水磨沟水库除险加固设计方案及施工技术分析

董欢

（新疆阜康市水利局，新疆阜康831500）

水磨沟水库除险加固设计方案及施工技术分析

董欢

（新疆阜康市水利局，新疆阜康831500）

水库除险加固是改善水库运行状态，提升水库运行质量的重要举措。文章以新疆阜康水磨沟水库除险加固为实例，在分析水库运行现状不足的基础上，从水库坝体加固与放水涵洞新建两方面开展设计分析与施工方案制定。最终结果表明，此次除险加固有效改善水库运行状态，同时也实现了对下游灌区灌溉环境的改良，提升了灌区经济效益。

除险加固；施工设计；施工技术；水磨沟水库

0引言

水磨沟水库位于阜康市水磨沟乡西北约5 km，属天山山脉，北缘冲洪积平原区，库区及库区外围地形平坦开阔，地形南高北低，库区地层主要由第四纪全新统冲洪积低液限粘土（Q4al+pl）构成。该水库是一座以灌溉为主的平原注入式水库，由大坝、放水涵洞、防洪堤等组成、大坝全长1 678.3 m，最大坝高5.5 m，坝顶宽5.9～3.6 m；放水涵洞位于0+000处，为坝下整体式钢筋混凝土箱涵结构。总长36.6 m，涵洞断面为1.3 m×1.3 m。

1 水库运行现状分析

1）水库坝体普遍存在裂缝，部分地段坝体变形严重，坝体表层土体呈松散扰动状态，局部有塌陷凹坑及细流冲沟，下游坝坡存在较多鼠洞，经检测坝体土压实度不符合要求。

2）水库淤积严重，造成水库有效库容明显减小，放水涵洞淤埋，水库无法正常运行，通过勘察确定库盘淤积厚度为0.7~2.3 m，旧放水涵洞需拆除重建。

3）水库所属地区属寒冷区，最大冻深1.4 m，库盘出露地层岩性主要为低液限粘土，属季节性冻土。进行除险加固设计时，应对相应的工程部分采取抗冻胀措施。

2 水库除险加固设计

2.1 坝体除险加固设计

原坝体填筑质量较差，此次除险加固，经复核，坝顶高程为505.65 m，坝体需培厚加高。按照上游防渗、下游疏导的原则，采用斜墙坝设计理念，坝体培厚区尽量位于上游坝坡，采用库盘内的防渗效果较好的低液限粘土土料培厚填筑。

除险加固后，坝轴线长2 050 m，设计坝顶高程505.65 m，坝顶宽4 m，上游坝坡1.0∶2.5，下游坝坡1∶2。X0+600～D1+000段坝体前坝坡采用15 cm厚现浇混凝土板护坡，板下设砂砾石料防冻垫层，厚1 m，以保护低液限粘土防渗体。坝后坡脚设贴坡排水体。X0+600～X0+800以及D1+000～D1+300段坝体前坝坡采用土缓坡形式，坡度1∶12。坝顶路面采用碎石路面。

2.2 新建放水涵洞设计

新建放水涵洞位于需拆除的老涵洞处，即坝轴线0+000处。涵洞主要用于下游灌区灌溉用水的供给，无冲砂排洪任务。最大泄流量10.1 m3/s，设计流量0.50 m3/s。放水涵洞为钢筋混凝土结构，闸井上游为有压段，矩形断面，净宽1.2 m，净高1.8 m，闸井室后为无压段，为城门洞型，净宽1.2 m、净高1.8 m，纵坡i＝0.02；放水涵洞后接消力池，消力池为矩形断面，钢筋混凝土结构，池宽5 m、长15 m，边墙采用整体式悬臂挡土墙，墙高4 m，顶宽0.3 m，底宽0.6 m，底板厚0.5 m，斜坡扩散段长20 m。闸井室设工作闸门及检修（事故）闸门各1扇，闸孔宽1.2 m，高1.8 m。启闭机室位于坝顶上游面闸井上方，为砖混结构。

放水涵洞地基为低液限粉土，承载力较低，需进行换基处理。涵洞基础均采用水泥土换基，置换深度1.5 m。

3 水库除险加固方案分析

3.1 坝体稳定分析

依据水库坝体岩土力学特征，自坝体选取2个典型横断面进行计算分析，一个为主坝段X0+ 100～D0+400段老坝体培厚加高段，该段坝体典型断面为D0+100处，一个为副坝段坝体典型断面为X0+600处。计算方法按照瑞典圆弧法，采用北京理正软件设计研究所的边坡稳定设计软件进行计算，计算所用数据见表1，计算后成果统计见表2。

表1 水库除险加固后坝体抗滑稳定计算采用数据

表2 坝体抗滑稳定计算成果表

对比分析上述计算结果可知：大坝前坝坡及后坝坡的抗滑稳定安全系数均满足规范要求，此次加固设计方案可行。

3.2 放水涵洞流量合理性分析

根据灌区设计水平年的作物种植比例、灌溉制度进行设计灌水率计算，并绘制图1所示灌水率图，并结合式（1）计算年设计灌水率。

式中：qik——第i种作物第k次灌水的灌水率，m3/（s·hm2）；mik——第i种作物第k次灌水的灌水定额，m3/hm2；αi——作物种植比例，%；Tik——第i种作物第k次灌水的灌水延续时间，d。

经计算灌区年设计灌水率为3.9 m3/（s·hm2）。结合水磨沟水库服务灌溉面积为0.047万hm2，灌溉水利用系数为0.48，则由式（2）可计算求得下游干渠设计流量：

式中：Qs——干渠设计流量，m3/s；As——控制灌溉面积，万hm2；ηs——灌溉水利用系数；qs——设计灌水率，m3/（s·hm2）。

经计算下游干渠设计流量0.38 m3/s，依据《灌溉与排水工程设计规范》相关规定，干渠实际设计流量应为计算流量的1.30～1.35，即0.49～0.51 m3/s。新建放水涵洞设计最小流量为0.50 m3/s，符合计算结果，可满足实际使用需要。

图1 设计水平年灌水率图

4 除险加固施工

4.1 坝体施工

水库前坝坡施工流程：前坝面清废→坝体填筑→阻滑墙→防冻垫层混凝土面板→坝顶碎石路面→路肩石；后坝坡施工流程：后坝面清废→坝体填筑→坝后坡脚排水体→排水沟。

施工时清除坝面50 cm浮土，并使用凸块震动碾依照进退法对坝面进行碾压，确保坝面以下0.5 m内土料压实度不小于0.97；坝体填筑采用汽车后退法直接卸料，人工沿水平面分层整平并修整夯实坝面的方法进行；阻滑墙为现浇混凝土结构，采用跳仓法施工，浇筑前先于墙体基础下垫50 cm厚砂砾石料，浇筑时采用插入式震动棒震捣，浇筑完后应进行及时养护；坝面混凝土板采用跳仓法，混凝土塌落度不宜过大，以防止未凝结的混凝土在斜面上滑动。混凝土采用0.4~0.8 m3混凝土拌和机拌制，平仓后采用2.5 kW的平板震动器震捣，混凝土终凝后应及时进行洒水养护；坝体施工完成后，采用粒径小于20 mm的天然级配混合料砂砾料铺设坝顶碎石路面，后退法卸料，人工分层整平，振动碾碾压；路肩石采用预制混凝土块。坝顶碎石路面铺设完成后人工挖槽，基础夯实整平后人工砌制，沉降缝采用100号水泥砂浆勾缝。

后坝施工参照前坝施工进行，排水沟断面均为土渠梯形断面，采取人工开挖方式。在开挖土方前，首先清除渠道范围内（包括渠堤部分）表层30 cm的浮土和杂草及植物根系，然后按设计断面进行开挖。

4.2 放水涵洞施工

水库放水涵洞施工流程：老涵洞拆除→基础开挖→基础处理→混凝土浇筑→金属结构安装。

老放水涵洞使用1.4 m3挖掘机拆除，局部机械无法拆除部分，采用人工拆除；依照设计尺寸利用挖掘机进行放水涵洞基础开挖，基底不得有淤泥、流沙等透镜体。基础开挖完后，应由地质勘察人员验槽合格后方准进行下一工序；采用水泥土对涵洞基础进行换填。水泥土应按照设计比例采用搅拌机配置，分层填筑，每层布设厚度不超过40 cm，振动碾碾压；涵洞施工放线后，支模绑扎钢筋进行混凝土浇筑，浇筑时人工平仓，插入式震动棒震捣；金属结构主要包括放水涵洞检修（事故）闸门与工作闸门。安装时闸门应保持垂直，中心轴线与启闭机中心轴线一致，二期混凝土浇筑后，达到设计强度以后方准启闭闸门。

5 结语

水磨沟水库除险加固施工工期共计12个月，施工作业有效依照工程设计开展，全过程无事故，施工达成后经检验，各项指标均符合水利工程施工规范。后续运行中水库各设施运行良好，有利保障下游灌区生产需求的同时对灌区灌溉环境实现了良性改善，提升了灌区经济效益。

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