柏杖子水库除险加固工程设计方案分析

王炳棋

（辽宁省白石水库管理局 辽宁 朝阳 122000）

据不完全统计，目前我国各种类型水库总数之和超过8万座，而且大部分修建于上世纪六七十年代，由于当时设计和材料等水平有限，目前很多水库已经达不到相关标准要求。所以我国针对水库的除险加固工程量浩大，范围几乎遍布全国各地，因此对相关的研究工作也很有必要。

1 工程概况

柏杖子水库位于辽宁省凌源市境内，处于柏杖子河的中游位置，流域面积50km2，水库控制面积25.0km2，该水库是一座以防洪、灌溉为主，兼顾发电、养殖的综合性水利工程。柏杖子水库始建于1971年，至今已有45年历史，期间没有进行过任何维修及加固工作。目前，柏杖子水库存在的主要问题有防洪标准低、渗透问题较为严重、抗震标准低及大坝整体稳定性较差。针对这些问题，相关部门组织有关专家对水库进行了实地调查，设计了相应的加固方案措施。

2 除险加固工程设计方案分析

柏杖子水库除险加固工程的主要组成部分包括大坝、护坡和溢洪道的加固设计。

2.1 坝体加固设计方案分析

1.高程计算

柏杖子水库大坝主体为粘土心墙坝，坝体的外壳为填筑碎石，长度约为68m。在土堤上建有高度为0.8m的防浪墙，其基本示意图如下图1所示。

坝体高程是检验是否满足使用要求的最基本参数，其验算过程如下所示。

式中：Y——坝体总高程，m；

R——波浪最大爬高，m；

e——最大风壅水面高度，m；

A——安全加高，m。正常运用情况取值0.5m；非常运用情况取值0.3m。

式中：K——综合摩阻系数；

W——多年平均最大风速，m/s；

D——风区长度，m；

Hm——水域平均水深，m；

β——计算风向与坝轴线法线的夹角，取值0°。

经过实地调查和测量，得出柏杖子水库大坝各个参数的取值如下表1所示。

根据计算，得出柏杖子水库大坝在非常运用的时候要求的坝高最大，可达到380.36m而目前坝体的实际高程为382.2m，防浪墙高程383.0m，超出需要高程值为2.64m，完全满足安全系数要求。所以在设计加固方案时维持了坝体的现状高程[1]，但需要在此基础上进行必要的加固处理。

2.加固设计

图1 柏杖子水库大坝主体示意图

表1 计算最大风壅水面高度参数取值表

图2 混合堤结构示意图

表2 大坝防渗方案对比

为提高柏杖子水库大坝的抗洪能力，在坝体关键位置，设计采用混合堤的形式作为加固措施，混合堤是目前较为流行的一种堤型，其本质是在土堤接触流水的一侧设置一道混凝土墙（其结构见下图2），这种堤型可有效减少占地面积和需要的土料。

采用混合堤加固后的坝体段高程与之前的坝体保持一致，防浪墙深度设计为土堤上表面以下20m～25m位置，整体形状呈梯形。施工方式为开挖后搭建模具，采用整体浇灌混凝土形式。待混凝土固结后进行回填土夯实处理。

3.防渗设计

根据实地调查，柏杖子水库大坝存在渗透现象，需要进行防渗处理。初步设计方案有以下两种。

方案一：混凝土防渗墙+帷幕灌浆。首先使用挖槽机械在坝基中进行挖槽作业，开槽宽度为40cm～50cm，深度控制在15m左右。之后在槽中进行打钻，钻孔直径和槽宽相同，钻孔深度（以槽底为基准）为10m，然后进行灌浆作业（成型图见图3）。

图3 防渗墙成型图

方案二：坝体灌浆。对坝基进行帷幕灌浆处理，为避免出现浆幕断续现象，采用填充式灌浆方式，即：布置双排钻孔，排距为1.0m，孔距设计为2.0m，孔深35.0m。之后对钻孔进行加压注浆，压力值可由实地试验得出[2]。

以上两种方案的对比情况如下表2所示。

经过比较，可发现虽然方案一的混凝土防渗墙的效果较好，但在施工和经济性方面不如方案二，所以最终采用坝体灌浆这种方法来应对渗透问题。

2.2 护坡加固设计

柏杖子水库的护坡在363.5m、372.8m、374.2m高程处分别有一个宽戗台，宽戗台宽度为2m，坡比依次为1∶2.5、1∶3.0、1∶3.0。经过多年使用，护坡表面出现腐蚀现象严重，所以对护坡表面进行加固处理，初步设计两种加固方案。

方案一：干砌石护坡。这种护坡的突出优点为可以就地取材，加工和运输费用大大降低，但施工不方便，且整体性不太好，美观度不高。

方案二：混凝土预制块护坡。这种护坡施工方便，施工速度快，工程质量容易保证，按照“品”字形铺设可使稳定性得到保证。

经过研究，为了使经济性和实用性都达到最大化，本项目决定在柏杖子水库水流较急的上游段采用混凝土预制块护坡形式，水流较缓的下游段采用干砌石护坡形式[3]。

其中设计采用混凝土预制块厚度为0.15m，形状为正方形，边长0.5m；下游干砌石护坡厚度0.3m，所需石料就地取材。在铺好混凝土预制块和砌石后，要对块体接缝进行必要的灌浆处理，浆液为水泥砂浆，水灰比以1∶3为宜。

2.3 消力池改造设计方案

本项目溢洪道为开敞形式，主要存在的问题有溢流堰和底板破坏较为严重，部分墙体已腐蚀，对泄洪很不利。经过对溢洪道高程进行计算，原高程满足要求，但由于溢洪道为无闸控制，所以消力池运行压力较大，在此对其进行必要的改造，主要措施为加深加长处理[4]。

在本项目中，消力池所处地形坡度较大，为了节省投资成本，设计采用等宽矩形消力池形式。消力池需要的深度和长度分别按照公式（3-3）（3-4）计算。

式中：ht——出口下游水深；

h——跃后水深；

ΔZ——消力池尾部出水面跌落。

式中：K——经验参数；

q——消力池出口处单宽流量；

ΔH——上下游水位差。

经计算得出消力池的深度为d=1.3m，L=13m，消力池边墙高度按照经验值设计为3.5m。经过投入使用后，消力池能使上流水跃在池内形成稳定水跃，效果较为理想。

3 结语

本文对柏杖子水库的坝体、护坡以及消力池的加固设计方案进行了说明分析，可以看出设计工作需要紧紧依附于工程的实际情况，很多参数需要现场测得和查阅资料。坝体、护坡和消力池随着使用年限的增长是最容易出问题的位置，在对其进行加固设计时应充分考虑实用和经济因素，力求充分利用原有水库基础，保证改造工程的质量达到新建工程的水平[5]。陕西水利

[1]程圣国，郑瑛，蔡启龙.小型土石坝病险水库除险加固技术研究[J].小水电2005（06）:16-18.

[2]严祖文，魏迎奇，张国栋.病险水库除险加固现状分析及对策[J].水利水术,2010（10）:76-79.

[3]刘艳芳，徐冬梅，刘玉新.小型水库除险加固问题探讨 [J]水利科技与经济，2008（04）:83-84.

[4]赵家成，王从锋，姜利汉.中、小型病险水库除险加固的研究[J].三峡大学报,2005（04）:34-35.

[5]杨启贵，高大水.我国病险水库加固技术现状及展望[J].人民长江,2011（12）:6-11.