察尔森水库除险加固工程设计要点

刘 涛，吕君卓，金 辉，宋立民

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021)

1 工程概况

察尔森水库位于嫩江支流洮儿河中游、内蒙古自治区科右前旗境内，是一座综合利用的大（1）型水库，也是洮儿河干流上唯一一座控制性骨干工程。水库正常蓄水位为365.40 m，设计洪水位366.40 m，校核洪水位367.61 m，水库总库容12.53×108m3。设计灌溉面积66460 hm2，多年平均发电量2664×104kW·h。水库下游防洪标准为20年一遇洪水标准。

水库枢纽由壤土心墙砂砾石坝、溢洪道、泄洪洞和电站组成。心墙顶高程为369.00 m，坝顶高程为371.50 m，最大坝高为40.0 m，坝顶宽为6.0 m，坝顶长为1712 m，防浪墙顶高程为372.50 m。上游坝坡坡比为1∶2.5和1∶2.75，边坡点高程为354.50 m，采用块石护坡；下游坝坡坡比为1∶2.0和1∶2.5，采用砌石网格砂砾石护坡，在高程354.50 m处设有2.0 m宽马道。岸边陡槽式溢洪道，位于大坝左侧，现状设4孔9 m×9 m弧形钢闸门（加固后为3孔），堰顶高程353.00 m，最大泄量3531 m3/s。泄洪洞位于大坝右侧，采用二洞合一的布置方式。主洞灌溉、泄洪，支洞发电输水。主洞为圆形有压隧洞，长度392 m，内径分为6.0 m和6.7 m。最大泄量326 m3/s。

水库于1971年9月开始设计，1989年9月下闸蓄水，1990年主体工程基本完工，1996年9月通过了国家初步竣工验收。2011年5月完成大坝安全鉴定论证报告，于2011年6月22日通过审查，并将察尔森水库定性为三类坝。2011年7月15日，《关于察尔森水库三类坝安全鉴定成果的核查意见》同意察尔森水库为三类坝鉴定结论意见，需要进行加固处理。

2 水库建筑物存在的主要问题

1）大坝工程：大坝坝顶防浪墙裂缝严重，坝顶路面龟裂、高低不平；上游护坡极不平整，起伏差不满足规范要求，下游坝坡砌石网格砂砾石护坡破损严重，局部断面缺失；大坝坝基渗漏严重，存在渗流稳定问题，渗流安全不满足要求。

2）溢洪道工程：进水渠入口上游岸坡局部塌岸严重；进水渠首部喷混凝土剥蚀、脱落严重，翼墙破损、剥蚀严重，局部钢筋裸露，相邻段错位；溢流面和闸墩混凝土老化严重，存在龟裂、碳化、剥蚀、脱落等现象，溢流面抗冲刷能力不足，闸墩存在裂缝，牛腿附近抗裂计算不满足规范要求，边墩侧向抗倾安全系数不满足现行规范要求；陡槽段边墙和底板混凝土裂缝较多，剥蚀严重；溢洪道混凝土抗冻指标不满足现行规范要求。

3）泄洪洞工程：泄洪洞进口左岸近坝岸坡及进口闸室后山坡存在稳定问题，进口落石堆积严重，拦污栅已无法正常启闭；泄洪洞进口启闭机室梁、板等多处存在裂缝，不满足结构承载力要求；泄洪洞洞身及出口段混凝土存在老化、碳化、剥落现象。

3 大坝加固

3.1 大坝基础防渗处理加固

根据安全鉴定结论，大坝坝基渗漏严重，存在渗流稳定问题，渗流安全不满足要求。根据地质资料，大坝基础水平防渗层渗透系数偏大，渗透系数平均值为1×10-4cm/s，且渗透系数离散性大，覆盖层厚度不均一。坝基土体的可灌性根据颗粒分配曲线分析，坝基范围内分布的各层土，级配不良砾可灌性较好，含细粒土砾不适宜常规灌浆，粘土质砾不适宜常规灌浆。由此可看出，含细粒土砾与粘土质砾层均不可灌浆。

因此，大坝基础处理选定对地基适应性较强，施工技术成熟，成墙质量保证率较高，防渗性能和效果可靠的混凝土防渗墙型式。现状大坝坝基各土层的渗透比降应小于允许比降，尽量减小坝基渗流量，节省投资为原则，结合渗流计算成果进行了局部加固处理。

该方案仅对不满足渗透稳定部位的基础进行了加固处理。大坝基础防渗处理范围为0+150.00～0+815.00 m和1+222.00～1+470.00 m两段，总长913 m，采用混凝土防渗墙。防渗墙中心线距坝轴线以下1.0 m，防渗墙厚度为0.6 m，防渗墙顶部插入壤土心墙不小于4.0 m。防渗墙底部深入弱风化岩0.5 m，防渗墙最大深度为27 m。根据渗流计算，在0+150.00～0+430.00 m部位结合防渗墙进行帷幕灌浆，灌浆深度为20 m，间距2.0 m。

3.2 上游护坡加固

将高程367.00～371.50 m上游护坡不平整部位局部拆除后重新进行防护，施工过程中对坡面上的内部观测孔及渗流监测设施等应采取临时保护措施，以免遭到破坏。防护型式根据工程实际运行情况，考虑与原护坡结构的连接，采用浆砌石护坡，坡比为1∶2.5，浆砌石厚度为40 cm，其下为15 cm厚的砂砾石垫层。

3.3 下游护坡加固

将坡面上现有砌石网格梁拆除后重新修筑浆砌石网格梁，间距仍采用3 m，断面为30 cm×30 cm（宽×高）。坝顶至高程354.50 m之间坝坡为1:2.0，在高程354.50 m马道，内设40 cm×30 cm（宽×高）的混凝土纵向排水沟；高程354.50～337.00 m之间坝坡为1∶2.5；在高程337.00 m马道，内设40 cm×30 cm（宽×高）的混凝土排水沟，337.00 m以下坝坡为1∶3.0。沿坝轴线每50 m设一道30 cm宽的混凝土横向排水沟，与坝脚及每层马道排水沟相连，纵向排水沟平行坝轴线。沿下游坝坡共设4条宽2.0 m的上坝踏步，在有监测点部位设宽2.0 m的踏步，均采用混凝土结构。

3.4 坝顶结构加固

原沥青混凝土路面全部拆除，重新铺设沥青混凝土路面。对大坝防渗墙部位进行处理，考虑到大坝基础混凝土防渗墙施工需要形成不小于11 m宽的施工平台，此次设计将坝顶路面挖至370.00 m高程，然后将开挖料直接填至下游坝坡，顶宽3.2 m，边坡为1∶1.5，待基础防渗墙施工结束后再将坝坡处的填筑料挖除，同时将坝顶370.00 m高程以下挖除30（50）cm，然后再重新填筑至坝顶371.50 m高程。

坝顶下游侧采用混凝土路缘石，断面为20 cm×50 cm。在路缘石每隔50 m预留排水沟，将坝顶积水排至下游排水沟内。

4 溢洪道加固

溢洪道为岸坡开敞式溢洪道，溢洪道全长270 m。由进水渠、控制段、泄槽段、挑流鼻坎段、出水渠等组成，现状溢洪道控制段溢流总净宽为36.0 m，长28.0 m。溢洪道4孔，单孔净宽9.0 m，中墩厚度均为2.0 m，边墩为衡重式挡墙结构。由于闸墩牛腿附近抗裂计算和扇形钢筋承载力不满足现行规范要求，所以，此次加固设计需要对闸墩进行加固处理。

现状溢洪道闸墩中墩厚度为2 m，比较单薄，不宜采用开挖后再贴混凝土的加固处理方式。如果采用凿毛后再贴50 cm厚混凝土处理，势必将减少溢流孔净宽（现状4孔，单孔宽9 m），使溢洪道的泄流能力降低，不能满足泄流要求。因此此次加固设计将原中墩全部拆除重建，边墩为满足牛腿布置局部拆除。根据现状堰体布置保证溢流道总净宽36.0 m不变。

1）进水渠：底高程 351.00 m，全长 115 m，闸前宽41 m，进口处宽85 m。原底板拆除后重新采用混凝土衬砌，厚度为50 cm。导流墙为衡重式挡墙，将两侧导墙混凝土进行凿毛，然后喷涂混凝土界面粘结剂，再重新浇筑50 cm厚的贴面混凝土，墙高不变，导墙表部设有构造钢筋网和化学植筋。

2）控制段：溢流前缘总宽为41 m，总长35 m，溢流堰孔口共分3孔，每孔净宽12 m。闸墩长度根据闸门布置需要加长7 m，因此需将拆除泄槽段起始段（包括底板和边墙）以便边墩布置。将原3个中墩拆除后重新修筑两个中墩，厚度均为2.5 m。2个边墩为布置牛腿附近扇形钢筋的需要将359.00 m高程以上部位拆除重建至371.50 m高程，359.00 m高程以下部分边墩先进行凿毛，然后喷涂混凝土界面粘结剂，再重新浇筑50 cm厚的贴面混凝土，边墩表部设有构造钢筋网和化学植筋。

溢流堰顶高程为353.00 m，堰型仍采用驼峰堰，上游堰高2 m，下游堰高3 m。在挖除中墩部位堰体混凝土后其余部位堰体均采用局部加固处理。即将堰体表面先挖除20 cm，然后喷涂混凝土界面粘结剂，再重新浇筑20 cm混凝土。闸墩上部设有交通桥、工作桥、液压启闭机及启闭机室等。

3）泄槽段：泄槽段起点高程为349.42 m，底坡1∶9，长100 m。其中0+063.00 m桩号以前13 m为新建段，该桩号以后87 m为加固段。

泄槽0+050.00～0+063.00 m新建范围内混凝土底板厚度为0.6 m，底板表部设有构造钢筋网及锚筋。泄槽0+063.00～0+150.00 m属于加固段，将现状底板和边墙进行凿毛，然后喷涂混凝土界面粘结剂，再分别重新浇筑25 cm和35 cm厚的混凝土，底板、边墙表部均有设有构造钢筋网、锚筋和化学植筋。加固后的泄槽宽为41.4 m。

5 泄洪洞加固

1）进水口清淤

察尔森水库泄洪洞进水口由于库岸岩块掉落阻塞，拦污栅不能正常起吊检修，此次处理设计对进水口淤积进行清理。

2）进水口启闭机室拆除及重建

将进水口检修高程369.50 m以上结构全部拆除，按照更新后的金属结构设计及其启闭设备选型，重新进行泄洪洞进水口结构布置设计。

检修平台室结构尺寸为13.8 m×12.6 m×8.0 m（长×宽×高），长度（水流方向）较原启闭机排架扩大2.1 m，宽度及高度方向与原结构尺寸一致。由于拦污栅启闭时，启闭机室受较大侧向力作用，原排架结构承载力不足，发生震动破坏。此次加固设计，将原排架结构检修平台室改为剪力墙结构，墙体厚70 cm。启闭机室结构尺寸为13.8 m×12.6 m×4.5 m（长×宽×高），长度（水流方向）较原启闭机排架扩大2.1m，宽度及高度方向与原结构尺寸一致，墙体厚40 cm，启闭机室结构净尺寸满足启闭机运行要求。

3）进水口近坝岸坡加固

考虑到边坡顶部进水口公路已经形成，在保证公路安全的情况下，对现状干砌石护坡段的下部块石层先进行水泥砂浆灌注，并设φ100 mm排水孔。然后再将坡面开挖至块石层以下0.5 m，再重新铺设浆砌石护面，在浆砌石内布设φ80 mm软式排水管，与排水孔相连接。由于水库近年来最低水位高程多为350.00 m左右，为避免放空水库，将浆砌石护坡分两期施工，待库水位低于350.00 m时再行施工二期。为保证一期浆砌石护坡的稳定，在356.00 m高程采用3φ22锚筋束固坡，间排距均为3 m。对靠近进水口的岩石边坡清坡处理后，采用混凝土板防护，混凝土厚度50 cm，并设锚筋和排水系统。

泄洪洞进水口右侧45 m岸坡以外延长防护30 m，清坡处理后采用喷锚支护，厚度为15 cm，并设锚筋和排水系统。

4）洞身加固

此次加固设计挖除原喷混凝土衬砌段剥蚀破坏部位及底拱浇筑混凝土，新建钢筋混凝土衬砌，断面型式为圆形，底拱局部最小衬砌厚度为30 cm，最大局部衬砌厚度为50 cm，衬砌后内径为6.0 m，保持内径与原钢筋混凝土衬砌一致，平顺连接。混凝土衬砌段顶拱135°范围内进行回填灌浆。

对现状钢筋混凝土衬砌段局部破损部位采取凿除混凝土，喷涂混凝土粘结剂，然后回填混凝土的方式进行处理，凿除深度30 cm。