直沟 1#骨干坝除险加固工程问题及措施分析

刘鹏程，朱 健，王绪彬

（1.徐州市南水北调工程管理中心,江苏 徐州 221200；2.上海千年城市规划工程设计股份有限公司淮海设计院,江苏 宿迁 223800）

1 工程概况

直沟1#骨干坝位于丘陵山区,该沟道内共有4 座骨干坝,自下游往上游依次为直沟1#至4#骨干坝,兰新高铁及 G6 国家高速及国道109 线公路从直沟1#骨干坝沟口北部穿行而过,骨干坝为确保沟口段王家口村群众生产、生活及沟口建筑及交通设施免受沟道内洪水威胁而建,但在其建成后的长期运行中,因资金等原因工程缺少必要的维修养护导致泄水建筑物水工结构老化失修等问题严重,已不能正常使用。直沟1#骨干坝始建于2007 年4 月,原工程设计控制面积3.58 km2,主沟长6.6 km,比降4.9%,可淤地面积为3.27 hm2,总库容为 50.49万m3,其中淤积库容为36.25万m3,防洪库容为14.24万m3。目前该坝已运行至今 11年,其已淤积库容为25.19万m3,拦沙量为25.19万m3,剩余库容为25.30万m3,已淤地面积为2.27 hm2。目前直沟1#骨干坝由放水建筑物和坝体“两大件”组成,无溢洪道,该坝自建成至今运行多年从未进行过除险加固,坝体及放水建筑物出现不同程度的安全隐患, 坝体下游有兰新高铁及G6 国家高速及国道109 线公路、王家口村和耕地等重要保护对象,因此直沟 1#骨干坝的除险加固工作迫在眉睫。

2 存在的问题及处理方案

通过进一步核实直沟 1#骨干坝病险情况,确定其目前存在以下隐患：

（1）坝体：

1）坝体运行时间年限已接近设计年限,并无增设溢洪道设施,已淤积库容达原工程设计淤积库容69.4%,结合坝体下游有重要保护对象,对坝体正常运行有安全隐患；

2）上游坝面坝前淤积处冲刷较为严重,约20 m被冲刷掏蚀为2 m高立面,已影响坝坡稳定,上游坝面卧管附近坝脚坍塌较为严重；上游坝面左岸冲沟2 条,分别长 5 m,深1.5 m,宽0.3 m和长4 m,深0.6 m,宽0.2 m,陷穴共4 处,直径0.3 m深0.3 m的3 处,直径0.3 m深0.5 m的1处；

3）上游坝面右岸冲沟4 条,分别长2 m宽0.2 m深 0.7 m,长 5 m宽0.3 m深0.3 m,长 10 m宽0.2 m深 0.5 m和长12 m宽0.5 m深0.2 m。陷穴共11 处,直径0.7 m深2 m的5 处,直径0.5 m深2 m的2 处,直径0.3 m深0.6 m的3 处,直径1.2 m深1 m的1 处；

4）坝顶路面横向裂缝2 条,分别为长16 m,宽15 cm,深1.5 m和长5 m,宽10 cm,深 1.0 m。陷穴共6 处,直径0.7 m,深1.5 m的4 处,深 2.5 m的 2 处；

5）下游坝面左岸横向冲沟3 条,分别为长1 m,宽0.2 m,深0.2 m和长9 m, 宽0.2 m,深1.5 m另一条长5 m,宽0.1 m,深1 m；下游坝面右岸与坝肩交界处冲沟1 条,长 6 m,宽0.3 m,深0.6 m。陷穴共5 处,直径0.3 m 深1 m的2 处,直径0.5 m深1 m的2 处,直径 0.2 m深0.8 m的1 处；

6）坝面上下游两岸均无排水设施,两岸坡面洪水对坝面及放水建筑物冲刷严重；坝体下游马道无纵向排水设施,坝面雨水对马道冲刷较严重。

（2）溢洪道：直沟 1#骨干坝原设计无溢洪道,本骨干坝淤积库容已超过 50%。

（3）放水管（卧管）：卧管台阶砼腐蚀严重,表面部分脱落,左右两侧的边坡较陡,放水孔部分被粘土掩埋或堵塞,卧管最低处基础被掏空。

（4）放水明渠：槽身轻度腐蚀,表面混凝土大面积脱落,受坡面雨水冲刷,部分横向断裂损坏,损坏长度为10 m；涵管出口下游约15 m 处至放水明渠出口被淤泥填埋,已无法继续使用。

图1 淤地坝现状问题图

进一步核实该淤地坝病险情况,经认真分析研究,依据国家现行规范和标准, 对该水库工程采取以下工程方案进行除险加固：

（1）坝体：修复坝面冲沟,对坝面冲沟以1:1的边坡开挖后进行换填,回填土压实度系数需满足碾压土石坝回填土压实度要求；坝体上、下游坝面两岸增设纵向排水沟,减轻坡面雨水对上下游坝面的冲刷；下游马道内侧增设横向排水沟, 减轻坝面雨水对马道的冲刷破坏；对26 眼坝面陷穴直接采用进行人工封填处理。

（2）泄洪建筑物：增设溢洪道,从而防止出现漫坝的危险,确保下游村庄及道路设施的安全。

（3）放水建筑物：将进口卧管两侧陡坡分两部分进行削坡,陡坡下部分以1∶0.75 边坡进行削坡后留1 m宽马道,上部分以1∶1边坡进行削坡,掩埋或堵塞的放水孔进行人工清理,放水孔进行表面冲洗后砂浆抹面,保证卧管放水孔畅通； 拆除已损坏段12.7 m出口明渠及消力池并重新修建,其余明渠进行表面冲洗后砂浆抹面。

3 除险加固措施

3.1 溢洪道设计

为不影响已建坝体的整体稳定,此次工程选择岸边式溢洪道,在现场多次查看地形地貌及方案技术及经济比较后,选择将溢洪道布置于直沟1#骨干坝右岸台地至下游侧一处较长沟道内,右岸地势相对左岸开挖量较小,施工方便,本次设计拟在右岸坝肩布置溢洪道。

直沟1#骨干坝溢洪道布置在坝右岸,采用开敞式正槽溢洪道,不设闸门,溢洪道总长91.60 m,总落差17.3 m,溢洪道由进水渠段、控制段、泄槽段、消能段、出水渠组成,全段采用 C25 F200 W4 钢筋混凝土现浇结构。溢洪道结构设计如下：

（1）进水渠段（喇叭口段）

进水渠段包括引水喇叭口和进水渐变两部分,溢洪道K0+005.0前为进水喇叭口段,长5.0 m；首端底板高程为2047.9 m,喇叭口首端宽5 m,经喇叭口渐变为进水渠渐变段,进水渠段侧墙高与溢流堰侧墙高相同,进水渠段底板厚0.3 m,侧墙高2.6 m,厚0.3 m。

（2）控制段（溢流堰段）

溢流堰采用结构简单、施工方便、对承载能力较差的土基较为适用的宽顶堰, 溢流堰底板与进水渠末端底板同高。溢流堰长4.0 m,堰顶高程为2047.9 m,溢流堰横断面采用矩形断面,溢流堰底宽取3.0 m,底板厚0.3 m,侧墙高2.6 m,厚0.3 m。

（3）泄槽段

泄槽段长53.6 m,该段为暗渠,盖板厚0.2 m,设计比降i=1/3.0,其中泄槽桩号K0+024.0～K0+34.0为泄槽边墙高度渐变段,边墙由2.6 m高度渐变为1.7 m。

（4）消力池结构设计

消力池长9 m,采用底流消能方式,消力池宽度B=3 m,盖板厚0.2 m,侧墙厚0.50 m,底板厚为0.5 m,侧墙高为2.3 m,混凝土外表层涂沥青和铺设规格为550 g/m2复合土工膜。

（5）出水渠

出水渠长5.0 m,矩形断面,底宽3.0 m,底板厚0.3 m,侧墙厚0.3 m。混凝土外表层涂沥青和铺设规格550 g/m2复合土工膜。

根据地勘报告,溢洪道全段基础底部铺设0.5 m厚灰土垫层,灰土之上铺设0.1 m厚 C10 混凝土垫层,方便施工。

3.2 放水建筑物维修

原设计放水建筑物主要由卧管、放水涵管、放水明渠和消力池组成,目前卧管和涵管结构完好可继续使用,明渠因水力冲刷、腐蚀等原因损毁严重,无法正常排水。

（1）卧管维修

目状卧管两侧边坡较陡,卧管大部分放水孔已被两侧陡坡塌陷的泥土堵塞, 本次设计将卧管两侧陡坡上部以1:1边坡进行削坡下部以1∶0.75边坡削坡,中间设1 m马道便于削坡施工,削坡弃土清理到坝上游库区,卧管坡度陡,开挖困难, 只能采用人工开挖削坡,共计开挖土方 50 m3。掩埋或堵塞的放水孔进行人工清理,放水孔进行表面冲洗后砂浆抹面,保证卧管放水孔畅通。

（2）放水陡槽明渠及消力池维修

原建放水明渠断面满足骨干坝汛期排水的需求,本次设计对10 m出口明渠损坏段进行拆除重建,结构尺寸亦沿用原设计,明渠底宽0.8 m,深0.9 m,底厚0.3 m、壁厚0.25 m,采用C25 F200 W4 现浇钢筋砼结构,渠底比降1/3,为防止腐蚀,混凝土外表层涂一层沥青和铺设规格为550 g/m2复合土工膜,基础铺设30 cm厚三七灰土垫层,为了方便施工灰土垫层上铺设10 cmC10 砼垫层。

原建放水明渠消力池断面满足骨干坝汛期排水的需求,本次设计对损坏消力池拆除重建,结构尺寸亦沿用原设计,消力池长2.7 m,底宽0.8 m,深0.8 m,底厚0.4 m,壁厚0.3 m,消力池出口宽度0.8 m。采用C25 F200 W4 现浇钢筋砼结构,为防止腐蚀,混凝土外表层涂一层沥青涂料和铺设规格为550 g/m2复合土工膜, 基础铺设30 cm厚三七灰土垫层,为了方便施工灰土垫层上铺设10 cmC10 砼垫层[1]。

3.3 排水沟设计

骨干坝原设计上下游坡脚、马道均无排水沟,导致现状上下游坝面及建筑物受坡面雨水冲刷严重。因此本次除险设计在坝面上下游设置排水沟7 条,总长566 m,其中横向坝轴线排水沟3 条,长 262 m；纵向坝轴线排水沟4 条,长304 m,通过7 条排水沟将坝面及两岸坡面雨水排至坝脚以外,防止坡面雨水继续冲毁坝面。横向岸坡排水沟沿两岸坡脚布置,纵向排水沟沿上、下游马道内侧布置,排水沟采用矩形断面,采用C20 混凝土现浇结构,底宽30 cm,深30 cm,壁厚 10 cm。

3.4 坝面破损处理

直沟 1#骨干坝建坝11年以来未经任何加固或维修,根据《直沟 1#骨干坝病险认定报告》及现场勘查,直沟1#骨干坝坝面冲沟共计10条,其中上游坝面冲沟6 条,下游坝面冲沟4条。此次加固工程对坝面表面冲沟及坝顶路面2 条裂缝以1∶1的边坡开挖后进行原土换填,回填土压实度系数需满足碾压土石坝回填土压实度要求。具体处理措施如下：

（1）冲沟及裂缝的开挖长度应超过冲沟两段各1.0 m,深度超过冲沟缝隙尽头1 m,开挖沟槽底部的宽度不得小于1 m,边坡应满足稳定及新旧填土接合的要求[1], 此次工程采用1∶1边坡进行开挖成梯形断面。

（2）沟槽开挖应做好安全防护工作,防止坑槽进水,导致土壤干裂或冻裂,挖出的土料要远离坑口堆放。

（3）坝体回填应采用原坝体或与其性质相近的填料,并控制回填土料的含水量大于最优含水量的1%～2%。

（4）沟槽回填时应逐级削去边坡台阶,将槽壁洒水浸湿,分层回填夯实,要特别注意坑槽边角处的夯实质量,干容重要达到原坝体设计要求,回填土的压实系数不得小于0.97[2]。

（5）冲沟处理一般应在低水位时进行,冬季应防止填土冻土及土料冻结,夏季应防止土壤暴晒干裂,雨季应防止雨水流入沟槽。

（6）根据现场勘查直沟1#骨干坝坝坡人工植被较好,整体坡面平整稳定,偶见陷穴,共计26 眼,深度不大,洞口直径在0.3 m以下,对坝体影响不大。此次加固工程对陷穴进行1∶1的边坡开挖至完整层以下1.0 m后原土换填,回填土压实度系数需满足碾压土石坝回填土压实度要求,开挖和回填方法跟冲沟处理方法相同。

4 结论及建议

在分析直沟 1#骨干坝目前存在的病险安全隐患的前提下,对直沟 1#骨干坝进行除险加固并采取了除险加固措施。此次除险加固工程的实施,有效地保护坝体下游峰堆乡王家口村总人口及耕地,以及沟口县、乡公路铁路,保护了坝体下游人民群众生命、财产安全,确保下游地区的社会经济的发展,村民免受直沟 1#洪水的威胁。