基于保障安全的基本水尺断面混凝土冻融修复研究

李婵娟LI Chan-juan；焦有权JIAO You-quan

（①北京市密云水库管理处，北京 101512；②北京农业职业学院，北京 102442）

0 引言

1958 年9 月1 日动工兴建的密云水库，是我国华北地区防洪和为北京城区供水的关键性水利枢纽，工程始于1959 年汛期拦洪，1960 年建成并投入运营，设计总库容43.75 亿m3。经过历史上多次的扩建、改建和加固建设，成为如今的集挡水、输水、泄水建筑物为一体的、功能齐全的、可进行多年调节的大型水利枢纽工程（如图1）。

图1 密云水库枢纽平面布置图

密云水库工程按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核，坝顶高程160.0m，设计水位157.5m，校核水位158.5m，正常蓄水位157.5m，汛期限制水位152.0m，死水位126.0m。总库容43.75 亿m3，其中防洪库容9.27 亿m3，调洪库容11.08 亿m3，兴利库容35.45 亿m3，死库容4.19亿m3。

密云水库建成60 多年以来，在工程挡水、经济发展和社会促进方面发挥了巨大的效益：自1959 年工程拦洪以来，水库拦蓄了所有的上游洪水，基本上根治了潮白河流域的洪涝灾害，为下游人民的生命财产安全提供了保障。更为重要的是，在华北地区这个严重缺水地区蓄积了的大量清洁水源，极大的解决了水资源供需矛盾，从根本上保障了北京城市正常运转和区域经济社会平稳发展。在一个时期内，还促进了渔业、发电和局部大气环境改善。目前，水库已成为首都北京最重要的地表饮用水源地，被誉为首都人民的“生命之水”。

1 材料与方法

1.1 水文气象资料

密云水库是一座具有防洪、供水、发电等多种功能的大型水利工程，控制着潮白河流域的潮河和白河两条支流，水库的流域面积15788km2。水库所在地区的潮白河流域属大陆性季风性气候，主要受西北高压气流控制春秋季多风，冬季干寒。年平均气温11.5～11.8℃，全年无霜期200～203 天，多年平均降雨量600～650mm，最大冻土深度约1.0m。径流主要来源于大气降水，径流年际变化较大。根据多年水文气象站观察，流域内降雨分布，一般是从东南向西北递减。域内暴雨中心多出现在九松山（密云区）、溪翁庄（密云区）、枣树林（怀柔区）、千家店（延庆区）一带。

1.2 工程地质与水文地质

工程区属燕山山脉的一部分，从区域地质构造上看，库区为燕山沉陷带中部偏南，也是燕山山脉的中部，主要为太古代变质岩系及震旦纪中下部地层分布。沉积岩层的走向近东西而偏向北西，变质岩系的片理方向则为北东，二者为角度不整合关系接触。库区为一较大背斜的南翼近于轴部，西部震旦纪地层被片麻岩所代替。东至石井、石骆驼以西，北50°东方向线亦因断层关系，震旦纪地层被片麻岩截断。两断层之间相对的为下降地带，可谓白河小型地堑。再至潮河以东老牛湾蔓儿岭一线有北15°～30°东方向的正断层，其西侧断层上盘部分为上盘相对下降，东侧相对上升。由于本区处于燕山沉陷带内，褶皱断裂均较发育。

密云水库库区是一个盆地。东部的小根柱岭，西部的五座楼岭海拔1000m 左右，为巍峨的中高山地形，北部也是一系列较高的山地，包围着马蹄形的低地形-盆地底部。盆地内地形主要为侵蚀的低山地形，山顶高程大都在200m 至250m 左右，南部较高达300m 以上，最底部分在南沈庄、恒河东北为广阔平坦的河流淤积平原。

水文地质条件。白河坝址片麻岩风化很深，渗透性小，石英岩节理发育，渗透性强。由于构造发育，断层，挤压破碎带和裂隙很发育。河床砂卵石复盖层最深达44m，平均渗透系数500～800m/d。

潮河坝址处基岩透水性一般较小，单位吸水率w 均小于0.03L/min/m。河床段砂砾料复盖层最大深度14m，河滩部份约为2～5m，渗透系数K=3.4×10-2～1.8×10-1cm/s。

1.3 水工建筑物

1.3.1 白河水工建筑

密云水库水工建筑物很多，其中白河枢纽所包括的水工建筑物，主要是白河主坝、白河副坝、白河隧洞、白河调节池及码头等水工建筑物，还包括张家坟水文站、调节池管理站、白河出库站、二甲峪管理站4 座及其它建筑物。

1.3.2 潮河水工建筑物

潮河枢纽水工建筑物包括潮河主坝、九松山副坝、三座溢洪道、四条输泄水隧洞、潮河码头及潮河下会水文站、潮河出库站等。

1.3.3 溢洪道

水库设有三座溢洪道，总泄量15530m3/s。

1.4 项目实施的必要性

项目所属工程经过精心的维修养护，可实现工程设施外观完整、表面整洁、状态完好、运行顺畅的总体养护目标。主要工作为张家坟水文站基本水尺断面混凝土冻融修复。工程实施地点位于密云水库白河入库处的张家坟水文站，对测流的基本水尺断面进行修复。

2 结果与分析

2.1 基本水尺断面混凝土冻融修复预备

2.1.1 修复工程设计依据

①《水利工程维修养护定额标准（试点）》（水利部、财政部2004 年颁布）；②《北京市水利工程维修养护预算定额》（北京市水务局与财政局2013 年11 月联合主编）；③《水利工程维修养护考核标准》；④《水文设施工程施工规程》SL649-2014；⑤《密云水库设计总结》；⑥《密云水库工程技术手册》；⑦其它有关规范、规程；⑧北京市密云水库管理处提供的相关资料及现场查勘情况。

2.1.2 修复工程实施方案

张家坟水文站测流基本水尺断面位于张家坟水文站上游的白河入库的河流上，测流槽在中心河道，为现浇混凝土结构，净宽9m，底板混凝土厚0.4m，两侧挡墙高1m，宽0.5m，中间位置有高0.5m 的三角形剖面堰一道；混凝土段全长60m，出入口处各建有10m 的浆砌石扭面段和10m 的浆砌石斜坡段。左侧二层台为混凝土结构，宽20m，混凝土板厚0.3m，护砌斜坡段为厚0.5m 的铅丝石笼结构，宽65m；右侧二层台为混凝土结构，总宽10m，混凝土板厚0.3m，重力式混凝土挡墙净高1.06m，顶宽0.4m，底宽2.06m，基础厚0.8m，挡墙外侧铺筑有宽3m、厚0.4m 的干砌石护砌。

测流槽槽底高程181.00m，三角形堰顶高程181.50m，二层台高程182.00m，左岸护砌顶高程183.06m，右岸挡墙顶高程183.06m。

基本水尺断面测流槽及二层台的原混凝土面层全部凿除，右侧挡墙凿除60m 长，右侧挡墙外干砌石护砌地面拆除长度60m。新浇筑C25F150 混凝土测流槽，新浇筑左右岸的C25F150 混凝土二层台，新浇筑C25F150 混凝土重力式挡墙，结构尺寸及测流槽底、二层台顶高程保持不变。拆除的干砌石护砌新砌筑M7.5 浆砌石护砌地面。

主要工程量：凿除底板混凝土750.1m3，凿除挡墙混凝土202.2m3，浇筑底板C25F150 混凝土750.1m3，浇筑挡墙C25F150 混凝土202.2m3，堰顶钢板埋件9m（8mm 厚钢板1.98m2，Ф16 钢筋10.3kg，Ф8 钢筋6.2kg），砌石护砌拆除砌筑60m（拆除干砌石72m3，砌筑M7.5 浆砌石72m3，M10 砂浆勾平缝180m2），搭设1.5m 高钢膜围堰270m（一期围堰160m，二期围堰110m）。

2.2 修复工程条件分析

2.2.1 工程概况

本工程位于密云水库白河入库处的张家坟水文站，对测流的基本水尺断面进行修复。

2.2.2 对外交通条件

本工程位于密云水库库区内，库区内经过多年的运行管理具有便利的交通条件。白河主坝南侧约600m 为密关路；现有密云水库管理处内道路通至白河主坝下，坝顶设有沥青混凝土道路，路面宽度8m；密云水库各管理单位及管理设施均有现状道路通往。

2.2.3 施工供应与加工修配条件

工程所需的外来物资有水泥、木材、油料等，北京市场品种齐全，货源充足。施工用水、供电及加工修配条件较好，密云水库水质较好，可以作为施工生产用水，库区分布的水库管理单位现有自来水，具备施工接引条件。库区现有输电线路，库区水库管理设施内现有电源，具备施工接引条件。北京市密云区现有构件加工与机械修配能力，可满足本工程所需要的构件加工、施工机械修配需求。

2.3 主体修复工程施工

2.3.1 围堰施工

①围堰支架的搭设。施工时预先在地面上对围堰支架进行分段安装，组装成型之后再吊装就位。为了保证围堰在水中受力均匀，在搭设时必须严格控制高度和宽度值，每个结点不得有松口现象，通常用转轴卡子卡接牢固，为增加稳定性，用3m 长立杆将架子管联接成一体，连接为一个整体。

②模板铺设。当各段支架架设合格后，可在其形成的斜坡面上将模板铺开，并用铅丝与支架固定在一起，模板与搭板之间也可用铅丝固定，为减少河水对防水布产生压力，接缝一定要紧密，尽可能减少缝隙出现。

③吊装就位。当前序工作完成后，如支架和模板组装合格后，安排吊装就位。首先在河中围堰位置作出标志杆挂线定位，以确保吊装准确，防止错位。再由专业人员按照设计标志线，确定围堰位置，当出现超出设计值得偏移时，由专业安装人员进行纠偏，为减小围堰之间出现缝隙，可尽量使围堰迎水面平整。

④防水布铺设。河底压平铺设防水布，使用沉入砂袋将防水布与模板及河底压实，确保紧密接合。根据施工工艺，按照先下游后上游的铺设顺序，顺水压茬、逆水铺设。

⑤基坑排水及泵坑排水。围堰施工完后必须进行基坑排水，通常在围堰内做导流水槽，把渗出围堰的水收集到泵坑，在泵坑内人工排出，保证基坑内作业面干燥，方便施工作业。在基坑内排水时，要安排专人看守围堰及水泵，防止围堰或防水布出现局部破损，导致外水倒流。一旦出现破裂状况，要及时将漏水堵住，加铺防水布。

⑥围堰拆除。水工建筑物维护施工结束后，要拆除围堰，尤其是水下部分围堰，为保证河道行水顺畅，一定要彻底清理。拆除时首先清理干净围堰内区域，并将各段围堰间连接杆等拆除，全部分开各段围堰，并把先前沉入的砂袋全部捞出，待到围堰内灌满水后，拆除全部的土工布，围堰支架及模板则用吊车将其吊上河岸进行拆除。

2.3.2 混凝土浇筑

模板主要采用钢模板，局部异形部位使用木模板，模板由人工进行拼装、支撑并固定。钢筋在现场加工厂进行加工后，人工使用胶轮车进行场内运输并进行绑扎、焊接。

混凝土由混凝土搅拌运输车运至现场后，混凝土泵车输送入仓，人工进行摊铺，振捣器密实后采用洒水、覆盖等方式进行养护。混凝土浇筑施工时，需按设计要求组织施工。冬季进行混凝土浇筑施工时，须切实做好防冻、保温措施，确保工程施工质量。

2.3.3 砌筑工程

块石砌筑施工时要求石料应符合有关规定，石质应质地坚硬、均匀、不易风化、无裂纹。其抗水性、抗冻性、抗压强度均应符合有关技术要求的规定。块石形状应大致方正，上下面大体平整，厚度为20～30cm，宽度均为厚度的1.0～1.5 倍，长度约为厚度的1.5～3.0 倍，如有锋棱锐角，应敲除后使用。同时外露面四周向内稍加修凿，后部可不加修凿，但应略小于修凿部分。砌筑时砌体缝口应砌紧，底部应垫稳、填实、严禁架空，宜采用立砌法，不得叠砌和浮塞，石料最小边厚度不宜小于15cm。浆砌石砂浆选用M10。

外形做到：三直、二平、一圆滑，即：上下口线直、边线直，踹脚面、坡面平整、河弯圆滑。要求上下口整齐划一，坡面平整，卵石厚度均匀。

水泥标号不得低于325 号，到场的水泥应按品种、标号、出厂日期分别堆存，受潮湿结块的水泥，禁止使用。使用砂应为质地坚硬、级配合理、洁净中粗砂，含泥量不大于3%，若掺用外加剂应符合国家标准。水泥砂浆的配合比必须满足施工图纸的强度规定和施工和易性的要求，配合比现场通过试验来确定，水泥砂浆的配合比符合设计及施工要求。施工中要严格按照试验确定的配料单进行配料，严禁擅自更改。

浆砌石工程砌筑施工结束24h 以后再进行勾缝，勾缝宽度不小于砌缝宽度，勾缝深度不小于缝宽的2 倍，勾缝前必须冲洗干净缝槽，将表面残留的积水和灰渣清理干净，缝面还要保持湿润，保证砂浆的粘结，并应保持块石砌合的自然接缝。勾缝砂浆一定要重新拌制，严禁将勾缝砂浆与砌筑砂浆混用，勾缝砂浆的标号为M10，采用细砂，水灰比较小，灰砂比控制在1:1～1:2 之间。

3 结论与建议

密云水库是首都最大、最重要的地表饮用水源地，建库60 多年来，为首都市民提供生产、生活保障用水，并且是首都重要的防洪屏障。随着首都城市和社会经济的飞速发展，用水量需求激增，水资源的供需矛盾日益加大，对于密云水库水工建筑物的精细化修复与维护显得尤为重要，尤其是以混凝土为材料的水工建筑物，在经历长年累月的冻融循环后，更要关注其冻融破坏，及时进行工程修复，防止出现安全隐患。

①库区工程建设中生态环境安全保护的典范。施工期全程对环境空气的影响进行评估，如平整土地、开挖、建材装卸、车辆行驶等施工作业中，在自然风作用下，道路扬尘影响范围在100m 以内，在大风天气，扬尘量及影响范围将有所扩大。为减少施工扬尘的影响，要求施工单位施工期间应严格加强环境管理、贯彻边施工、边防护原则；施工现场只存放用于回填的土方量，多余的土方要及时运走，并且避免露天堆放，存放弃土时，应对其进行分层碾压，保证弃土高程高于水库水位冲刷线。干燥季节要适时地对现场存放的土方洒水，保持其表面潮湿，以避免扬尘。对施工临时占地在施工结束后进行迹地恢复，主要是对生产生活区、施工临时道路等土地整治后进行植树植草绿化。生产生活区土地整治后需覆土30cm 进行植树绿化。

②张家坟水文站现测流基本水尺断面混凝土面层冻融破坏严重，影响测流工作的正常进行，同时造成测流数据的不准确。需对此水尺断面的面层进行修复，以确保测流工作正常，保障密云水库工程安全和迎汛安全。该站的监测数据，直接关系到位于白河主坝左岸的白河泄空隧洞防洪安全，同时，监测数据也直接关系着宣泄千年以上洪水的走马庄隧洞防洪安全，具有非常重大的现实意义。

③关系到首都大型水厂的供水安全与水资源安全。密云水库是首都北京市一级饮用水水源地，主要通过京密引水渠直接输送到北京市各大水厂，作为自来水厂的主要地表水源，尤其是新建的第九水厂输水隧洞位于九松山副坝以东约1km 处，是北京市第九水厂二期取水工程。与此同时，作为南水北调的蓄水水库，密云水库承担了更为重要的战略职责。

④建议。密云水库水利工程的正常维护，对水利运行、水库安全、迎汛安全、供水安全和水质安全具有重要作用，为确保水库正常功能的实现，应更加科学规划、科学设计、精细施工，确保库区各项工程高效安全运行。