孤山子水库除险加固工程设计与施工

郭 晓

(葫芦岛平山供水有限责任公司，辽宁 葫芦岛125000)

1 工程概况

孤山子水库位于葫芦岛市建昌县境内，为大凌河西支上的一座小(1)型水库，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养鱼等综合利用的水利枢纽工程，流域面积为39.1 km2。孤山子水库枢纽工程由主坝、副坝、输水洞、明渠式溢洪道组成。

2 水库存在的问题

水库存在的问题如下:孤山子水库建于1974年，运行至今，存在很多问题，具体如下:①主坝坝顶和护坡砌石已腐蚀严重;②副坝下游坝脚渗水，且形成明流，威胁副坝坝体稳定性;③输水洞出口没有消力池，冲坑越来越深，冲坑面积越来越大;④输水洞泄洪渠没有保护措施，不断吞噬耕地，且威胁左侧居民。经过分析以上问题，决定对孤山子水库的主坝、副坝、溢洪道和输水洞等工程进行必要的除险加固。

3 除险加固工程的设计与施工

3.1 主坝的除险加固设计

孤山子水库主坝位于库区两山体之间，为黏土心墙砂壳坝，最大坝高31.05 m。坝顶高程555.45 m，顶宽4.1 m，心墙顶高程554.15 m，坝体长度为168 m，上游边坡为1∶2.5，下游边坡为1∶2(见图1)，坝体护坡为细粒质砾石。坝体材料主要为人工填筑土。

图1 主坝结构示意图

下面对主坝高程是否满足要求进行理论计算，见公式1:

式中:W 为设计洪水位取1.5 倍的多年平均最大风速;D 为由计算点逆风向到对岸的距离，取960 m;H为水域的平均水深(其他字母含义不再详细介绍)。

经过对破浪爬高和风雍水面高度的计算，得出孤山子水库计算坝顶高程应至少为555.03 m，小于现状坝顶高程555.45 m，无需建设防浪墙。根据主坝目前的实际状况，设计出以下加固方案:①坝顶进行清基，清基0.10 m后，坝顶宽达到4.3 m;②坝顶修筑0.35 m厚的碎石路面，坝顶路面兼做施工道路，坡度1.5%，向背水坡倾斜，满足超高要求;③对风化严重的迎水坡和背水坡进行翻新。

3.2 主坝的除险加固工程施工

坝顶清基0.1 m共开挖土方70.8 m3;清基后修建0.35 m厚碎石路面，由10 cm砂砾石垫层、15 cm石灰、炉渣、土基层和10 cm的碎石组成。背水坡每隔50 m修建一条混凝土排水沟，共4 条，所用混凝土型号C20;并种植草皮来护坡。将迎水坡原干砌护坡石拆除，新建0.1 m厚碎石反滤和0.3 m厚干砌石护坡，其中原干砌石块石利用率为50%。将主坝背水坡拆除重新修筑干砌石排水体，其中原干砌石块石利用率也达到50%［1］。

3.3 副坝的除险加固设计

孤山子水库副坝为均质坝，最大坝高为26.1 m，坝体长度为331 m，上下游边坡角度与主坝相同。从南侧起250 m 范围内在坝前铺设了干砌石护坡0.5 m，同时在坝前铺设了反滤层，反滤层结构如下:砂层厚度为0.15 m，砾层厚度为0.15 m，碎石厚度0.25 m，反滤层下部为0.6 m 厚的土砂保护层，黏土斜墙厚度为0.6 m，与下部黏土防渗体相接。经过分析，技术人员认为副坝背水坡局部断面较陡(处于1∶1.85 ～1:1.94)，本次加固设计背水坡度为1∶2。对于副坝渗水问题，设计出混凝土防渗墙和高喷灌浆两种方案，经过对比两者的经费投资、施工进度和加固效果等情况，最终选择高喷灌浆技术。

3.4 副坝的除险加固工程施工

1)孔口布置:本项目采用单排摆喷套接技术形式，二管法施工工艺，孔间距1.4 m。考虑坝基绕渗的影响，水平灌浆长度为294 m。经分析认为取坝基基础线以上2 m 至第一层粉土质砾与第二层低塑限粉土交界层以下2 m 作为高喷灌浆范围，基本可以满足除险加固的防渗要求。此外，打钻时应深入设计灌浆底高程下0.3 m。为增加墙体的厚度，各孔采用摆喷灌浆，设计摆角为23°。灌浆施工分两序进行，即1#，3#……奇数孔，其喷射板墙与轴线成20°;2#，4#……偶数孔，其喷射板墙与轴线成160°，板墙平面呈140°交叉折线型(见图2)。分序施工的目的是避免喷射时造成邻孔塌孔和串浆。

图2 高喷灌浆防渗帷幕钻孔布设图

2)材料选择和灌浆施工:本工程采用普通硅酸盐水泥浆作为灌浆材料，黏土选用当地优质黏土，浆液配比为1∶1∶1.6(水泥∶黏土∶水—重量比)，为节省材料，要求利用部分喷射回浆。灌注浆液比重为1.55 ～1.60，黏度为23 ～25s。高喷灌浆作业参数见表1。

表1 高喷灌浆施工参数

3.5 输水洞的除险加固设计

孤山子水库输水洞为有压式隧洞，单宽流量、流速及设计水头较大，为选择较为经济合理的消能型式，布置了消力槛与消力池的两个方案进行比较，主要工程量及投资情况见表2。

表2 消力槛与消力池方案详情对比

由表2 可知，消力槛方案混凝土量较大，投资亦较消力池方案多10 万元左右，故最终采用消力池的消能型式。经过理论计算，得出以下结果:消力池两侧需要修建5.6 m 高翼墙以保护两岸的居民和耕地，上顶宽为0.3 m，下底宽为1.2 m，墙后进行土方回填，并对翼墙以上土体按1∶1.5进行削坡。而海漫的长度公式为:

其中:Lp 为海漫长度，m;qs为消力池末端单宽流量，m3/s;Ks为海漫长度计算系数;经计算Lp =30.74 m，故设计海漫长度为31 m。

3.6 输水洞的除险加固工程施工

输水洞的除险加固工程的施工项目机工程量见表3。

表3 消力池和海漫工程量

［1］赵廷红，沙成刚，张鹏飞，陈荣胜．病险土石坝加固后安全性分析［J］. 水利与建筑工程学报，2014，12(02):71 －75．