黄沟水库大坝除险加固设计研究

2023-07-09贾明

海河水利 2023年6期

贾明

（洛阳水利勘测设计有限责任公司，河南洛阳 471000）

病险水库经加固后，可恢复或加强水库的防洪功能，充分发挥水库的灌溉、发电、供水、旅游、养殖等综合效益，并使生态环境得到改善。为推动新阶段水利工程建设高质量发展，很多学者针对病险水库加固开展了相关研究，并取得了成功经验。如荀俊等[1]采用高压旋喷桩加固白石里水库大坝，解决坝体严重渗漏现象；赵明[2]针对冰沟水库大坝现状的稳定性进行复核，提出改善大坝渗漏和溢洪道泄流能力不足的加固方案；陈俊宇[3]针对某水库除险加固工程进行分析计算并结合现场检查，提出枢纽建筑物加固方案，解决水库的带病运行问题；胡伟[4]以北沟水库为例，对大坝、溢洪道、输水洞采取有效加固措施，使水库除险加固后发挥正常效益；刘典鹏[5]采用防渗墙+帷幕灌浆的方式进行坝体、坝基防渗处理，使水库大坝渗漏量显著降低。本文以黄沟水库为例，分析水库大坝现状及存在问题，结合大坝安全鉴定结论提出加固方案，可为同类型病险水库的设计、施工提供参考。

1 工程概况

黄沟水库于1958 年4 月开工建设，1959 年5 月竣工，是卫星灌区的结瓜水库。水库最大坝高25.5 m，坝顶长230 m；设计总库容203.6 万m³，其中兴利库容151万m³，死库容12.5万m³；设计防洪标准30 a一遇，校核防洪标准300 a 一遇。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水工程三部分组成。2012 年黄沟水库除险加固确定总库容116.15万m³，兴利库容30万m³，死库容11.22 万m³；正常蓄水位298.39 m，死水位295.41 m，设计洪水位301.47 m，校核洪水位303.99 m。坝顶高程310.0 m。

2 存在问题

2012 年黄沟水库除险加固后，大坝运行正常。大坝上游坝坡基本平整，未发现塌陷、变形、裂缝等现象，外观总体良好。坝顶路缘埋石混凝土表面光滑平整，分缝合理；坝顶混凝土路面未见塌陷、沉降，整体质量良好。但大坝上游平台至坝顶护坡混凝土面板多处塌陷，如图1 所示。下游坝坡混凝土排水沟及左岸坝肩截水沟混凝土表面光滑，尺寸均一，截（排）水沟总体质量较好；坝坡踏步完好。

图1 大坝上游平台至坝顶护坡混凝土面板多处塌陷

黄沟水库大坝存在问题为：坡脚排水棱体表面局部塌陷、块石松动，有渗水出逸；大坝下游左坝脚存在渗漏问题，并有发展趋势，如图2 所示。由于无大坝观测设施，无法开展相应的安全监测工作。

图2 大坝下游左坝脚漏水

3 工程现状复核

3.1 坝顶高程

黄沟水库枢纽主要建筑物为4 级，大坝在设计情况下安全加高为0.5 m，非常运用情况下安全加高为0.3 m。根据《碾压式土石坝设计规范》的规定，坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：

式中：y为坝顶超高（m）；R为最大波浪在坝坡上的爬高（m）；e为最大风壅水面高度（m）；A为安全加高（m）。坝顶高程计算结果详见表1，由表1 可知，水库坝顶高程满足规范要求。

表1 坝顶高程计算结果m

3.2 渗透稳定

（1）大坝下游坝坡出逸坡降按《碾压式土石坝设计规范》有关公式计算：

式中：m为边坡系数；J为出逸坡降。

经计算，大坝下游坝坡出逸坡降为0.398。

（2）渗透破坏临界水力坡降可由《碾压式土石坝设计规范》有关公式计算：

式中：J0为临界水力坡降；[J0]为允许坡降；Gs为土粒比重（g/cm³）；n为孔隙率；K为安全系数。

经计算，管涌破坏允许坡降为0.654，大于大坝下游坝坡出逸坡降0.398，大坝不会发生管涌破坏。

（3）黏性土临界水力坡降由《碾压式土石坝设计规范》有关公式计算：

基上的均质土坝计算大坝渗流量和浸润线[6]。大坝为透水地基上设棱体排水的均质坝，坝高25.5 m，坝顶宽7.5 m，上游坝坡比1∶2.75，下游坝坡比1∶2.3，坝体填筑土渗透系数取5.63×10-4cm/s。坝体浸润线按下式确定：

式中：a0为排水棱体上游坡脚处浸润线高度（m）；q为单位坝长渗流量[cm3/（s∙m）]；k为渗透系数（cm/s）；L为渗流区长度（m）；x为计算点至上游面的距离（m）；hx为渗流水深（m）；H为上下游水位差（m）。

经计算，正常蓄水位工况下坝体的单宽总渗流量为0.051 cm3/（s·m），逸出点到下游水面线距离为2.082 m；设计洪水位工况下坝体的单宽总渗流量为0.075 cm3/（s·m），逸出点到下游水面线的距离为3.072 m；校核洪水位工况下坝体的单宽总渗流量为0.103 cm3/（s·m），逸出点到下游水面线的距离为4.19 m。从计算结果可知，即使在最不利情况下，大坝年渗流量为715 m3，占总库容的0.06%，渗漏损失较小。

4 加固设计

4.1 坝体充填灌浆

黄沟水库大坝坝脚存在渗漏并有发展趋势，存在渗流隐患。现渗漏点位于大坝原输水洞附近，2012 年除险加固时对其进行了封堵，但存在原输水管道封堵不严，管周坝体填筑土填筑不密实，管周围岩土与管壁存在渗漏，导致库水与原输水管道周围

式中：γd为土的干容重（g/cm³）；C为土的凝聚力（kPa）；其余变量含义同上。

经计算，流土破坏的允许坡降为0.479，大于大坝下游坝坡出逸坡降0.398，大坝不会发生流土破坏。

（4）水库建成运用至今未有任何观测设施，大坝浸润线及渗流量没有资料可供参考。对大坝在正常蓄水位298.39 m、设计洪水位301.47 m、校核洪水位303.99 m 3 种情况下的渗流进行复核计算。在上游各水位情况下，下游无水，有棱体排水，按不透水地形成渗漏通道，在渗漏处土体不断被冲刷带走，造成坝后渗漏量增大，存在安全隐患。

大坝采用水泥黏土浆进行充填灌浆，排距2 m，孔距2 m，共布置灌浆孔149 个，造孔顺序先上游后下游，分两序跳跃式造孔。造孔总尺寸1 976 m，充填灌浆深度1 810 m，灌浆结束后布置检查孔12 个，检查孔位置根据施工具体情况确定，充填灌浆孔采用干法钻孔[7]。充填灌浆分两序孔灌注，各孔采取自下而上分段灌浆法，每段长度5 m。

灌浆材料采用425号普通硅酸盐水泥黏土浆，浆液中水泥与黏土的重量比为0.2∶1，浆液密度1.3～1.6 g/cm3，开灌水灰比2∶1。开始先用稀浆，经过3～5 min后再加大浆液稠度。在灌浆过程中，先对第一序孔采用“少灌多复”的方式轮灌，每米孔每次灌浆量通过现场试验确定。充填灌浆利用浆液自重将浆液注入坝体隐患处以封堵坝体渗水隐患。灌浆压力通过灌浆试验确定，大坝上游平台处灌浆压力不大于50 kPa（孔口灌浆压力），原输水洞两侧灌浆压力初定为90 kPa。当浆液升至孔口，连续复灌3 次不再吃浆时，灌浆即可结束，对经验收合格的灌浆孔进行封孔[8]。

封孔时将注浆管拔出，向孔内灌注密度大于1.5 g/cm3的稠浆，多次灌注，直至浆面升至孔口不再下降为止。待孔口完全析水后，用含水率适中的制浆土料将孔口回填捣实整平。灌浆结束进行封孔，并布置检查孔检查灌浆质量效果。检查孔选在钻孔偏差过大、地质复杂、灌浆不稳定、吃浆量过大、冒浆以及分析资料认为对灌浆有影响的部位。灌浆质量检查以检查试验成果为主，结合对竣工资料和测试成果的分析，综合进行评定。