东坑水库除险加固设计

何香建申光华仇学明

（湖南省水利水电科学研究所长沙市410007）

东坑水库除险加固设计

何香建申光华仇学明

（湖南省水利水电科学研究所长沙市410007）

经过几十年的运行，东坑水库工程建筑物多处存在老化、病害和安全隐患，为消除工程安全隐患，保证水库正常运行，提出水库大坝加固方案：坝体混凝土垂直防渗墙、坝基帷幕灌浆、上游坝坡放缓培厚、下游坝坡削坡。加固完成后，不仅消除了水库的病险隐患，而且提高了水库的蓄水、防洪和灌溉能力。

东坑水库除险加固大坝溢洪道输水涵洞

引言

水库的除险加固在现今阶段的水利工程建设中至关重要，需充分运用投放的有限资金在最大程度上解决水库中遗留的安全隐患，这是影响到人们生命财产安全的重要工作。为此，诸多科研学者和技术工作人员做了很多努力和探索[1～5]。

下面以东坑水库为例，在全面分析其存在的病险和其可能对大坝安全稳定造成影响的基础上，提出了针对性较强的除险加固方案，以期可指导类似的工程设计和施工。

1 工程概况

东坑水库所处地理位置在东经113.48′，北纬25.52′，坐落于茶陵县小田乡东坑村。水库周围森林茂密，植被较好，库区系石英砂岩组成，表层被很厚的粘壤土及土夹石覆盖。水库四处环山，为一小盆地，坝址谷口狭窄，周围高山环抱，泉源充沛。

水库控制集雨面积13.5 km2，正常蓄水位142.1 m（溢洪道堰顶高程），相应正常库容为1 121万m3；设计洪水位为143.12 m，相应库容为1 189.5万m3；校核洪水位143.57 m，相应库容为1 226.3万m3；死水位107 m，相应库容为8万m3。水库设计灌溉面积为0.265万hm2（3.982万亩）。该水库是一座以灌溉为主，兼以防洪、发电、养殖的中型水利工程。

枢纽工程由大坝、溢洪道、压力涵洞、输水卧管、坝后电站等永久性建筑物组成。

大坝原设计为粘土心墙土坝，坝高44.85 m，相应坝顶高程为144.85 m，顶宽5 m，顶轴线长227 m，底轴线长40 m。1982年发生外坡滑坡，经修复处理后，大坝坝型则变为：左坝段130 m高程以上为粘土心墙堆石坝，左坝段130 m高程以下及右坝段全部仍为粘土心墙土坝，坝高为44.85 m，坝顶高程仍是144.85 m，顶宽修复设计5 m，实达9 m。

溢洪道型式为宽敞式。宽顶堰堰顶高程为142.1 m，宽60 m，最大泄流量115.0 m3/s（P=0.1%），最大过水深1.23 m，泄槽陡坡总长353 m。其中消力池进口段陡坡长25 m，宽度由60 m渐变到20 m，坡度i=1/2.86；消力池出口后的陡坡长260 m，宽20 m，坡度i=1/18.2，挑流反弧段长68 m，宽20 m。

输水设施包括压力涵洞、卧管及闸门。压力涵洞为现浇混凝土圆管，长225 m，内径1.2 m，壁厚0.4 m，设计过水能力4.34 m3/s，卧管为钢筋混凝土斜井式，过水断面1.0×1.4 m2，卧管分级取水，有11个孔闸，每孔高差3 m，闸孔尺寸1.0×1.6 m2，斜拉式铸铁闸门，10 t绞车开启。

2 水库存在的主要问题及除险加固的必要性

2.1 水库存在的主要问题

（1）坝高与心墙高程不足：东坑水库洪水复核按100年一遇，1 000年一遇的洪水校核，洪水复核要求大坝顶高程不低于145.13 m，大坝现有高程为144.85 m，要求大坝心墙顶部高程不得低于144.17 m，地质钻探表明心墙实际高程为144.0 m，说明大坝的坝高与心墙高程均不满足要求。

（2）大坝边坡抗滑稳定安全系数不满足要求：0+ 100断面在稳定渗流的各种工况下及非稳定渗流时库水位骤降132.5 m以下时，上下游坝坡最小抗滑稳定安全系数均不满足要求，右岸0+148断面在稳定渗流的各种工况下及非稳定渗流时库水位骤降132.5 m以下时，上下游坝坡最小抗滑稳定安全系数均不满足要求。

（3）大坝坝基及坝体漏水：大坝外坡右岸山坡与土坝连接100 m高程处，出现一集中渗水，渗水量约为10 L/min，大坝0+148断面，在（127～136）m高程附近有约40 m2的散浸。在左坝段下游堆石体附近可听到从堆石体中发出的流水声。

（4）输水涵洞漏水：大坝输水涵洞有七条横向环形裂缝，1984年冬采用环氧树脂水下固化剂修补，效果不很明显，至今渗漏十分严重，出口漏水量为40 L/s。当上游库水位较高时，从涵洞中可见到有射流从裂缝中流出，水流中带有少量泥沙。继续发展会在涵洞外壁与坝体间形成渗漏通道。

（5）输水设备：大坝斜卧管11孔止水橡皮，由于运行时间长，长期淹在水下，至今全部老化，止水失效。10 t手动式卷扬机，由于传动转轮的制动齿轮磨损，间隙过大，启闭时难以控制。

（6）坝外坡堆石体变形：大坝外坡正面115 m高程以下，块石干砌体，由于运行时间过长，受力不同，沉陷不一，坡面出现多处严重变形，变形面积达600 m2左右，严重威胁大坝的安全运行，应及早整修。

（7）灌溉闸阀漏水：大坝灌溉闸阀，因使用时间长，启闭次数多，阀门磨损过大，漏水相当严重，浪费水量，影响灌溉与发电效益发挥。

（8）溢洪道破损：大坝内边坡与溢洪道进口交接处急需现浇底板混凝土。此项工程属大坝遗留的待建工程，因水库以前一直控制蓄水，溢洪道没有发生溢流。对溢洪的设施完善无关紧要。近几年来，随着管理体制的变更，水库效益的正常发挥，从1997年开始，水库已经正常运行，汛期溢洪道溢流常有发生，在水库水位高达140 m时，溢洪道陡坡段有渗流溢出，它将严重影响溢洪道陡坡段的稳定；泄洪槽中段，原底板为浆砌石底板，面层为混凝土，近几年来由于溢流冲刷，面层混凝土基本冲坏；溢洪道进口段底板及两边导墙的护面混凝土破损严重，部分导墙浆砌石已坍塌；一、二级消力池损毁严重，消力池底板几乎完全被冲刷破坏，一级消力池后的转弯段泄槽边墙高度不够，通过校核洪水时，局部有洪水漫堤现象。

（9）水库大坝上游护坡块石风化严重；水库未建立安全监测设施，无法对大坝进行正常的安全监测；防汛公路建于左岸河岸上，溢洪道溢洪时，防汛公路部分地段被洪水淹没，抗洪抢险物资无法运达现场，而且其它公路段也破损严重。

2.2 水库除险加固的必要性

经过上述对东坑水库主要病险问题的分析论证，《茶陵县东坑水坝安全分析研究报告》和水利厅于2003年4月对东坑水库大坝安全鉴定结论，茶陵县东坑水库大坝安全类型应属于三类，为病险水库大坝。因此对东坑水库进行除险加固是十分迫切的，也是十分必要的。

3 除险加固工程设计

根据工程建筑物病险情况及工程位置和下游防洪保护区内对象的重要性，结合工程的具体情况，在除险加固设计中对各种方案进行了比选，经综合经济技术分析比较，推荐除险加固方案为：坝体混凝土垂直防渗墙、坝基帷幕灌浆、上游坝坡放缓培厚、下游坝坡削坡、溢洪道部分段加固和拆除重建、新建输水涵管等。

（1）坝基坝体防渗设计。方案设计采用在坝顶（高程144.85 m）处，对坝体采用混凝土垂直防渗墙防渗，混凝土垂直防渗墙是利用专用的造槽机械设备营造槽孔，并在槽孔内注满泥浆，以防孔壁坍塌，最后用导管在注满泥浆的槽孔中浇注混凝土并置换泥浆，筑成墙体；坝基采用帷幕灌浆；上游坝坡（高程127.00 m）至坝顶进行混凝土预制块护坡；下游坝坡削坡。

根据安全评价结论，大坝0+100断面、右岸0+ 148断面的上下游坝坡稳定均不能满足规范要求，本次设计需对其进行加固处理。设计对大坝0+100断面和0+148断面上游坝坡放缓培厚，上游一级坝坡放缓至1∶2.8，二级坝坡放缓至1∶3.0，上游坝坡培厚土体采用土质较好的土体，干密度不小于1.6 g/cm3，压实度应为96%～98%，塑性指数7～17；将下游坝坡三级坝坡削坡至1∶2.8。根据对加固后大坝稳定的复核，大坝0+100断面和0+148断面加固后最小抗滑稳定安全系数均达到规范要求。

本水库上游坝坡有5 600 m2没有设置护坡，在127 m高程以下采用堆石压脚。经30多年运行，饱经波浪淘刷，水流冲刷，漂浮物的冲击等，目前，大坝护坡都已风化破裂为碎块。因此，对坝体护坡进行重新护衬是必要的。本次设计采用预制混凝土块护坡。护坡范围，上至坝顶，下至水库127 m高程处。大坝下游，杂草丛生，暴雨冲刷，高低不平，设计要求对大坝下游坡进行整修处理，设置纵横排水沟。

（2）溢洪道的改造设计。东坑水库的除险加固初步设计已正式通过设计审批，在初步设计的基础上，本着最大限度节省工程投资的目的，本阶段进行了较为详尽的优化设计工作。改造方案如下：

维持原溢洪道的平面与纵向布置，控制段（YD0+000.0～YD0+006.0）宽60 m，一级泄槽（YD0+ 006.0～YD0+079.0）坡降i=0.02，净宽60.0 m；一级泄槽（YD0+079.0～YD0+124.1）为收缩段，坡降i=0.48，槽宽由60.0 m缩窄到20.0 m；一级消力池（YD0+ 124.1～YD0+139.1）长15 m，宽20 m，深1.5 m：三级泄槽（YD0+139.1～YD0+358.0）位于一级消力池下游，坡降i=0.032，宽20 m，其中YD0+143.3～YD0+ 240.6为弯道段，弯道段半径R=70.0 m，中心角为77°；四级泄槽（YD0+358.0～YD0+471.2）坡降i=0.192 9，净宽20 m；二级消力池（YD0+471.2～YD0+484.2）长13 m，宽20 m，深1.2 m。

维持原溢洪道的平面与纵向布置，结合平顺处理，对溢流堰底板凿除底板厚30 cm，重做底板排水系统并在原底板上浇筑30 cm厚的C20混凝土底板，重建C20混凝土侧墙；重做一、二级泄槽底板排水系统并在原底板上浇筑30 cm厚的C20混凝土底板，重建C20混凝土侧墙；重做三、四级泄槽底板排水系统并在原底板上浇筑30 cm厚的C20混凝土底板，侧墙临水面浇筑20 cm厚C20混凝土；将一级消力池挖深重建，重新浇筑60 cm厚C20混凝土底板和C20混凝土侧墙，重建排水系统，将二级消力池挖深重建，重新浇筑60 cm厚C20混凝土底板，侧墙临水面浇筑20 cm厚C20混凝土。该方案的优点是：①溢洪道基本保留了原溢洪道的合理体型，水流平顺，下泄水流流态好，消力池满足消能防冲的要求，且重建工程量小；②开挖方量与混凝土浇筑方量小，节省投资；③充分利用了溢洪道原有工程量，浇筑混凝土使底板的厚度增加，侧墙的断面加大，有利于溢洪道底板的抗浮稳定性与侧墙的抗滑稳定性；④施工简单，有利于缩短施工工期。

（3）输水涵管的加固设计。目前对输水涵洞的处理，一般采用回填灌浆和固结灌浆相结合的办法，但是本工程由于涵洞的内径只有1.2 m，人工洞内作业困难，施工机械无法进场，不能达到预期的效果。为此，本设计推荐新开一输水涵洞。

输水涵洞布置在坝体的左岸，为了不影响坝体的安全，隧洞不经过坝体，而是在左岸的山体下新建。总长度为282 m，坡度为0.024 8。隧洞进口段采用两个方案进行比较，一是在隧洞进口采用塔式进水口，二是在隧洞中段设检修井（洞式进水口）。在隧洞中部设检修井能减少工作桥的工程量，施工较方便，因此设计推荐在隧洞中部设检修井的方案。隧洞洞身段断面设计成图形，半径为80 cm，衬砌厚为30 cm（竖井后渐变段衬砌厚度为40 cm）；检修井的成型半径为1.8 m，采用C25钢筋混凝土衬砌，衬砌厚为40 cm，竖井设拦污栅和工作门槽，兼设进人通气孔，以保证洞内的流态稳定，通气孔为直径70 cm的圆形断面。

4 大坝新险情及设计方案调整

东坑水库除险加固工程于2008年11月18日批准实施，在即将施工前，水库又出现了坝体裂缝等新的工程隐患，为了确保东坑水库大坝的安全，对上游坝坡及坝体防渗加固方案进行适当调整，方案要点如下：

先将坝顶高程从144.85 m降至高程136.00 m（即一级平台），原上游一级坝坡的干砌块石拆除后，回填在原二级坝坡，坝体仍采用混凝土垂直防渗墙防渗，混凝土垂直防渗墙轴线移至坝轴线上游2 m处。施工次序：先处理上游二级坝坡，然后再做混凝土垂直防渗墙，最后将坝顶高程复原（坝顶高程至145.13 m，取消防浪墙设计，坝顶宽为8 m），复原的坝体部分做成粘土心墙堆石坝，采用粘土心墙防渗。心墙上游坝体全部采用堆石，堆石与心墙之间设置反滤层，采用干砌块石护坡，厚50 cm。心墙下游坝体左坝段原坝体为堆石体的仍采用堆石，堆石与心墙之间设置反滤层，采用干砌块石护坡，厚40 cm；心墙下游坝体右坝段原坝体为土料的采用开挖的原坝体土料进行填筑，左右坝体堆石体与土体之间设置反滤层。对于左坝肩泉水的处理，建议在施工中进一步查明泉水的流量、来源、汇集点等，然后在坝肩渗水部位附近人工开挖集水井（集水井深度、井内径视施工现场情况而定），并且在下游侧设置排水沟将汇集在集水井中的泉水排至下游河道。同时，为确保泉水不向坝体、坝坡方向渗出，在左坝肩附近增加几排垂直坝轴线方向的帷幕灌浆（帷幕灌浆参数根据施工先导孔情况定）。

5 结语

方案实施后，经多年运行，东坑水库未出现任何渗漏、裂缝、蓄水异常等情况发生，可见除险加固方案是可行、有效的。设计中应在深入分析、研究病险水库存在问题的基础上提出有针对性的加固方案，才能更好地实现除险加固的目的。也为今后类似工程的除险加固提供了宝贵的经验。

[1]吴海涛.浅谈小型水库土石坎的除险加固[J].经济技术协作信息,2011，（6）：127.

[2]黄志良.病险水库的除险加固设计[J].现代农业科技, 2012，（5）：283.

[3]陈勇.里禾水库大坝除险加固设计[J].贵州水力发电2011，25（4）：22-25.

[4]张晓，时铁城，阮建飞.崂山水库除险加固工程设计[J].中国水利，2011，（5）：8-11.

[5]叶成林.高埔水库大坝除险加固设计[J].广东水利水电，2006，（04）：51-52.

图2 柘溪水库“20160704”最大入库洪水过程

水库下泄的保守调度方式是切实可行的。

4 结语

近年来，柘溪水库本着以水库自身及上下游安全为前提，结合气象和水文预报成果，成功实现了汛限水位动态控制。但是当遭遇下游柘桃区间洪水时，水库需要充分利用调洪库容,拦蓄洪水资源,有效减轻下游防洪压力，需要摸索出一套更为科学的优化调度模式。本次洪水正是柘溪库区降雨与下游同步，最大入库20 400 m3/s（重现期超过200年一遇），因水库适时拦蓄洪水，避免与下游洪水洪峰遭遇，相应出库流量5 000 m3/s，削减洪峰流量15 400 m3/s，削峰率75%。据估算，若无柘溪水库拦蓄洪水，资水下游水位至少增加3 m以上，将全线漫堤，益阳市区、桃江县城将遭受灭顶之灾。因水库合理调蓄，最大限度地减轻了下游防洪压力，成功的经验需继续发扬，也值得其它水库借鉴。另外，希望通过对本次暴雨洪水及水库调度的分析，提高对发生特大暴雨洪水的警惕性和预见性，在发生突发性、短历时的超强度暴雨时，做到未雨绸缪、有备无患，争取防洪调度工作的主动性。加强水文监测、预测预报工作，深入研究洪水规律和形成机制，对有效地预防洪水灾害，充分利用水资源，具有十分重要的意义。

（收稿日期：2016-09-26）

2016-10-09）

何香建（1983－），男，湖南安仁人，大学本科，工程师，主要从事水工结构、工程造价及施工管理工作，手机：13974869315。