新城水库土石坝除险加固工程设计综述

吴 红

（黑龙江省水利水电勘测设计研究院,哈尔滨 150080）

1 工程概述

新城水库位于延寿镇南偏东16 k m处,蚂蚁河右岸支流石头河中下游,是一座以农田灌溉和城镇供水为主,结合发电的综合利用中型水库。新城水库坝址以上集水面积99 k m2,石头河流域面积147 k m2,新城水库是石头河上唯一一座控制性工程。

新城水库始建于 1958年,1959年大坝合龙,后经几次续建,至 1975年主体工程基本竣工,1983年基本达到原设计标准为50 a一遇,校核标准为300 a一遇,坝顶高程为223.37 m,总库容1 700万m3。为了解决延寿县城居民供水和农田灌溉的需要,于 1997年自水库接通城镇供水管道,并于2000年对水库进行增容扩建,扩建后设计标准为50 a一遇,校核标准为1000 a一遇,扩建后校核洪水位（P=0.1%）224.86m,总库容2 580万m3;水库扩建后,可灌溉水库下游水田面积1 140 h m2,2010年后可向延寿镇供水达500万 m3/a。

新城水库枢纽工程由土石坝、溢洪道、输水洞及电站组成,坝址选在滩地窄河谷处,土坝为黏土斜墙堆石坝,黏土铺盖防渗;溢洪道布置在右岸条形山体鞍部,输水洞布置在坝右侧山体中,电站布置在洞出口坡脚处。2000年水库进行增容扩建,坝型仍为黏土斜墙堆石坝,堆石坝在原坝的基础上自坝后坡进行加高培厚;坝顶长455m,坝顶宽6.0 m,坝顶高程226.10 m,最大坝高21.60 m,上游边坡 1∶3.5,下游边坡1∶1.6和 1∶2.0,在高程 217.0 m处设置马道,马道宽 2.0m,下游坝脚处设排水带。

2000年水库增容扩建后至 2005年间,土石坝迎坡坝面多次出现塌陷,坝背坡出现渗水,省水院于 2006年11月对新城水库进行了大坝安全鉴定工作,省水利厅组织有关专家对新城水库大坝安全评定为三类坝,为病险水库。

2 土石坝坝体存在的主要问题

新城水库土石坝坝型为黏土斜墙堆石坝,因溢洪道未建成即蓄水,造成 1960年夏汛时,隧洞闸门因事故无法泄洪,导致大坝决口。1960年 11月至 1962年 6月对大坝决口段进行修复,1964年水库管理部门对土坝进行全面钻探检查,结果表明土坝黏土斜墙质量较差,1968年水库重新翻修黏土斜墙。

2000年水库增容扩建蓄水后,一直处于较高水位状态下运行。水库于 2001年 5月 9日及 5月 22日在水库土石坝上游坡分别发现一陷坑,陷坑发现时均没于水下,上游库水面未见异常。水库陷坑处理后又持续3 a正常蓄水,又于 2005年 6月 3日土石坝上游坡又发现 3处陷坑。

基于险情的不断发生,延寿县新城水库管理站委托黑龙江省水利科学研究院暨黑龙江省水利工程质量检测中心站对水库大坝质量进行检测和分析,采用瞬变电磁法探查大坝内部隐患,并在大坝前坡选取两处外观异常区域和可能存在隐患区域,开挖探坑进行检测。

通过瞬变电磁法对大坝 4个测试断面进行测试,从测试结果看黏土斜墙中存在异常电导率测试值偏多,电导率最大值和最小值均发生在这里,反映出黏土斜墙质量欠佳,极有可能存在着渗透通道,至少存在着产生渗漏通道的隐患。

在探坑开挖检查时,为了使开挖的探坑容易发现坝内渗漏隐患,位置选择在靠近前坝肩,且坝前杂草繁茂的地方,在仅有的 2个探坑中就发现坝体内有已朽的粗树干、大粒径块石、集中堆积的碎石等,且黏土中还挖出了积水,大坝黏土斜墙含水率高（现场试验值为 21.67% ～23.0%）、压实质量差,不能满足截渗要求。坝体内黏土斜墙上碎石垫层和碎石混合土保护层与设计情况不符,反滤层局部级配不合理,且各层界限不明显,碎石粒径较大,并夹有 ＞40 c m的石料,达不到反滤的作用。

综上可以看出,新城水库土石坝经过多期建设、返修,致使大坝构成复杂,施工衔接部位多,存在隐患较多。由于水库前期土石坝防渗体及反滤结构施工质量差,才导致 2001、2005年塌坑的频繁发生。

3 坝体陷坑产生的原因分析

每个陷坑的产生,都是由内、外因素共同作用的结果,外界因素是水库长期高水位运行,内在因素是原斜墙质量差,斜墙下面又是不符合反滤要求的碎石土垫层。库水经质量较差的斜墙渗透到下部不符合反滤要求的碎石土垫层,渗透水先将碎石土中的土粒带走,高水头渗水的长期作用又将其中的砂粒带走,即产生内部管涌并发展为流土,这些颗粒被带到后面坝体堆石的空隙中,逐渐形成自然反滤带,颗粒中的极细部分随着渗透水流流出坝外,长时间的作用形成集中渗流,集中渗流又将质量差的黏土斜墙剥蚀,长期作用结果使原斜墙下部58 a填筑的斜墙逐步脱空并扩大,如脱空部位上面的斜墙与周围部分斜墙间的侧向摩阻力尚能支持脱空部分斜墙和其上面保护层、护坡块石等重量就不会塌陷;若支持不了就产生塌陷,只不过因脱空小或陷落部分较为疏松,塌陷不明显;当下部脱空范围大,侧向摩阻力无法支持时,即发生明显塌陷。

4 土石坝除险加固设计

鉴于水库存在的隐患,本次设计采用在不放空水库前提下,于坝体上游坡桩号 0+16.2～0+362.4高程214.86m,桩号 0+362.4～0+416.2高程217.00m处,开挖宽14.30 m塑性混凝土防渗墙施工作业平台,由平台前缘向内7.3 m处设置一道厚60 c m的塑性混凝土防渗墙,防渗墙深至基岩以下0.5～1.0 m,并与左岸坝基碎石混合土和右岸花岗岩紧密连接,作为坝体下部和坝基部分的防渗措施。防渗墙顶高程至高程224.00 m,采用厚0.5 m m聚乙烯双层500 g/m2的复合土工膜做为坝体中上部防渗材料,复合土工膜底部采用直接在导向槽内用现浇混凝土与塑性混凝土防渗墙牢固连接,按 1∶2.75边坡铺至224.00 m时,膜顶端浇注于混凝土防浪墙底板内,使其与防渗墙和防浪墙形成闭合的防渗整体,以有效解决坝体及坝基的防渗问题。

坝体回填时,于高程217.00 m处设置马道。马道宽4.50 m,之上采用 1∶3.0边坡,25c m厚混凝土板护坡,下垫25c m厚碎石;马道之下采用 1∶3.5边坡,25c m厚干砌石护坡,下垫25 c m厚碎石。复合土工膜下铺砂垫层,厚 20 c m,其下再铺一层粒径 ＜4 c m的碎石支持层,厚20 c m;复合土工膜上铺砂垫层,厚30 c m,垫层之上采用小径堆石填筑。坝顶采用泥结石路面,厚25 c m。

5 坝基防渗墙施工

混凝土防渗墙的施工由于采用不同的造孔机具,施工前需修建孔口导向槽、泥浆制浆站和混凝土拌和站等,钢筋混凝土导向槽可避免出现塌孔现象。固壁泥浆可以循环使用,使用膨润土造浆,可使用高速搅拌机。混凝土浇筑前需对槽内进行清孔换浆,使孔内膨润土浆达到密度≤1.1 g/c m3,黏度≤30s,含砂量≤3%。钻机和抓斗采用两钻一抓的施工方法,造孔采用冲击钻机对各种地层都适应的优势,又发挥了抓斗对一般地层可快速掘进的优点。

图 1 土石坝横断面图

6 结 论

新城水库土石坝迎坡坝坡塌陷、背坡渗水,威胁了水库的安全运行,通过对坝基和坝体采取防渗加固措施,从根本上解决了水库的病险问题,使水库能够更好的发挥灌溉、城镇供水、发电等综合效益。

[1]黑龙江省水利水电勘测设计研究院 .黑龙江省延寿县新城水库除险加固工程初步设计报告[R].哈尔滨：黑龙江省水利水电勘测设计研究院,2008.

[2]谭靖夷 .中国水力发电工程[M].北京：中国电力出版社,2000.