雷泽湖水库除险加固工程研究及实践

朱炎炎

(菏泽市水利局，山东 菏泽 274000)

1 工程概况

菏泽市雷泽湖水库(原名丁坑水库)，位于菏泽市区西4.5km处，属于城市供水水库，总库容1290万m3，调节库容1165万m3，死库容125万m3，设计日供水量为15万 m3/d。

水库枢纽工程包括:围坝、入库涵洞、出库泵站、放水洞及截渗沟等建筑物。

2 存在问题

雷泽湖水库前身由城建部门建设管理。水库在建设过程中，对坝基渗漏与安全问题重视程度不够，坝基渗漏严重，只能限制蓄水，现状水库最高调蓄水位控制在55.0m，严重影响了水库功能的发挥。2008年3月，蓄水水位达到55.5m，蓄水量达到953万m3时，水库周边农田水井水位上涨严重，低洼地段出现积水现象;2009年，由于水库侧渗漏造成水库周边农作物减产严重，村庄百姓几度上访。2009年，水库移交市水利部门管理后，对水库大坝进行了安全鉴定，发现工程存在以下主要问题:

a.坝基存在渗漏问题，水库自蓄水一直在低水位运行。大坝桩号0+200～1+200、3+600～5+000段，在库水位52.00～55.00m时，坝后存在渗水明流，当库水位达到55.0m时，渗漏非常严重。现场检查发现，坝外截渗沟常年满水，水库周围盐碱化，水库存在渗漏问题，高水位运行时，可能产生渗透变形。

b.水库防渗处理不彻底，坝基砂层未进行处理，库内水平防渗工程不完善，库内施工降水井封堵不彻底，围坝0+000～0+800和4+450～5+000坝段坝基渗漏最为严重，坝后积水不断。

c.0+988断面在正常设计水位和现状高水位及3+800断面在正常设计水位时，坝基砂壤土出逸坡降均大于允许出逸坡降，存在管涌型渗透破坏。

d.截渗沟工程不完善，经过运行截渗沟冲刷、滑坡严重，截渗沟与水库周边水系之间不能进行节制性控制，群众意见很大。

鉴于雷泽湖水库大坝存在较严重的安全隐患，无法充分发挥水库的蓄水功能，经安全鉴定为三类坝。

3 原因分析

根据测压管观测资料，测压管水位基本平地面50.80m，截渗沟水位低于地面1.0m左右，说明该处基本形成稳定渗流，结合该段工程地质情况，综合分析认为，由于库区施工期降水井未按设计要求进行封堵及库底土工膜未全断面铺设，水库和下游农田通过⑤层中细砂形成坝基下的深层渗漏通道，造成坝后农田浸没。

4 除险加固设计方案比选

通过以上分析，库区水井和中细砂层是水库主要渗漏通道，工程的主要任务是对坝基进行深层截渗。

首先对库区施工期降水井及水井进行封堵，采用水下浇筑C15膨胀混凝土的封堵措施;同时，对中细砂层采取相应工程措施，根据相关工程处理经验，采取以下几种方案进行比选:

4.1 垂直截渗方案

垂直截渗主要有塑性混凝土防渗墙、高喷板墙、水泥土搅拌桩、垂直铺塑等方案。

a.该渗漏段中细砂截渗深度为23.6～26.8m，水泥土搅拌桩和垂直铺塑方案明显不合适。

b.高喷板墙具有以下优点:施工简便、设备简单、占地较少，临时工程费低，施工振动小、噪音低，处理细砂、粉细砂的效果较好。但一般高压喷射高压区的有效半径不大于0.5m，0.5m以外为高喷扩散区，两区域材料差异巨大，有时因为孔距较大防渗处理效果不太理想，但可通过减小孔距、合理选择高喷方式等措施解决。

c.塑性混凝土防渗墙方案具有以下优点:ⓐ施工时振动小，噪音低;ⓑ防渗性能好;ⓒ适用于多种地基条件;ⓓ工效高、质量可靠，但也存在一些不足:造价略高，施工作业面大，槽孔稳定性要求高，如果施工方法不当或施工地质条件特殊，可能出现相邻墙段不连续等问题。

塑性混凝土防渗墙墙体厚度主要由墙体允许水力坡降控制，另外要考虑施工机具和墙体寿命。根据防渗墙的位置不同进行两个方案比选。

防渗墙方案Ⅰ:防渗墙轴线位于围坝上游坝脚外1.0m，防渗墙顶高程52.0m，深入壤土层1.0m，底高程为23.5～26.7m，围坝渗漏范围约为设计桩号0+000～1+300段，加固设计防渗墙处理范围主要为吴楼村渗漏较为严重的坝段，即围坝设计桩号0+350～0+800段，共450m，防渗墙面积12258m2，土方开挖33850m3，土方回填 33174m3，复合土工膜 3150m2，该方案工程建安投资费用约347.9万元。

防渗墙方案Ⅱ:防渗墙轴线和围坝轴线重合，防渗墙顶高程59.0m，深入壤土层1.0m，底高程为23.5～26.7m，围坝渗漏范围约为设计桩号0+000～1+300段，加固设计防渗墙处理范围主要为吴楼村渗漏较为严重的坝段，即围坝设计桩号0+350～0+720段，共370m，防渗墙面积13074m2，坝顶路面恢复1900m2，该方案工程建安投资费用约350万元。

4.2 水平防渗方案

该方案和初步设计及施工图设计阶段防渗思路一致，即采用增加水平铺盖的措施延长渗径，以达到防渗的目的。采用船只将购置的黏土沉入库底形成水平防渗铺盖，为保证防渗效果，防渗铺盖和现状复合土工膜之间搭接20m。

4.3 排水减压方案

水库蓄水运行以后，北围坝存在坝后农田浸没现象，特别是桩号0+000～1+300段下游农田浸没和返碱现象较严重，菏泽市引黄中心在围坝下游压重平台外侧设减压井，浸没和返碱现象有所缓解。排水减压方案是在现状减压井的基础上，加密布置减压井以降低外围水位。

减压井直径 0.5m，顶高程高于地面 0.5m，为51.3m，底高程23.0～26.0m，减压井间距30m，共需减压井45眼，井深按平均27m计算，工程造价按300元/m计算，该方案工程建安投资约37万元。

4.4 泵站排渗方案

该方案是在围坝下游新建蓄水池收集减压井内的积水，再通过排渗泵站排入水库。

新建排渗泵站约300万元，根据菏泽市引黄中心提供的“水库阴供水量报表”，经分析计算，2010年度水库渗漏流量约为0.1m3/s，排渗泵站设计流量按0.1m3/s考虑，配置电机功率18.5kW，运行期按50年计算，运行费约486万元，该方案工程建安投资费用约为786万元。

4.5 方案选定

从以上比较分析可以看出，黏土铺盖防渗方案投资最大，其次为泵站排渗方案和塑性混凝土防渗墙方案，排水减压方案工程直接投资最小。

4.5.1 泵站排渗方案

不能从根本上解决渗漏和浸没问题，还有可能加大水库渗漏，浪费了水资源和能源，运行费用高。予以排除。

4.5.2 排水减压方案

虽然投资最小，但渗漏问题并没有解决，库区水资源流失、浪费现象依然存在，水库经济效益下降，不建议单独采用。

4.5.3 水平防渗方案

该方案和初步设计及施工图设计防渗思路一致，但由于水库常年供水，不能完全放空，只能采用水下作业的方式铺设黏土，施工难度大，施工质量不易控制。同时，该方案需购置黏土，且方量较大，也存在一定的困难，所以，该方案可行性较差，不推荐采用。

4.5.4 防渗墙方案

a.该方案本身防渗效果较好，质量可靠，施工工艺也较成熟。

b.受投资限制，该方案防渗墙设在库内坝脚平台和坝顶中心线处，其铺设长度分别为450m或370m，仅能解决该段的渗漏问题，相邻坝段的渗漏和通过防渗墙两侧的绕渗现象依然存在，不能完全排除坝后渗漏对附近村庄的影响。

c.防渗墙方案I由于防渗墙位于库内，工程施工时将破坏现状围坝土工膜，墙体施工完成后和土工膜的连接为工程薄弱环节，施工质量控制存在一定难度。由于水库常年供水，不能完全放空库容，根据水库管理单位的意见，水库施工期间为满足城市基本生活用水，库内最低水位不能低于50.8m。根据围坝横断面图，防渗墙施工作业面位于52.00m高程，施工前须将平台开挖，切割下部土工膜，平台回填后再进行防渗墙施工。施工完成后须开挖平台焊接土工膜后回填至现状高程，工程施工工艺复杂、难度很大，同时，一旦后期防渗土工膜搭接出现问题，则将造成更大的渗漏问题。库内防渗墙施工需修建临时马道，现状大坝砌石护坡和土工膜将遭到不同程度的破坏。

d.防渗墙方案Ⅱ将防渗墙设置于坝轴线位置，解决了防渗墙方案I存在的墙膜连接、施工繁琐及砌石护坡破坏等问题，但也存在以下问题:ⓐ防渗墙高度增加，长度变短，防渗效果进一步下降;ⓑ防渗墙施工期间将中断坝顶交通道路;ⓒ水平土工膜和防渗墙不能结合为一个防渗整体，防渗效果不如防渗墙方案Ⅰ。综上所述，从资金、施工工艺、质量保证、经济效益等方面综合考虑，本次加固设计推荐采用防渗墙方案。塑性混凝土防渗墙方案I施工期库水位需降至51.0m左右，由于冬季施工，水库水源相对紧张，为保证城市用水的正常供应，本次设计推荐防渗墙方案Ⅱ，但应加强坝体测压管及坝后排水井水位的观测。

根据上述分析，按照水库供水需求以及资金因素，经综合分析，采取库内水井封堵、坝顶设置防渗墙和坝后设置排水减压井的综合方案。

5 工程设计

除险加固设计的主要内容为对北坝段坝外浸没进行处理。具体包括:ⓐ查明库内未封堵的水井、排水井等渗漏通道并实施封堵;ⓑ采用高喷板墙结合混凝土防渗墙截渗，防渗墙轴线与坝顶轴线重合;ⓒ在防渗墙范围外采用减压井，减压井轴线位于坝后截渗沟轴线内侧12m。工程主要工程量为:C15膨胀混凝土306.31m3，C10塑性混凝土防渗墙8140m2，高喷板墙3307m，减压井416m，坝顶路面恢复1900m2。

5.1 井体封堵

对库内水井采用水下浇筑C15膨胀混凝土进行封堵，根据有关施工记录，共需封堵水井约78眼。

5.2 防渗墙

围坝设计桩号0+350～0+720段采用防渗墙截渗，防渗墙轴线和围坝轴线重合，墙顶高程59.00m。上部壤土、砂壤土层采用C10塑性混凝土防渗墙，墙厚0.3m，墙底高程37.00m;下部⑤层细砂层采用高喷板墙，墙底深入⑥层壤土1.0m，高喷板墙钻孔间距1.5m，采用摆喷方式成墙。

5.3 减压井

为降低防渗墙两侧绕渗对下游水位的影响，在防渗墙两侧0+000～0+350及0+720～l+300段围坝下游设置减压井。

6 除险加固工程建设验收情况

2010年10月山东省水利厅、财政厅对雷泽湖水库除险加固工程初步设计进行了批复，核定工程概算总投资473万元，资金来源为国家规划内水库除险加固专项资金。该工程于2010年12月25日开工，2011年9月28日全部竣工。

2011年12月，山东省水利工程试验中心对大坝塑性混凝土防渗墙连续性进行了检测。经检测，墙体整体视电阻率成层状反映，同层位基本均一，未发现明显的不连续迹象。详见下图。

高密度电法解释图

该工程通过初期运行，运行安全可靠，质量较好。工程完工后水库按正常水位蓄水，各工程工作正常，运行安全。工程于2012年12月通过了竣工验收。

7 除险加固后成效分析

水库除险加固工程完工后初期运用期间，经观测，工程实施前水库水位为黄海高程54.00m时，防渗段截渗沟外侧地下水位为50.80m，工程实施后，水库水位为56m时，防渗段截渗沟外侧地下水位为50.50m。防渗状况明显改善，有效降低了库外地下水位，防止土地浸没，改善了库外耕种条件，提高了作物种植产量，增加了农业效益。按照当地作物种植比例计算，年均可增加农业效益63万元，工程效益显著。

工程的实施，提高了雷泽湖水库的蓄水能力及城市供水保障能力，改善了当地生态环境和人民生产生活条件，促进了当地社会经济的可持续发展。