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浅谈红沙河水库除险加固措施

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《海河水利》2017年第1期

[摘要]就夏县红沙河水库除险加固措施展开论述,介绍了红沙河水库的工程概况、水文气象以及工程地质情况,对红沙河水库存在的问题加以论述,并针对性的提出红沙河水库的除险加固措施。

[关键词]红沙河水库;存在问题;除险加固措施;夏县

1工程概况

红沙河水库位于中条山麓的瑶台以北,涑水河流域青龙河支流的红沙河上,地处夏县瑶峰镇吴家峪,是一座以防洪、灌溉为主的小(一)型水库。原设计防洪标准为50年一遇设计,300年一遇校核。总库容135.6万m3,控制流域面积9.5km2。水库枢纽工程由大坝、卧管及输水涵洞、溢洪道三部分组成。大坝为多种土质混合坝,最大坝高26.5m,坝顶高程522.1m,坝顶长179m,坝顶宽4m,大坝上游坡比1∶2,1∶2.75,1∶3,下游坡比1∶2,1∶2.5,1∶2.75,上游为干砌石护坡。输水涵洞位于大坝右侧,洞身为砌石半圆拱断面,宽1.6m,高1.8m,坡比1∶100。进口高程502.4m,出口高程501.5m,洞长85m,原采用斜拉式闸门防水,后改为卧管防水。溢洪道位于水库左岸的小沟内,进口采用开敞式宽顶堰,进口底高程517.3m,断面净宽5.0m,进口段长48m,纵坡1/100,设有一级跌水,跌差5.5m,出口消能方式为挑流消能。水库始建于1971年12月,于1975年8月竣工蓄水。大坝为多种土质混合坝,施工方法为水中倒土加轻碾,上游坝体为壤土,下游坝体为砂砾料加风化料。1979年在原坝顶上加设了一道长200m的防浪墙,净高1.0m,坝高25.5m,并对溢洪道进行了扩建。20世纪90年代后期,库区淤积严重,闸门和启闭机无法运行,在闸室旁边新建了13孔卧管,为砖石结构。

2水文气象

红沙河水库控制流域属大陆性季风气候,春季干旱多风,夏季暴雨时有发生,秋季阴雨连绵,冬季少雪干冷。根据夏县气象站统计资料,多年平均降雨量为637mm,最大日降雨量105.9mm。多年平均蒸发量1807mm,多年平均气温12.9℃,无霜期200d,多年平均风速1.8m/s,风向多为东南风。汛期6—9月份降雨量占全年降雨量的63.3%,主汛期7月15日—8月15日雨量较为集中。

3工程地质

3.1库区工程地质条件

红沙河水库位于涑水河流域青龙河支流的红沙河上,所处地貌属于中条山西自然单元,黄土丘陵地形,沟壁陡立,其深度为100~200m,宽度不等,多呈箱形,地形支离破碎。坝址区出露的地层主要是中更新统洪积物、全新统残坡积物、全新统冲积物、全新统人工堆积物、全新统冲积物。地下水含水层由全新统冲洪积的含细粒土砂和级配不良砾组成,埋深8~33m。含水层颗粒直径及厚度由上至下变细变薄,地下水的主要来源靠洪积扇中部的孔隙水和大气降水补给,通过蒸发及向河道下游径流排泄。工程区地表水较贫乏,一般沟谷干枯,汛期雨后后沟谷中有较多地表水。工程区位于山西地震亚区怀来-西安地震带,东南与许昌-淮南地震带相接,东北与邢台-河间地震带相接。许昌—淮南地震带是一个地震带活动强度较弱,频率较低的弱震带。邢台-河间地震带,虽属一个强震带,且曾发生强烈地震,但该带距坝址较远,影响甚微。对红沙河水库区域稳定性影响较大的中强地震主要来自怀来-西安地震带。根据《中国地震动峰值加速度区划图》《中国地震动反应谱特征周期区划图》,坝址区的设计地震动峰值加速度为0.15g,本区地震动反应谱特征周期为0.4s。根据《地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表》,本区地震基本烈度为Ⅶ度。

3.2坝址工程地质条件

坝体土种类不一,主要由低液限粉土。粉土质砂及含砂低液限粉土组成,含有较多钙质结核和砾石,均匀性差,稍密—中密,中—高压缩性。坝基土为第四系全新统冲洪积物,以级配不良砾为主,夹有薄层含砂低液限粉土及含细粒土砂,渗透系数较大,会造成坝基渗漏。

4水库存在问题

红沙河水库由于渗漏严重,大坝坝体质量较差,淤积严重,近几年一直空库运行。根据2007年水库大坝安全鉴定,工程存在问题较多,危及大坝安全。主要表现在:第一,防洪标准达不到规范复核要求;第二,大坝抗滑稳定不满足规范要求;第三,大坝渗透不稳定,坝坡上有裂缝及陷坑,影响其结构安全;第四,输水涵洞存在较多裂缝,进口已被淤埋,闸门及启闭机锈蚀老化,已无法运行;第五,溢洪道出口侧墙部分损毁;第六,水库缺乏必要的工程及水文监测设施。

5水库除险加固措施

5.1大坝主体工程加固措施

5.1.1坝体加高水库原设计

坝顶高程522.1m,最大坝高26.5m;实际坝高25.5m,坝顶高程521.1m,1979年在原坝顶上加设了一道长200m的防浪墙,净高1m。现状坝顶最低处仅520.6m,防浪墙高521.9m。30年一遇设计洪水位519.94m,300年一遇校核洪水位521.43m,坝顶设计高程为522.08m。根据《碾压式土石坝设计规范》要求,坝顶应高于校核洪水位,建议对坝体加高,加高后坝顶高程为522.0m。

5.1.2坝体防渗处理

红沙河水库运行几十年,上游淤积已形成铺盖,但由于大坝施工质量差,坝体土种类不一,土质较杂,含较多砾石及钙核,压实质量较差,以及多年干库运行,坝体处存在陷坑及裂缝,为提高坝体的抗渗能力,有效降低渗透压力,建议在坝体上游铺设复合土工膜进行防渗处理。

5.1.3坝体培厚加固

水库经多年运行,上游坝坡不规则,建议对上游坝体进行坝面整修,坡比为1∶2.5。根据结构稳定复核,坝体下游坝坡存在着抗滑稳定安全问题,应对下游坝坡进行培厚处理,坝坡坡比由原来的1∶2变为1∶2.5,以保证坝坡抗滑稳定。培厚土料选和原坝体上游填筑材料相同的粉质黏土。按照土坝施工规范,坝体培厚填筑压实度不小于0.95。坝体培厚按照设计坝坡线分层回填夯实,可将松动土体移作下部回填土方,回填时由下至上分层回填夯实。施工时要求彻底清除树根杂草,坡面修整平顺、密实,然后沿坝坡每隔5~10m挖防滑沟一道,沟深0.5m,沟底宽0.5m。回填时,应将开挖坑槽时的阶梯逐层削成斜坡,做好新老土的结合。

5.1.4裂缝处理

坝体土主要由粉土质砂及低液限粉土组成,含有较多钙质结核和砾石,加上水库多年干库运行,土质疏松,在坝体上存在较多裂缝。由于在坝体上游采用了有效的防渗措施,坝体不会再有严重渗漏问题,裂缝处理主要是解决雨水的渗入造成坝体的不稳定问题,对裂缝采用开挖回填的处理方法。处理范围为表层以下2~4m,槽底宽度为0.5m,开挖长度比缝端长2m。

5.1.5下游坡面排水沟及排水棱体

下游坝坡经培厚加固后,在坝坡上设置纵横向排水沟,沿马道内侧设纵向排水沟,沿下游坝肩每侧设横向排水沟,排水沟采用C15砼结构,断面形式60cm×30cm。下游坝脚设排水棱体,棱体顶高程496.6m,顶宽2.0m,高3.0m,分三层,依次为砂层、碎石层、块石层,下游坡比为1∶1.5。

5.1.6坝顶工程

坝顶修筑泥结石路面,满足施工和运行检修时设备通行要求。路面高程521.5m,路面宽5.0m,路面横坡比为1.5%,向上游倾斜。

5.2溢洪道修复加固

溢洪道位于大坝左岸的小沟内,进口采用开敞式宽顶堰,进口底高程517.3m,断面净宽5.0m,侧墙高2.8m,进口明渠长48m,纵坡1/100,设有一级跌水,跌差5.5m,消能方式为挑流消能。现状溢洪道跌水左侧部分损毁。由于校核洪水位521.43m,泄量73.34m3/s,堰顶水深4.13m,超过现状溢洪道进口段侧墙,根据《溢洪道设计规范》,溢洪道超高值为0.5~1.5m,结合溢洪道地形,对溢洪道侧墙进行加高,进口段加高2.0m,陡槽段加高0.5m,结构采用M7.5水泥砂浆砌块石。对跌水左侧坍塌护坡进行原断面恢复,溢洪道侧墙裂缝及局部损坏部位凿除后刷浆按原样砌筑。现状溢洪道底板损毁严重,建议重新衬砌,底板全段C20混凝土现浇,泄槽底部伸缩缝采用齿墙连接。现状挑流消能基础为浆砌石,面层混凝土剥蚀严重,挑坎后左侧墙无护砌,对混凝土面层拆除重建,坎后左侧墙采用浆砌石贴坡护砌,下游设浆砌石护坦防冲。浆砌石采用坐浆砌筑的方法,要求块石粒径不小于30cm,块石表面干净无杂物。对于土质地基,砌筑前应先将地基夯实,并在地基面上铺一层3~5cm厚的稠砂浆,然后安放石块;砌筑时应保证坐浆饱满,填捣密实,表面平整。

5.3输水涵洞除险加固

原放水设施为斜拉启闭闸门,启闭机房设备建立在大坝回填土上,闸门丢失、进口堵死,已无法运行。现状放水设施为卧管放水,卧管及消力池多处破损。输水涵洞内发现有多条横向裂缝,缝宽1cm左右,涵洞出口明渠段有60m长已损毁,需要恢复。建议对原闸房进行拆除,并对卧管、消力池及输水涵洞裂缝进行维修。卧管及消力池维修主要采用C20混凝土进行砌体恢复,输水涵洞裂缝处理采用凿缝、填塞止水材料,然后砂浆填缝。涵洞出口明渠段按原矩形断面恢复,断面宽1.8m,高1.2m,采用M7.5水泥砂浆砌石结构。

5.4观测设施

水库建成后,由于大坝的拦蓄作用,改变了河流的水文条件,为更好地控制运用水库,进行科学管理,发挥最大的综合利用效益,及时发现险情,减少或避免工程事故,应设置观测设施。根据相关规范要求,小型土石坝的观测一般以肉眼巡检和外部观测为主,故应设置以下观测项目:

5.4.1表面沉降及位移

表面竖向位移和水平位移观测,共用一个测点,观测断面选择地质、地形、坝体填筑质量变化及运行管理中发现有异常反应处,拟将位移测点布置在沿大坝轴线桩号0+040,0+090,0+140处迎水坡、坝顶、背水坡计3排,共9个测点。起测基点和校核基点均布置在坝右端,在坝顶测点延长线上150m处,布置起测基点和校核基点各1处,共计2处。工作测点和校核基点均采用墩式混凝土结构,上部结构为顶宽0.2m,底宽0.4m,高0.7m的方形立柱,下部结构为边长0.6m、高0.3m的方形墩台。立柱顶端设强制对中底盘,提高观测精度。

5.4.2上、下游水位观测

在大坝的上、下游埋设水位标尺,进行水库上、下游水位观测。

5.5防汛抢险

道路原有防汛抢险道路为土路,坑洼不平,断面不能满足要求,局部路段由于通行不便,需要改线,改线段长150m,占地0.096hm2。建议防汛道路按四级公路标准设计,路基宽5.0m,路面宽4.0m,为泥结石路面,在对原道路修整后,铺筑20cm泥结石路面,总长800m。

6结语

红沙河水库保护范围包括夏县县城及周边5个村庄、3.8万口人、666.7hm2农田及25个企业、通讯电力设施等,区域内人口稠密、农业发达、工业兴旺,是夏县社会经济发展比较活跃的地区。水库除险加固完成后,不但可以充分发挥水库的综合效益,而且进一步增强了该区域抵御自然灾害的能力,为夏县的经济发展提供重要的安全保障。

作者:岳鹏飞;卫丽霞 单位:夏县水利局

海河水利杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次