孤山子水庫除險加固工程設計與施工

郭 曉

(葫蘆島平山供水有限責任公司，遼寧 葫蘆島125000)

1 工程概況

孤山子水庫位于葫蘆島市建昌縣境內，為大凌河西支上的一座小(1)型水庫，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養魚等綜合利用的水利樞紐工程，流域面積為39.1 km2。孤山子水庫樞紐工程由主壩、副壩、輸水洞、明渠式溢洪道組成。

2 水庫存在的問題

水庫存在的問題如下:孤山子水庫建于1974年，運行至今，存在很多問題，具體如下:①主壩壩頂和護坡砌石已腐蝕嚴重;②副壩下游壩腳滲水，且形成明流，威脅副壩壩體穩定性;③輸水洞出口沒有消力池，沖坑越來越深，沖坑面積越來越大;④輸水洞泄洪渠沒有保護措施，不斷吞噬耕地，且威脅左側居民。經過分析以上問題，決定對孤山子水庫的主壩、副壩、溢洪道和輸水洞等工程進行必要的除險加固。

3 除險加固工程的設計與施工

3.1 主壩的除險加固設計

孤山子水庫主壩位于庫區兩山體之間，為黏土心墻砂殼壩，最大壩高31.05 m。壩頂高程555.45 m，頂寬4.1 m，心墻頂高程554.15 m，壩體長度為168 m，上游邊坡為1∶2.5，下游邊坡為1∶2(見圖1)，壩體護坡為細粒質礫石。壩體材料主要為人工填筑土。

圖1 主壩結構示意圖

下面對主壩高程是否滿足要求進行理論計算，見公式1:

式中:W 為設計洪水位取1.5 倍的多年平均最大風速;D 為由計算點逆風向到對岸的距離，取960 m;H為水域的平均水深(其他字母含義不再詳細介紹)。

經過對破浪爬高和風雍水面高度的計算，得出孤山子水庫計算壩頂高程應至少為555.03 m，小于現狀壩頂高程555.45 m，無需建設防浪墻。根據主壩目前的實際狀況，設計出以下加固方案:①壩頂進行清基，清基0.10 m后，壩頂寬達到4.3 m;②壩頂修筑0.35 m厚的碎石路面，壩頂路面兼做施工道路，坡度1.5%，向背水坡傾斜，滿足超高要求;③對風化嚴重的迎水坡和背水坡進行翻新。

3.2 主壩的除險加固工程施工

壩頂清基0.1 m共開挖土方70.8 m3;清基后修建0.35 m厚碎石路面，由10 cm砂礫石墊層、15 cm石灰、爐渣、土基層和10 cm的碎石組成。背水坡每隔50 m修建一條混凝土排水溝，共4 條，所用混凝土型號C20;并種植草皮來護坡。將迎水坡原干砌護坡石拆除，新建0.1 m厚碎石反濾和0.3 m厚干砌石護坡，其中原干砌石塊石利用率為50%。將主壩背水坡拆除重新修筑干砌石排水體，其中原干砌石塊石利用率也達到50%［1］。

3.3 副壩的除險加固設計

孤山子水庫副壩為均質壩，最大壩高為26.1 m，壩體長度為331 m，上下游邊坡角度與主壩相同。從南側起250 m 范圍內在壩前鋪設了干砌石護坡0.5 m，同時在壩前鋪設了反濾層，反濾層結構如下:砂層厚度為0.15 m，礫層厚度為0.15 m，碎石厚度0.25 m，反濾層下部為0.6 m 厚的土砂保護層，黏土斜墻厚度為0.6 m，與下部黏土防滲體相接。經過分析，技術人員認為副壩背水坡局部斷面較陡(處于1∶1.85 ～1:1.94)，本次加固設計背水坡度為1∶2。對于副壩滲水問題，設計出混凝土防滲墻和高噴灌漿兩種方案，經過對比兩者的經費投資、施工進度和加固效果等情況，最終選擇高噴灌漿技術。

3.4 副壩的除險加固工程施工

1)孔口布置:本項目采用單排擺噴套接技術形式，二管法施工工藝，孔間距1.4 m?？紤]壩基繞滲的影響，水平灌漿長度為294 m。經分析認為取壩基基礎線以上2 m 至第一層粉土質礫與第二層低塑限粉土交界層以下2 m 作為高噴灌漿范圍，基本可以滿足除險加固的防滲要求。此外，打鉆時應深入設計灌漿底高程下0.3 m。為增加墻體的厚度，各孔采用擺噴灌漿，設計擺角為23°。灌漿施工分兩序進行，即1#，3#……奇數孔，其噴射板墻與軸線成20°;2#，4#……偶數孔，其噴射板墻與軸線成160°，板墻平面呈140°交叉折線型(見圖2)。分序施工的目的是避免噴射時造成鄰孔塌孔和串漿。

圖2 高噴灌漿防滲帷幕鉆孔布設圖

2)材料選擇和灌漿施工:本工程采用普通硅酸鹽水泥漿作為灌漿材料，黏土選用當地優質黏土，漿液配比為1∶1∶1.6(水泥∶黏土∶水—重量比)，為節省材料，要求利用部分噴射回漿。灌注漿液比重為1.55 ～1.60，黏度為23 ～25s。高噴灌漿作業參數見表1。

表1 高噴灌漿施工參數

3.5 輸水洞的除險加固設計

孤山子水庫輸水洞為有壓式隧洞，單寬流量、流速及設計水頭較大，為選擇較為經濟合理的消能型式，布置了消力檻與消力池的兩個方案進行比較，主要工程量及投資情況見表2。

表2 消力檻與消力池方案詳情對比

由表2 可知，消力檻方案混凝土量較大，投資亦較消力池方案多10 萬元左右，故最終采用消力池的消能型式。經過理論計算，得出以下結果:消力池兩側需要修建5.6 m 高翼墻以保護兩岸的居民和耕地，上頂寬為0.3 m，下底寬為1.2 m，墻后進行土方回填，并對翼墻以上土體按1∶1.5進行削坡。而海漫的長度公式為:

其中:Lp 為海漫長度，m;qs為消力池末端單寬流量，m3/s;Ks為海漫長度計算系數;經計算Lp =30.74 m，故設計海漫長度為31 m。

3.6 輸水洞的除險加固工程施工

輸水洞的除險加固工程的施工項目機工程量見表3。

表3 消力池和海漫工程量

［1］趙廷紅，沙成剛，張鵬飛，陳榮勝．病險土石壩加固后安全性分析［J］. 水利與建筑工程學報，2014，12(02):71 －75．