；顶部1m深度范围内放置格宾石笼，避免被洪水冲走。防冲槽型式见图2。

图2 下游坝坡重建图

4.3 坝顶栏杆设计

土泉水库为浆砌石溢流重力坝，坝顶为混凝土路面，两侧设有铁链相连的铁栏杆柱。经过长年运行，栏杆已出现锈蚀。本工程设计仅对栏杆进行除锈处理。该栏杆型式合理，造价低，遇洪水时，上游冲过来的垃圾可轻易通过锁链，避免垃圾堆积于坝顶而对大坝造成更大的破坏。设计合理，造价低，充分体现了劳动人民的智慧。

5 结 语

土泉水库的除险加固设计，对当地人民有着重要的作用。限于历史条件，当地许多小型塘坝原始资料不足，经费有限，在不影响塘坝安全的前提下，节省成本，消除隐患问题，恢复水库和塘坝应有的功能，，确保工程安全和正常使用。并为其它水库塘坝，文章从塘坝的加固设计等方面，总结了土泉水库加固设计设计的经验，为今后其他类似工程的设计提供参考。