卧虎山水库除险加固设计

李志乾 耿波

摘 要：卧虎山水库大坝、溢洪闸、放水洞存在坝体坝基渗漏、溢洪闸不满足防洪要求、闸结构裂缝及放水洞廊道渗漏等病险害，通过增加坝基防渗墙、坝面复合土工膜及采取抗滑桩加固溢洪闸进口左岸滑坡体、闸室采取外包混凝土以及新建放水洞一系列的加固措施，保证了水库的正常运行。

关键词：卧虎山水库；除险加固；溢洪闸

1 工程概述

卧虎山水库位于济南市历城区仲宫镇境内，锦绣川、锦阳川、锦云川三川汇流处的玉符河上游，是一座具有防洪、灌溉和城市供水功能为一体的大型水库。枢纽工程由大坝、溢洪道和放水洞等组成，水库设计总库容1.185亿立方米，为大（2）型水库。

水库大坝为粘土宽心墙土石混合坝，最大坝高约37.0m，坝顶宽8.75m，坝顶高程139.5m，上游坡坡比1：2.28～1：3.5，下游坡坡比1：1.90～1：2.75，大坝总长985.0m，大坝坝基为砂层，厚3.0～12.2m，坝下齿槽宽10m，部分坝段宽3.0m，其下为寒武系页岩。

溢洪閘位于大坝左岸，为坝肩式溢洪道，全长242.12m，其中闸前铺盖长33.50m，泄槽段长129.5m，宽78m，纵坡坡降1/100，泄槽末端接消能工，消能工为连续式挑坎。现状溢洪闸为1976年在拆除原溢洪闸后新建的，为开敞式钢筋混凝土结构，共5孔，总净宽70m，每孔14m，闸室总长28m，最大墩高24.78m，闸底板高程118.3m，门槽处设一低驼峰堰，堰顶高程121.0m，闸门为弧型钢闸门，尺寸14×11m。引渠翼墙及泄槽边墙均为衡重式混凝土浆砌石挡墙。

放水洞位于大坝右侧坝，1960年建成，全长188.0m，放水洞采用浆砌石城门洞型廊道，廊道宽2.66m，高3.0m，拱圈半径1.33m；内置砼管，砼管内径为1.5m，砼管外径为2.54m。进口底高程108.0m，出口底高程为105.38m，放水洞最大泄流量为9m3/s。

2 存在的病险

经地质勘测及现场的查勘，卧虎山水库大坝坝基存在未按设计施工及清基不彻底，坝体填筑压实度取样实测86.4%～99.4%，不满足规范要求且压实度不均匀，大坝心墙在坝0+040～0+140m间普遍存在粉细砂薄层透镜体，坝基、坝体存在渗漏及右坝肩绕渗。坝上游护坡护坡石存在沉陷、脱空滑塌，没有反滤层，下游护坡排水沟大部分损毁。左岸溢洪闸右侧存在滑坡体，致使引渠未按设计开挖且左边坡出现变形，闸室及泄槽出现大量贯穿性裂缝、闸门高度不满足防洪运行要求，闸顶交通桥设计标准不足，闸门止水老化漏水严重等。放水洞的坝下浆砌石廊道出现环向裂缝、砌体砂浆脱落及30多处的渗漏点，高水位时存在大量射流，最大流量为84.0L/min。

2007年11月经安全鉴定，卧虎山水库大坝鉴定为三类坝，需要进行除险加固，加固由万年一遇校核洪水标准调整为5000年一遇校核的洪水标准。

3 加固设计

3.1 大坝加固设计

根据复核，计算所需最大坝顶高程139.19m，现状大坝坝顶及闸室顶高程139.50m，满足防洪要求，坝顶不需加高，仅需对坝体、坝基坝肩渗漏以及坝坡进行加固处理。

（1）坝体防渗

水库大坝填筑压实质量差且不均匀，坝竣工16年后坝顶平均累计沉降量1739mm，最大沉降量2632mm，达坝高的4.7%。根据统计，坝体沉降量小于坝高的1%时，坝体不会发生裂缝；沉降量在坝高的1%～3%之间时，坝体就会发生裂缝；当沉降量大于坝高的1%～3%时，坝体大多会发生裂缝。实际情况也正是这样，卧虎山水库大坝在几次改建和扩建后的运行过程中曾多次出现过多处纵横向裂缝，其中1964年发现较大的裂缝12条，总长度389.80m。

针对这种情况，结合坝上游坡的加固，坝体防渗采用了复合土工膜进行防渗。复合土工膜铺设上部到坝顶，下部到115.0m高程；左岸跟溢洪道右裹头混凝土护坡相连，右岸与山体相接。复合土工膜规格为200g/0.5mm/200g，土工膜为聚乙烯（PE），拉伸强度≥13MPa，断裂伸长率≥300%，土工织物采用聚酯（涤纶）短纤针刺非织造土工布。

（2）坝基防渗

针对大坝坝基防渗问题，结合库死水位112.70m，自高程115.0m平台以下从大坝右岸灌0+000到大坝左岸溢洪道铺盖齿墙处灌0+980.50的坝体和坝基覆盖层采用混凝土防渗墙处理。混凝土防渗墙厚度确定防渗墙厚度由下式计算确定？啄=，式中δ为混凝土防渗墙厚度，ΔH为作用于混凝土防渗墙i点水压力，[J]为混凝土防渗墙允许渗透坡降，取90。经计算墙厚0.36m可满足防渗需要，实际采用墙厚0.40m。

由于灌0+200.00～灌0+800.00的基岩透水性等级为弱透水，经过计算比选，该段可以不布置帷幕灌浆，仅将防渗墙入岩按3.0m，其余防渗墙入岩1.0m。防渗墙采用C10混凝土，抗压强度R28≥15MPa，弹性模量E<2×104MPa，渗透系数K<（1～9）×10-8cm/s，抗渗等级为W8。

在靠近河床左岸与河床右岸的防渗墙下接帷幕灌浆，左端沿溢洪闸新建引渠边墙至闸室基础0+1027.00，右端沿坝肩至右岸坝顶山体0-151.50。帷幕灌浆采用单排帷幕，三序灌浆，孔距2.0m。灌浆后基岩的透水率不大于5lu。

（3）坝坡修复

根据复核，上游护坡干砌块石计算所需厚度为0.24m，现护坡方块石厚度为0.18～0.25m。为充分利用现有块石，上游坝坡采用125.0m高程以下采用0.20m厚块石，125.0高程以上采用0.25m，其下面分别增加厚0.20m的碎石垫层及厚0.10m的粗砂垫层，在两垫层之间铺设规格为200g/0.5mm/200g的复合土工膜。用于护坡的块石料应清洁、坚固、耐风化，其抗压强度应不小于50MPa，石料小于150mm粒径的含量小于10%。大坝下游坝面排水沟由于毁损严重，全部拆除重建。

3.2 溢洪闸加固设计

溢洪道加固的主要是消除溢洪闸开裂、配筋不足、交通桥标准低的自身结构隐患，消除左岸滑坡体的安全隐患及按设计开挖渠底及左岸边坡，恢复溢洪闸泄洪能力，使溢洪闸满足水库的防洪运行要求。

（1）引渠

由于引渠左岸III号滑坡体存在下滑隐患，现状引渠渠内的小山包未按设计挖除，小山包高程126.27m，同时左岸坡在滑坡体的影响下，变形严重。模型试验显示，由于小山包伟岸设计挖除，引渠两侧存在较大回流区，致使溢洪闸泄洪能力不足。

根据地质勘测，III号滑坡体是早期岩石重力失稳而形成的老滑坡体，呈扇形分布，其失稳类型以底滑带滑动为主，主滑方向滑动方向为70～75°。通过对滑坡体的稳定进行分析，此次加固沿滑动方向布置矩形抗滑桩，桩尺寸3.0m×4.0m，呈单排环向布置，桩间距8.0m，布桩共12根。经计算，加固后III号滑坡体沿1#软弱面安全系数K为2.59，沿主滑面安全系数k为1.16，满足k≥1.15的设计要求。滑坡体加固后，重新将渠底小山包开挖至溢流闸堰顶高程121.50m，同时将左岸边坡进行开挖修复，右岸裹头132.0m高程以下加长至115.0m高程坝脚，保证水流平顺入闸室。

（2）闸室

溢洪闸起调水位为正常蓄水位130.5m，根据泄洪复核计算，将闸底坎抬高0.50m，过流净宽由原来的70.0m调整为65.0m，最大下泄流量7030m3/s，此时校核洪水位137.51m，相应计算所需最大坝顶高程139.19m，小于现状大坝坝顶及闸室顶高程139.50m，满足防洪要求，闸底板、闸墩具备外包混凝土0.5m，采用增大结构断面进行加固的条件。同时经对闸结构裂缝成因分析及配筋复核，闸墩裂缝主要是结构配筋不足及施工缝处理不当导致的，闸底板裂缝成因主要是运用初期温降导致温度应力过大导致的，闸墩配筋面积1546mm2，闸底板配筋面积4926mm2，弧门牛腿推力428.8吨，闸墩配筋及牛腿配筋远不满足设计要求。经过对拆除重建闸室和闸室外包混凝土两个方案的比选，溢洪闸闸室选用了保留老闸室主体、外包混凝土的加固方案。

针对闸室存在的混凝土碳化、止水破损漏水、交通桥设计标准汽-13，不满足现行道路的通行要求以及闸门高度不满足防洪运用要求、缺少检修闸门等一系列病险害，设计采用了对延伸长度大于5m、深度大于50cm（底板）或深度大于20cm（闸墩）的宽裂缝（δ>0.5mm），采用环氧树脂进行灌浆修补；对碳化层及弧门牛腿、交通桥等采取了凿除5cm和拆除；隨外包混凝土加大结构断面的同时，增加检修门槽、弧门检修孔、止水、重新设计弧门牛腿、交通桥及按照闸门挡水要求重新设计弧形闸门等，完善闸室功能。为保证新老混凝土粘结效果，在新老混凝土之间布置插筋，插筋间排距1.0m，梅花形布置。

（3）泄槽及挑坎

泄槽及挑坎边墙裂缝，混凝土碳化、止水破损、钢筋裸漏锈蚀等，采用了凿除5cm碳化层，新浇30cm厚C30混凝土的加固措施，并随新浇混凝土布置φ20，间距200mm钢筋网，重新布置止水。

3.3 新建放水洞

考虑到放水洞浆砌石廊道的断裂、渗漏可能已经导致廊道四周坝体土流失，形成空洞，对大坝安全构成潜在威胁，通过高压灌浆加固、开挖坝体加固以及新建放水洞三个方案的比选，放水洞加固选用了新建放水洞、封堵老放水洞的方案。

新建放水洞布置在大坝右侧山体中，由进口塔架、压力洞、出口消力池、取水钢管四部分组成，进口高程108.0m，出口高程101.50m，放水洞全长469m。新建放水洞除放空水库外同时兼顾向下游补给生态流量及向水厂供水1.5m3/s。进口塔架按分层取水布置，在塔架122.00m高程（上层）、115.00m高程（中层）、108.00m高程（底层）布置了3个取水口，上层、中层取水流量2m3/s，底层取水流量10m3/s。压力洞为钢筋混凝土结构，圆型，洞径2.00m。隧洞出口布置Y型钢岔管分别与出口消力池及取水钢管联接，向下游河道下泄水量及向供水渠供水。

老放水洞施工期做为导流洞使用，施工完毕后废弃。废弃前将廊道内管道拆除，在廊道顶拱180°范围内向坝体回灌水泥粘土浆封堵廊道外侧空洞，回灌压力为0.01～0.05MPa，并在上游洞段0+000.00～100.00m回填C15混凝土进行封堵。

4 结束语

卧虎山水库除险加固于2009年开始实施，2011年主体工程基本完成。2012年通过竣工验收，目前工程运行状况良好，达到了工程除险加固的预期目的。

作者简介：李志乾（1974，8-），男，河南郑州人，毕业于郑州大学，硕士，工程师，主要从事水利工程设计工作。