瓦窯河水庫除險加固工程方案選定

趙 健

（交城縣水利局，山西 交城 030500）

1 工程概況

交城縣瓦窯河水庫工程是一座以防洪為主，工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)灌溉為輔的小（一）型水庫。水庫防洪保護(hù)范圍6 km2，主要防洪對象為庫區(qū)下游太汾高速公路及307國道等交通干線，交城縣城及產(chǎn)值百萬元以上的企業(yè)4家，沿河兩岸有9個村莊，8.4萬人，0.19萬hm2耕地。

水庫壩址區(qū)位于瓦窯河中游，控制流域面積48.15 km2。原設(shè)計水庫總庫容190萬m3，最大壩高35.3 m，最大壩長270 m。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、泄洪洞組成。

瓦窯河水庫于1975年10月開工興建，1977年底水庫建成蓄水，屬于典型的“邊勘測、邊設(shè)計、邊施工”的“三邊”工程。由于原設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，工程質(zhì)量差，存在問題較多，自建庫以來，水庫未經(jīng)高水位考驗，工程一直未能正常運(yùn)行，是山西省病險水庫之一。

1.1 大壩

大壩前半部分為碾壓土壩，后半部分為堆石渣雜填土，且未碾壓，碾壓土壩與堆石渣雜填土接觸帶未設(shè)置反濾裝置。大壩壩頂高程915.5 m，壩底高程880.2 m，上游邊坡為 1∶2.19，1∶2.79，1∶3.5，下游邊坡為1∶1.97，1∶2.27，1∶2.24，1∶1.7，馬道寬 2 m，壩頂防浪墻高1.2 m，上游壩坡為干砌石護(hù)坡。

1.2 溢洪道

溢洪道位于大壩左岸，進(jìn)口無閘門控制，全長100 m，斷面尺寸3 m×25 m，坡降為1/50，進(jìn)口高程912.2 m，最大泄量220.8 m3/s。溢洪道基礎(chǔ)為風(fēng)化砂質(zhì)頁巖，右側(cè)為漿砌石擋墻，左側(cè)為漿砌石護(hù)坡，底板無防護(hù)，出口無消能設(shè)施。

1.3 泄洪洞

泄洪洞位于左壩底，為直墻門洞形，斷面尺寸為2 m×2.5 m，泄洪洞進(jìn)口高程886.2 m，出口高程884.2 m，洞長230 m，最大泄量57.3 m3/s。進(jìn)口為封閉式圓形閘室，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室內(nèi)徑6 m，壁厚0.5 m，總高度為13.6 m，泄洪洞進(jìn)口安裝2.6 m×3.0 m平板鋼閘門，由1臺30 t絲桿啟閉機(jī)操縱啟閉。閘后安裝兩根直徑250 mm的鋼管，由4臺直徑250 mm的閥門控制。閘室由廊道通向壩外。

2 工程存在的問題

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低

根據(jù)部頒規(guī)范，中（一）型水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計，300年一遇洪水校核?？紤]到水庫擔(dān)負(fù)著下游交城縣城、太汾高速公路、307國道等交通干線及沿河兩岸村莊人口、耕地的防洪任務(wù)，水庫現(xiàn)有防洪能力僅達(dá)到20年一遇洪水設(shè)計，50年一遇洪水校核，水庫防洪能力明顯偏低。

2.2 下游壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求

經(jīng)計算，在正常運(yùn)用條件下，規(guī)范要求不小于1.3，而大壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.128~1.21；非常運(yùn)用條件下，規(guī)范要求不小于1.2，而大壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.04~1.2，兩種條件下均不滿足規(guī)范要求，下游壩坡不穩(wěn)定。

2.3 壩體主河槽和右壩肩存在滲漏問題

1990年水庫蓄水位達(dá)到907.1 m時，壩后左岸臺地砂礫石層管狀漏水有十余處，漏水總量達(dá)30 L/s，1990年9月20日降雨38 mm，壩后左岸臺地岸坡開始成批坍塌。后經(jīng)處理，左岸壩基砂礫石層滲漏基本解決，但主河槽和右壩肩滲漏依然存在，特別是大壩前半部分為碾壓土壩，后半部分為堆石渣雜填土，且未碾壓，碾壓土壩與堆石渣雜填土接觸帶未設(shè)置反濾層。

2.4 溢洪道不能正常使用

溢洪道位于大壩左岸，長100 m，寬25 m。1981年修建溢洪道時主要進(jìn)行了斷面開挖，由于資金所限，其他項目都被取消。溢洪道存在的主要問題有：第一，溢洪道右側(cè)為漿砌石擋墻，左側(cè)為漿砌石護(hù)坡，底板無襯砌。第二，溢洪道出口無消能設(shè)施。溢洪道出口為溝邊，與溝底高差十多米，未修建消能設(shè)施。第三，溢洪道上無交通橋。一旦溢洪道過水，將阻斷水庫管理站和大壩的對外交通及抗洪搶險。

3 除險加固設(shè)計方案

為排除水庫病險，確保大壩安全。交城縣水利局對瓦窯河水庫除險加固工程提出了初步設(shè)計。方案的主要內(nèi)容為壩體混凝土防滲墻、壩基帷幕灌漿、下游壩坡培厚、溢洪道改建、大壩安全監(jiān)測等。

3.1 壩體混凝土防滲墻

壩體混凝土防滲采用倒掛井方式修筑防滲墻，井內(nèi)回填黏土，垂直方向從高程915.5 m至基巖面，范圍從大壩樁號0+000~0+270 m，倒掛井位置在大壩壩軸線，倒掛井防滲墻最大深度為41 m，倒掛井內(nèi)徑1.6 m，壁厚0.2 m，四井一組，共40組。

3.2 帷幕灌漿

壩基防滲采用帷幕灌漿與壩體防滲墻相接，深入基巖6 m。防滲帷幕共設(shè)1排，孔距1.6 m。帷幕灌漿范圍從大壩樁號0+000~0+270 m。

3.3 下游壩坡培厚

利用溢洪道的開挖石渣對大壩下游壩坡進(jìn)行加固培厚，同時放緩壩坡，下游壩坡共設(shè)兩級馬道，馬道寬為2 m，高程分別為902.45 m和889.45 m，下游壩坡從上到下依次為 1∶2.5，1∶2.75，1∶3。馬道 889.45 m 以下采用石渣培厚，馬道889.45 m以上采用粗砂土培厚。主河槽壩坡腳設(shè)干砌石排水棱體，排水棱體項寬2 m，高 4.82 m，邊坡 1∶1.5。

3.4 溢洪道改建

溢洪道改建后仍為開敞式，為保證出口水流盡量順暢，溢洪道擬在中部設(shè)一彎道。彎道中心樁號為“溢0+060”，彎道半徑為20 m，轉(zhuǎn)折后溢洪道中心線與壩軸線正交。溢洪道包括進(jìn)口段、收縮段、泄槽段、陡坡段、挑流段，全長96 m，其中進(jìn)口段長10 m，進(jìn)口寬35 m，收縮段長20 m，泄槽段長38 m，泄槽寬20 m，陡坡段長22.3 m，挑流段長5.7 m。

3.5 交通橋設(shè)計

由于溢洪道隔斷了水庫大壩及水庫管理站的對外交通，因此需在溢洪道上修一座交通橋。

交通橋樁號為“溢0+064~溢0+068”，與溢洪道正交。交通橋設(shè)計荷載為“汽車—15級”，橋面總寬4 m，共分3跨，采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，梁高0.6 m，板厚0.25 m，橋墩寬0.8 m。

3.6 大壩安全監(jiān)測設(shè)計

根據(jù)工程規(guī)模和重要性，瓦窯河水庫大壩擬進(jìn)行壩體滲流壓力觀測。大壩滲流壓力觀測的目的是為了確定觀測斷面上的滲透壓力分布和浸潤線的位置。根據(jù)大壩實際情況，擬在壩體主河槽段布置兩個觀測斷面，樁號為0+185和0+215；擬在左壩段布置一個觀測斷面，樁號為+150，每個觀測斷面布置5個觀測孔。采用自動觀測，計算機(jī)控制。

4 除險加固設(shè)計方案選定

在大壩安全鑒定的基礎(chǔ)上，結(jié)合瓦窯河水庫的工程任務(wù)、洪水標(biāo)準(zhǔn)，對水庫除險加固工程擬定了兩個方案進(jìn)行優(yōu)化比較。

4.1 壩體倒掛井防滲方案

壩體采用倒掛井方式修筑混凝土防滲墻、壩基帷幕灌漿、溢洪道進(jìn)行擴(kuò)寬襯砌、出口修建消能設(shè)施。

工程內(nèi)容包括以下幾方面：

壩體采用倒掛井方式修筑混凝土防滲墻，井內(nèi)回填黏土，壩基6 m強(qiáng)風(fēng)化層采用帷幕灌漿；下游壩坡利用溢洪道開挖土石料培厚；溢洪道進(jìn)口擴(kuò)寬至35 m，溢洪道進(jìn)口高程911 m，比原來降低1.2 m，溢洪道采用鋼筋混凝土襯砌，出口采用陡坡挑坎消能。溢洪道上修建交通橋。

該方案主體建筑工程投資費(fèi)用為608.6萬元。其優(yōu)點是工程量較小，可利用溢洪道出口的開挖棄渣來培厚壩體。倒掛井方式修筑混凝土防滲墻可靠、防滲效果最好，溢洪道擴(kuò)寬工程施工簡單。缺點是倒掛井施工工作面小，進(jìn)度慢，溢洪道右側(cè)墻基巖風(fēng)化加重。

4.2 加固方案

大壩加高培厚，壩體采用倒掛井方式修筑混凝土防滲墻，壩基帷幕灌漿，溢洪道進(jìn)行襯砌，出口修建消能設(shè)施。

工程內(nèi)容包括：大壩加高1.6 m，（壩頂修建1.2 m防浪墻，下游壩坡培厚；壩體采用倒掛井修筑混凝土防滲墻，井內(nèi)回填黏土，壩基6 m強(qiáng)風(fēng)化層采用帷幕灌漿；溢洪道進(jìn)口高程912.2 m，溢洪道采用鋼筋混凝土襯砌，出口采用陡坡挑流坎消能；溢洪道上修建交通橋。

該方案主體建筑工程投資費(fèi)用為652.8萬元。其優(yōu)點是溢洪道基礎(chǔ)基巖條件較好，缺點是工程量大，投資大。

4.3 方案選定

瓦窯河水庫1978—1983年曾兩次對大壩進(jìn)行了黏土灌漿加固，有效防止了壩體進(jìn)一步沉陷和裂縫，但黏土灌漿對壩體防滲作用有限，特別是瓦窯河水庫壩體土石結(jié)合帶未設(shè)置反濾，采用黏土灌漿無法保證壩體滲流安全。壩體高噴灌漿比較適合于均質(zhì)土壩和砂土地基，而瓦窯河水庫壩體后半部分為堆石渣雜填土，不適合采用高噴灌漿修筑防滲墻。采用倒掛井修筑混凝土防滲墻適合于各種土石壩條件，特別是在庫水可以放空的情況下。因此，瓦窯河水庫壩體防滲加固方案采用倒掛井方式修筑混凝土防滲墻。

5 結(jié)語

通過對瓦窯河水庫除險加固工程方案的選定及實施，提高了水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)，消除了水庫的安全隱患，確保了工程安全，發(fā)揮了工程效益，同時施工方便，節(jié)省了工程投資，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。