浅谈彰武县北沟水库除险加固设计方案

2021-01-14胡伟

黑龙江水利科技 2021年7期

胡伟

(彰武县水利事务服务中心，辽宁彰武 123200)

1 工程概况

北沟水库位于阜新市彰武县冯家镇侯贝营子村境内，地理坐标为E42°35'08"，N122°30'25"，是一座以农业灌溉、防洪为主，兼有水产养殖等综合利用的小(1)型水库，水库所在河流为养息牧河二级支流西地河。

水库原设计洪水标准为50a一遇，校核洪水标准为500a一遇。该库在运行过程中经历四次除险加固：1976年输水洞改建加固、1985年进行大坝培厚和防浪墙兴建、2002年溢洪道改建、2008年增设排水体和防浪墙。2008年除险加固水库设计洪水标准为10a一遇，校核洪水标准为50a一遇。2019年北沟水库大坝安全鉴定设计洪水标准为10a一遇，校核标准为50a一遇。根据2017年本溪市水利电力勘察设计有限责任公司出具的彰武县北沟水库安全分析综合评价报告，鉴定北沟水库大坝为3类病险坝，急需除险加固措施。

2 水库除险加固的必要性

北沟水库建库50多年来，水库为国民经济的发展做出了巨大贡献，发挥了良好的经济效益、社会效益和生态效益。北沟水库虽经过几次加固处理，特别是2008年除险加固后，基本险情已得到处理，但由于资金问题未能彻底除险。随着工程使用年限的增加和遭遇高水位运行工况，加固设施和未加固设施逐步暴露出部分问题，受人力、资金限制，监测设施不完善难以通过维修养护有效处理，工程仍存在的诸多安全隐患。

2.1 大坝

上游坝坡局部干砌块石松动、变形、不规整、严重风化；下游坝面局部凹凸不平。干砌石排水棱体顶部砂浆罩面多处破碎、开裂，局部因不均匀沉降而向下游侧倾斜，排水棱体块石排列不齐。坝顶为砂石路面，凹凸不平；迎水侧坝顶防浪墙为浆砌石砌筑，砂浆罩面多处开裂；下游侧路缘石部分向下游侧倾斜，多处缺失、分离；路面无防护措施，对大坝防汛、交通不利。坝基渗漏，坝下形成沼泽。

2.2 溢洪道

进口段底板未衬砌，左、右两侧边墙为浆砌石结构，局部勾缝砂浆开裂、脱落，部分砌石剥落、缺失。控制段拦污栅墩砂浆罩面普遍开裂脱落；闸墩混凝土普遍存在碳化，水位变化区冻融剥蚀，老闸混凝土与新混凝土之间施工冷缝明显，老闸混凝土已老化严重；存在绕坝渗流；闸墩顶部钢筋混凝土排架柱及启闭机工作台混凝土存在裂缝。拦污栅无起吊设备，金属构件全部锈蚀，局部拦污栅顶梁和边梁开焊，变形严重；闸门面板及梁系构件普遍存在锈蚀，手动螺杆式启闭机无铭牌，机体防腐涂层全部脱落、锈蚀，螺杆与闸门吊耳的连接栓均已严重变形。闸墩顶部钢筋混凝土排架柱混凝土存在局部破碎，粗骨料外露，闸室段上部为交通桥，桥面两侧无护栏等防护装置。泄槽渐变段混凝土底板冲刷剥蚀严重，骨料外露；浆砌石左边墙底部存在明显淘刷，嵌缝砂浆脱落，最大淘刷深度达24cm。底板存在通长纵向裂缝，长度为2m。混凝土陡槽段内侧底板混凝土冲刷剥蚀严重，粗骨料外露。左边墙内侧底角处局部露筋，两侧边墙与底板连接处淘刷明显，左、右两侧边墙存在施工缝开裂，钢筋保护层过薄，锈蚀鼓胀，混凝土开裂，混凝土段与浆砌石段连接处，砂浆抹面开裂。消能防冲设施石笼防冲防护破碎[1]。

2.3 输水洞

输水洞竖井闸内两扇钢闸门，闸门漏水，手动螺杆启闭困难，铭牌缺失。

2.4 除险后社会效益

水库除险后，削减了西地河洪峰，提高了抗洪能力，保护水库下游冯家镇1.5万人口和1333hm2耕地，大郑线铁路、G304(丹霍线)、新鲁高速(G2511)、X917(大韩线)、冯兰线及通信光缆等重要基础设施的安全，水库作用极为重要。

2.5 除险后经济效益

可灌溉面积为267hm2，养殖水面30hm2，工程投入运行后，为保护人民生命财产安全和农业发展建设发挥了极其重要的作用，能取得明显的社会效益和经济效益。

3 工程设计方案

3.1 大坝加固设计

3.1.1 坝顶设计

由于大坝上游坡面施工破坏坝顶，且现有坝顶路凹凸不平，本次改造按照原路面规模恢复，新建路面宽4.0m，采用0.2m厚的混凝土路面，下设0.15m水泥稳定层。

对坝顶上游防浪墙重新进行混凝土罩面；恢复下游坝肩花岗岩路缘石。

根据管理需求增设坝顶照明设施，采用太阳能路灯，共10盏。

3.1.2 上游护坡设计

拆除大坝上游局部干砌石护坡，并按原规模恢复。

恢复干砌石厚0.3m，维持护坡下铺设200mm厚碎石垫层和150mm砂垫层不变。

3.1.3 下游坝脚排水棱体设计

拆除大坝下游坝脚沉降倾斜排水棱体，并按原规模恢复。

拆除重建坏损的排水棱体长50.0m，排水棱体维持原尺寸，顶宽1.0m，高2.3m，上游坡比1∶1，下游坡比1∶1.5，棱体底部和上游均设置反滤层，顶部采用0.2m厚C30F300混凝土压顶。

3.1.4 坝脚盖重设计

北沟水库库区地处科尔沁沙地前沿，建于河流冲积层上，坝基为多层透水地基，表层为弱透水层，下卧强透水砂层，形成双层地基或弱、强透水层交替构成多层地基[2]。

根据5.5.1.8节渗透稳定计算，表层土缺失时坝基渗透比降为0.35-0.40。参照《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL189-2013)：

满足Ja-x>(Gs-1)(1-n1)/K=(2.65-1)(1-0.56)/2=0.36时，应设置排水盖重层或排水减压井。

由于坝基覆盖层较为深厚，底部相对不透水层较深，通过截渗(悬挂)效果差且投资大，结合《辽宁省小(1)型病险水库除险加固工程初步设计指导意见》“允许渗漏但不允许渗透破坏”原则，采用在坝脚加盖重是坝基覆盖层抗渗稳定最常用也是非常有效的除险措施。

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL189-2013)，排水盖重层厚度计算公式如下：

(1)

式中：Ja-x为表层土在坝下游坡脚点a至a以下范围x点的渗透比降；Gs为表层土的土粒比重；n1为表层土的孔隙率；t1为表层土的厚度，m；γ为排水盖重层的容重，水上用湿容重，水下用浮容重，kN/m3；γw为水的容重，kN/m3；K为安全系数，取1.5-2.0(本次取2.0)。

修建盖重后将会引起坝体内承压水头的升高，采用弱透水盖重会显著增加盖重的宽度，因此，修筑盖重选用透水材料，本次设计采用砂石结构。

经计算，排水盖重厚度1.08m，本次设计排水盖重厚度取1.1m，由下至上依次铺设一层反滤土工布、0.3m厚粗砂、0.3m厚碎石和0.5m厚干砌石。

根据坝脚渗出出逸点位置，在坝脚左侧150.0m(桩号0+124.5-0+274.5)范围布设排水盖重。渗透破坏离坝脚越远越安全，结合现状，由排水棱体与现状地面平顺连接，排水盖重顺水流方向取10m。

3.2 溢洪道加固设计

本次加固设计拆除重建悬槽段前的进口段、控制段；对渐变段、泄槽段底板罩面，重新做结构缝止水设施；拆除重建消能防护；更换控制段闸门及启闭设备。

由于末端悬槽段本次加固设计未调整，控制段位置及高程亦未调整，拆除后重建其纵向、横向结构尺寸维持原结构不变。

拆除重建后溢洪道仍由进口段、闸室段、渐变段、陡槽段和悬槽段组成。5.7.1.1进口段(桩号0-008.600-0+000.000)

进口段长8.6m，底宽由17.14m渐缩至11.8m，底板高程由146.59m升至147.6m，两侧边墙墙顶由149.09m升至150.70m。进口段采用钢筋混凝土矩形槽结构，底板及边墙厚度均为0.4m，底板下设0.1m厚素混凝土垫层。混凝土标号C30F300W4，素混凝土标号C15。

闸室段(桩号0+000.000-0+007.000)

闸室段采用钢筋混凝土结构，长7.0m，宽11.8m，闸室底板顶高程147.6m，底板厚1.5m，下设0.1m厚素混凝土垫层。闸室共设有4孔2.8m高的铸铁工作闸门和4孔2.8m高的铸铁检修闸门，每孔净宽2.5m，边、中墩宽均为0.6m，墩顶高程151.5m，墩顶上游为闸门启闭机排架及启闭机室，下游设有交通桥，交通桥桥顶高程151.5m，宽4.0m，并与两侧坝顶连接。混凝土标号C30F300W4，素混凝土标号C15。

渐变段(桩号0+007.000-0+021.100)

渐变段长14.1m，底宽由11.8m渐缩至5.8m，底板高程由147.6m降至146.65m，两侧边墙墙顶由151.5m降至149.7m。渐变段凿除风化0.2m厚底板重新利用钢筋混凝土罩面，混凝土标号C30F300W4。对结构缝利用沥青塞缝，缝表面用聚硫密封膏处理。

陡槽段(桩号0+021.100-0+080.700)

陡槽段长59.6m，底宽5.8m，底板高程由146.65m降至143.81m，两侧边墙墙顶由149.7m降至145.74m。陡槽段凿除风化0.2m厚底板重新利用钢筋混凝土罩面，混凝土标号C30F300W4。对结构缝利用沥青塞缝，缝表面用聚硫密封膏处理。

悬槽段(桩号0+080.700-0+104.700)

悬槽段长24.0m，此段为2008年加固段，现状结构良好，本次设计维持不变。

石笼防护

拆除悬槽段末端的消能石笼，重建固滨笼消能护坦，护坦长5.0m，宽7.0m，石笼厚1.0m。生态格网应符合《生态格网结构技术规程》(CECS353:2013)标准，安装须在专业厂家指导下进行，填充石料应采用坚硬未风化的卵石或块石，其尺寸不能小于格网网孔。