瓦窑河水库除险加固工程方案选定

赵 健

（交城县水利局，山西 交城 030500）

1 工程概况

交城县瓦窑河水库工程是一座以防洪为主，工业供水和农业灌溉为辅的小（一）型水库。水库防洪保护范围6 km2，主要防洪对象为库区下游太汾高速公路及307国道等交通干线，交城县城及产值百万元以上的企业4家，沿河两岸有9个村庄，8.4万人，0.19万hm2耕地。

水库坝址区位于瓦窑河中游，控制流域面积48.15 km2。原设计水库总库容190万m3，最大坝高35.3 m，最大坝长270 m。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、泄洪洞组成。

瓦窑河水库于1975年10月开工兴建，1977年底水库建成蓄水，属于典型的“边勘测、边设计、边施工”的“三边”工程。由于原设计防洪标准偏低，工程质量差，存在问题较多，自建库以来，水库未经高水位考验，工程一直未能正常运行，是山西省病险水库之一。

1.1 大坝

大坝前半部分为碾压土坝，后半部分为堆石渣杂填土，且未碾压，碾压土坝与堆石渣杂填土接触带未设置反滤装置。大坝坝顶高程915.5 m，坝底高程880.2 m，上游边坡为 1∶2.19，1∶2.79，1∶3.5，下游边坡为1∶1.97，1∶2.27，1∶2.24，1∶1.7，马道宽 2 m，坝顶防浪墙高1.2 m，上游坝坡为干砌石护坡。

1.2 溢洪道

溢洪道位于大坝左岸，进口无闸门控制，全长100 m，断面尺寸3 m×25 m，坡降为1/50，进口高程912.2 m，最大泄量220.8 m3/s。溢洪道基础为风化砂质页岩，右侧为浆砌石挡墙，左侧为浆砌石护坡，底板无防护，出口无消能设施。

1.3 泄洪洞

泄洪洞位于左坝底，为直墙门洞形，断面尺寸为2 m×2.5 m，泄洪洞进口高程886.2 m，出口高程884.2 m，洞长230 m，最大泄量57.3 m3/s。进口为封闭式圆形闸室，钢筋混凝土结构，闸室内径6 m，壁厚0.5 m，总高度为13.6 m，泄洪洞进口安装2.6 m×3.0 m平板钢闸门，由1台30 t丝杆启闭机操纵启闭。闸后安装两根直径250 mm的钢管，由4台直径250 mm的阀门控制。闸室由廊道通向坝外。

2 工程存在的问题

2.1 防洪标准偏低

根据部颁规范，中（一）型水库防洪标准为50年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。考虑到水库担负着下游交城县城、太汾高速公路、307国道等交通干线及沿河两岸村庄人口、耕地的防洪任务，水库现有防洪能力仅达到20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核，水库防洪能力明显偏低。

2.2 下游坝坡抗滑稳定系数不满足规范要求

经计算，在正常运用条件下，规范要求不小于1.3，而大坝上下游坝坡抗滑稳定安全系数为1.128~1.21；非常运用条件下，规范要求不小于1.2，而大坝上下游坝坡抗滑稳定安全系数为1.04~1.2，两种条件下均不满足规范要求，下游坝坡不稳定。

2.3 坝体主河槽和右坝肩存在渗漏问题

1990年水库蓄水位达到907.1 m时，坝后左岸台地砂砾石层管状漏水有十余处，漏水总量达30 L/s，1990年9月20日降雨38 mm，坝后左岸台地岸坡开始成批坍塌。后经处理，左岸坝基砂砾石层渗漏基本解决，但主河槽和右坝肩渗漏依然存在，特别是大坝前半部分为碾压土坝，后半部分为堆石渣杂填土，且未碾压，碾压土坝与堆石渣杂填土接触带未设置反滤层。

2.4 溢洪道不能正常使用

溢洪道位于大坝左岸，长100 m，宽25 m。1981年修建溢洪道时主要进行了断面开挖，由于资金所限，其他项目都被取消。溢洪道存在的主要问题有：第一，溢洪道右侧为浆砌石挡墙，左侧为浆砌石护坡，底板无衬砌。第二，溢洪道出口无消能设施。溢洪道出口为沟边，与沟底高差十多米，未修建消能设施。第三，溢洪道上无交通桥。一旦溢洪道过水，将阻断水库管理站和大坝的对外交通及抗洪抢险。

3 除险加固设计方案

为排除水库病险，确保大坝安全。交城县水利局对瓦窑河水库除险加固工程提出了初步设计。方案的主要内容为坝体混凝土防渗墙、坝基帷幕灌浆、下游坝坡培厚、溢洪道改建、大坝安全监测等。

3.1 坝体混凝土防渗墙

坝体混凝土防渗采用倒挂井方式修筑防渗墙，井内回填黏土，垂直方向从高程915.5 m至基岩面，范围从大坝桩号0+000~0+270 m，倒挂井位置在大坝坝轴线，倒挂井防渗墙最大深度为41 m，倒挂井内径1.6 m，壁厚0.2 m，四井一组，共40组。

3.2 帷幕灌浆

坝基防渗采用帷幕灌浆与坝体防渗墙相接，深入基岩6 m。防渗帷幕共设1排，孔距1.6 m。帷幕灌浆范围从大坝桩号0+000~0+270 m。

3.3 下游坝坡培厚

利用溢洪道的开挖石渣对大坝下游坝坡进行加固培厚，同时放缓坝坡，下游坝坡共设两级马道，马道宽为2 m，高程分别为902.45 m和889.45 m，下游坝坡从上到下依次为 1∶2.5，1∶2.75，1∶3。马道 889.45 m 以下采用石渣培厚，马道889.45 m以上采用粗砂土培厚。主河槽坝坡脚设干砌石排水棱体，排水棱体项宽2 m，高 4.82 m，边坡 1∶1.5。

3.4 溢洪道改建

溢洪道改建后仍为开敞式，为保证出口水流尽量顺畅，溢洪道拟在中部设一弯道。弯道中心桩号为“溢0+060”，弯道半径为20 m，转折后溢洪道中心线与坝轴线正交。溢洪道包括进口段、收缩段、泄槽段、陡坡段、挑流段，全长96 m，其中进口段长10 m，进口宽35 m，收缩段长20 m，泄槽段长38 m，泄槽宽20 m，陡坡段长22.3 m，挑流段长5.7 m。

3.5 交通桥设计

由于溢洪道隔断了水库大坝及水库管理站的对外交通，因此需在溢洪道上修一座交通桥。

交通桥桩号为“溢0+064~溢0+068”，与溢洪道正交。交通桥设计荷载为“汽车—15级”，桥面总宽4 m，共分3跨，采用钢筋混凝土梁板结构，梁高0.6 m，板厚0.25 m，桥墩宽0.8 m。

3.6 大坝安全监测设计

根据工程规模和重要性，瓦窑河水库大坝拟进行坝体渗流压力观测。大坝渗流压力观测的目的是为了确定观测断面上的渗透压力分布和浸润线的位置。根据大坝实际情况，拟在坝体主河槽段布置两个观测断面，桩号为0+185和0+215；拟在左坝段布置一个观测断面，桩号为+150，每个观测断面布置5个观测孔。采用自动观测，计算机控制。

4 除险加固设计方案选定

在大坝安全鉴定的基础上，结合瓦窑河水库的工程任务、洪水标准，对水库除险加固工程拟定了两个方案进行优化比较。

4.1 坝体倒挂井防渗方案

坝体采用倒挂井方式修筑混凝土防渗墙、坝基帷幕灌浆、溢洪道进行扩宽衬砌、出口修建消能设施。

工程内容包括以下几方面：

坝体采用倒挂井方式修筑混凝土防渗墙，井内回填黏土，坝基6 m强风化层采用帷幕灌浆；下游坝坡利用溢洪道开挖土石料培厚；溢洪道进口扩宽至35 m，溢洪道进口高程911 m，比原来降低1.2 m，溢洪道采用钢筋混凝土衬砌，出口采用陡坡挑坎消能。溢洪道上修建交通桥。

该方案主体建筑工程投资费用为608.6万元。其优点是工程量较小，可利用溢洪道出口的开挖弃渣来培厚坝体。倒挂井方式修筑混凝土防渗墙可靠、防渗效果最好，溢洪道扩宽工程施工简单。缺点是倒挂井施工工作面小，进度慢，溢洪道右侧墙基岩风化加重。

4.2 加固方案

大坝加高培厚，坝体采用倒挂井方式修筑混凝土防渗墙，坝基帷幕灌浆，溢洪道进行衬砌，出口修建消能设施。

工程内容包括：大坝加高1.6 m，（坝顶修建1.2 m防浪墙，下游坝坡培厚；坝体采用倒挂井修筑混凝土防渗墙，井内回填黏土，坝基6 m强风化层采用帷幕灌浆；溢洪道进口高程912.2 m，溢洪道采用钢筋混凝土衬砌，出口采用陡坡挑流坎消能；溢洪道上修建交通桥。

该方案主体建筑工程投资费用为652.8万元。其优点是溢洪道基础基岩条件较好，缺点是工程量大，投资大。

4.3 方案选定

瓦窑河水库1978—1983年曾两次对大坝进行了黏土灌浆加固，有效防止了坝体进一步沉陷和裂缝，但黏土灌浆对坝体防渗作用有限，特别是瓦窑河水库坝体土石结合带未设置反滤，采用黏土灌浆无法保证坝体渗流安全。坝体高喷灌浆比较适合于均质土坝和砂土地基，而瓦窑河水库坝体后半部分为堆石渣杂填土，不适合采用高喷灌浆修筑防渗墙。采用倒挂井修筑混凝土防渗墙适合于各种土石坝条件，特别是在库水可以放空的情况下。因此，瓦窑河水库坝体防渗加固方案采用倒挂井方式修筑混凝土防渗墙。

5 结语

通过对瓦窑河水库除险加固工程方案的选定及实施，提高了水库防洪标准，消除了水库的安全隐患，确保了工程安全，发挥了工程效益，同时施工方便，节省了工程投资，取得了良好的经济效益和社会效益。