(五家渠農(nóng)六師勘測設(shè)計研究有限責任公司，新疆 五家渠 831300)

1 工程概況

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第六師共青團農(nóng)場富強分場(簡稱富強分場)，地處天山北麓的準噶爾盆地南緣。三屯河尾部的洪積-沖積平原下游位于昌吉市境內(nèi)，距五家渠市54km，距昌吉市58km，距呼圖壁縣城30km。富強水庫位于富強分場一連至二連西側(cè)，屬于河水注入式平原灌溉水庫，為Ⅳ等小(1)型水庫。工程始建于1959年，2007年對富強水庫進行了大壩安全鑒定，結(jié)論為三類壩，屬病險水庫，必須除險加固。2009年對富強水庫進行除險加固，至今未進行任何修復。水庫總庫容100萬m3，興利庫容97.2萬m3，死庫容2.8萬m3，設(shè)計蓄水位481.56m，最大放水流量1.5m3/s，有效灌溉面積2萬畝，可調(diào)節(jié)補充富強分場二、三、四連的灌水需求。本文針對富強水庫的病險情況，結(jié)合該水庫大壩的安全鑒定結(jié)果，對水庫除險加固措施進行分析，以期消除水庫大壩安全隱患，使水庫的運行管理更加便捷、合理。

2 水庫病險狀況及安全鑒定

2.1 水庫現(xiàn)狀存在問題

通過野外現(xiàn)場踏勘和地質(zhì)勘探實驗，對水庫主要建筑物進行了外觀檢測和質(zhì)量調(diào)查，并收集了水庫設(shè)計、施工和運行管理等方面的資料。經(jīng)分析研究，水庫主要存在以下主要問題：?大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，現(xiàn)狀壩頂翻漿嚴重且大壩下游側(cè)壩頂常見雨水沖溝；?下游-1+500～0+988.37壩段混凝土護坡翹起2～8cm不等，破損較為嚴重；?放水閘為開敞式現(xiàn)澆鋼筋混凝土水閘，設(shè)備運行良好，止水不漏，金屬結(jié)構(gòu)堅固完好，啟閉機、機電設(shè)備運行良好，但缺少變壓器，現(xiàn)狀電力線等級低；?放水渠起點為0+958.37放水閘消力池出口，終點與105團引水干渠倒虹吸進口相接，放水渠混凝土襯砌存在細小裂縫。

2.2 水庫病情分析及評價

2.2.1 工程質(zhì)量分析及評價

通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，壩基壓實度、壩基防滲處理滿足規(guī)范要求，依據(jù)《水庫大壩安全評價導則》(SL 258—2000)的評價標準，鑒定富強水庫的壩基處理質(zhì)量為合格；壩體填筑所用土料滿足規(guī)范要求，壩體3.5m深度范圍內(nèi)壓實度均大于96%，滿足《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274—2001)的要求，壩體填筑質(zhì)量為合格；放水閘地基處理質(zhì)量為合格，放水閘質(zhì)量為合格，放水閘金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量合格。根據(jù)以上結(jié)論，對照《水庫大壩安全評價導則》(SL 258—2000)的評價標準，綜合確定水庫大壩工程質(zhì)量綜合評價為合格。

2.2.2 大壩運行管理分析及評價

根據(jù)水庫調(diào)查資料，水庫運行中有較好的規(guī)章制度和工作計劃，能夠合理地運用現(xiàn)有的制度和已制定的工作計劃；水庫大壩無安全監(jiān)測設(shè)施，富強水庫大壩為4級建筑物，缺少應(yīng)對壩面垂直位移和水平位移及壩體浸潤線等項目進行監(jiān)測所需的必要設(shè)施；富強水庫無水尺，無管理站房，給水庫的運行管理帶來了極大的不便。根據(jù)以上結(jié)論，對照《水庫大壩安全評價導則》(SL 258—2000)的評價標準，綜合確定大壩運行管理評價為差。

2.2.3 大壩結(jié)構(gòu)安全分析及評價

通過對壩頂寬度及高程等進行復核，壩頂寬度、超高滿足規(guī)范要求，現(xiàn)狀壩頂路面翻漿嚴重，并且壩頂外側(cè)常見雨水沖溝；護坡厚度滿足規(guī)范要求，但是現(xiàn)狀護坡結(jié)構(gòu)不安全，局部混凝土護坡存在翹起、破損等現(xiàn)象，其中在水閘兩側(cè)混凝土護坡翹起7～8cm，混凝土板下無一布一膜，可見土體外露，由于位置特殊，大壩存在安全隱患；大壩抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，大壩沒有產(chǎn)生危及安全的變形；放水閘抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)安全分析，對照《水庫大壩安全評價導則》(SL 258—2000)的評價標準，綜合確定水庫大壩的結(jié)構(gòu)存在隱患，安全性評價為C級。

2.2.4 大壩滲流安全性分析及評價

大壩防滲體連續(xù)完整，壩后無明顯滲水點；壩體、壩基實際水力比降小于臨界水力比降，表明壩體、壩基不會產(chǎn)生滲透變形破壞，可判斷大壩滲流性態(tài)是安全的。根據(jù)大壩滲流安全分析，對照《水庫大壩安全評價導則》(SL 258—2000)的評價標準，綜合確定水庫大壩滲流安全性為基本安全，安全性評價為B級。

2.2.5 放水閘金屬結(jié)構(gòu)安全分析及評價

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及啟閉力結(jié)果復核，放水閘金屬結(jié)構(gòu)安全可靠，強度、剛度及穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，啟閉機、電機工況良好，啟閉力滿足要求，但缺少變壓器，配套電力線等級低，根據(jù)《水庫大壩安全評價導則》(SL 258—2000)鑒定水庫大壩金屬結(jié)構(gòu)安全評價為B級。

綜上所述，富強水庫為三類大壩，存在安全隱患，亟須開展除險加固措施。

3 水庫除險加固措施論證

結(jié)合上述水庫危險隱患，經(jīng)過分析，初步擬在以下幾個方面進行處理：?拆除重建局部破損較為嚴重的混凝土護坡；?增設(shè)大壩變形監(jiān)測設(shè)施、滲流監(jiān)測設(shè)施、水尺及管理站房；?壩頂、上壩路重新鋪筑30cm砂礫石路面；?增設(shè)變壓器及改建電力線。針對具體工程措施闡述如下。

3.1 混凝土護坡修復設(shè)計

3.1.1 混凝土護坡破壞原因分析

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，富強水庫混凝土護坡分縫處理質(zhì)量參差不齊，處理質(zhì)量高的混凝土護坡基本沒有外鼓現(xiàn)象，而分縫處理不密實的混凝土護坡壩體含水量高，壩體本身為凍脹性土，在冬季極易發(fā)生凍脹破壞。富強水庫每年4月1日開閘放水，灌溉冬小麥后，11月20日關(guān)閘，雖然富強水庫為引水式水庫，水源有保證，但是實際水庫運行每年都存一定水量以有備無患，壩體冬季土含水量大。所以富強水庫在運用過程中滿足了凍脹發(fā)生的條件。

依據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》(GBT 50662—2011)，設(shè)計凍深及地表凍脹量計算如下：

3.1.1.1 設(shè)計凍深

Zd=φdφωZm

(1)

φd=α+(1-α)φi

(2)

(3)

式中Zd——本工程設(shè)計凍深，m；

φd——反映由日照或遮陰程度產(chǎn)生的影響；

φω——地下水影響的修正系數(shù)；

Zm——實測歷年最大凍深，本文取1.50m；

φi——典型斷面i的日照及遮陰程度修正系數(shù)，本文取1.05；

α、β——計算系數(shù)，本文分別取0.68和0.79；

Zwo——附近氣象站的地下水位深度，m；

Zwi——計算點的地下水位深度，可取計算點地面至凍結(jié)前地下水位埋深，m。

結(jié)合富強水庫實際資料，經(jīng)計算，水庫設(shè)計凍深Zd為0.91m。

3.1.1.2 地表凍脹量

h=0.13Zde-0.02Zw

(4)

式中h——工程地表凍脹量，cm；

Zd——工程設(shè)計凍深，經(jīng)計算富強水庫取0.91cm；

根據(jù)式(4)計算地表凍脹量可知，本工程的地表凍脹量為11.8cm，土的凍脹級別為Ⅲ級。

3.1.1.3 防凍墊層厚度

根據(jù)規(guī)范要求可知，防凍墊層可以起到防止護坡受凍脹力作用破壞的作用。防凍墊層建議采用砂礫石或中粗砂，且級配良好，其厚度由工程規(guī)模等決定。本工程防凍墊層采用級配良好的砂礫石，防凍墊層厚度按下式計算：

Ze=εZd-δ0

(5)

式中Ze——置換深度，cm；

δ0——襯砌板厚度，本工程取15cm；

ε——置換比，本工程取80%；

Zd——本工程設(shè)計凍深，前文計算得出本工程為91cm。

由式(5)計算防凍墊層厚度可得，本工程Ze為57.8cm，由此可知，砂礫石防凍墊層厚度至少應(yīng)為57.8cm。然而，調(diào)查顯示本工程砂礫石墊層僅有35cm，也就是說，不滿足抗凍脹要求。由此判斷，本工程混凝土護坡破壞的主要原因為凍脹破壞，需要針對此點制定修復措施。

3.1.2 混凝土板修復措施

根據(jù)前文混凝土護坡破壞原因分析，凍脹是導致混凝土板破壞的主要原因。根據(jù)工程實際，為盡量不擾動壩體，本次修復設(shè)計以高密度苯板代替砂礫石墊層、重新澆筑混凝土護坡的措施解決混凝土板破壞問題。

3.1.2.1 分縫尺寸的確定

原設(shè)計混凝土板分縫尺寸為3.0m×3.0m，本區(qū)混凝土板分縫尺寸一般不超過3.0m。大量工程經(jīng)驗證明混凝土板分縫尺寸大于3.0m易斷裂，所以原設(shè)計分縫尺寸選用合適，本次修復中混凝土板分縫尺寸依然選用3.0m×3.0m。

3.1.2.2 混凝土板厚度的復核

混凝土護坡厚度可由下式計算：

(6)

式中η——系數(shù)，對于整體式大塊護面板取1.0，對于配裝式護面板取1.1；

hp——累積頻率為1%的波高，本文取0.59m；

b——沿壩坡向板長，本工程取為3.0m；

ρc——板的密度，本文取為2.4t/m3；

ρw——水的密度，本文取為1.0 t/m3；

Lm——平均波長，本文取為7.4m；

m——邊坡系數(shù)，本文取2.5。

根據(jù)式(6)計算可得，本工程混凝土護坡的厚度規(guī)范要求為t=4.3cm，而本工程的混凝土護坡厚度原設(shè)計值為15cm，滿足規(guī)范要求。因此，在加固過程中，保持混凝土板厚度15cm，混凝土強度等級采用C25，抗凍等級采用F200，抗?jié)B等級采用W4。

3.1.2.3 分縫材料的確定

鑒于修復區(qū)域處在水位變化區(qū)，考慮到風浪、冰凍等因素，填縫材料采用質(zhì)量較好的高壓閉孔板，勾縫材料采用聚氨酯砂漿，本次伸縮縫設(shè)計為：分縫采取上部灌2.5cm厚聚氨酯砂漿，下部填12.5cm厚高壓閉孔板。

3.1.2.4 高密度苯板厚度的確定

聚苯乙烯泡沫塑料板保溫的厚度可按下式計算：

(7)

(8)

式中εx——保溫材料的厚度，m；

R0——工程保溫基礎(chǔ)設(shè)計熱阻值，m2·℃/W；

I0——工程計算點的凍結(jié)指數(shù)，℃·d；

αw——保溫材料的導熱系數(shù)修正值，本工程取1.1；

εc——基礎(chǔ)材料厚度，本工程取0.13m；

λx——保溫材料在自然狀態(tài)下的導熱系數(shù)，本工程取0.039W/(m·℃)；

λc——基礎(chǔ)材料的導熱系數(shù)，本工程取1.66W/(m·℃)。

ψd——考慮日照及遮陰程度的工程設(shè)計凍深修正系數(shù)。

由式(7)和式(8)計算可得，本工程修復工程高密度苯板的厚度εx為0.05m。根據(jù)規(guī)范要求可知，當采用高密度苯板等保溫材料對工程進行保溫處理時，可以根據(jù)凍深估算保溫板的厚度，即10～15cm的凍深需要1cm厚的保溫板。由前文分析可知，本工程已有防凍墊層為35cm，根據(jù)規(guī)范推算，已有防凍墊層可減少3cm保溫苯板厚度，即本工程只需加鋪2cm厚的保溫苯板。然而，根據(jù)施工實際要求，高密度苯板厚度不宜小于4cm，因此，本工程高密度苯板厚度確定為4cm。高密度苯板具體技術(shù)要求為：表觀密度不小于60kg/m3，壓縮強度(相對變形百分率)400kPa，導熱系數(shù)不大于0.039W/(m·℃)，尺寸穩(wěn)定性不大于1%，吸水率(體積)不大于2%。

3.2 配套完善大壩管理設(shè)施

3.2.1 配套大壩觀測設(shè)施

現(xiàn)狀大壩無觀測設(shè)施，本工程擬設(shè)置行之有效的觀測設(shè)施，如滲漏量觀測及水位觀測設(shè)施。本工程除險加固的觀測項目主要為壩基滲透壓力觀測以及水庫區(qū)氣象、冰情、水位等觀測和水庫大壩上、下游巡視觀測等。變形監(jiān)測主要在壩兩端和壩體的0+400、0+850處埋設(shè)標石，設(shè)置中心，通過全站儀測量壩體位移量。滲流監(jiān)測主要通過在壩體的0+850、1+100斷面布置滲透壓力觀測孔。每個斷面布置4孔，分別布置在前壩肩、后壩肩及下游壩坡。在0+957.3放水閘處設(shè)置水尺。

3.2.2 管理站房

為改善水庫管理條件，放置監(jiān)測水庫信息數(shù)據(jù)的儀器設(shè)備，以及滿足管理人員的辦公、生活要求，應(yīng)新建管理站房94.73m2，為磚混結(jié)構(gòu)。

3.3 壩頂、上壩路面修復

本工程除險加固措施中，-0+545.7～1+764.6段壩頂路面設(shè)計為砂礫石路面，砂礫石層厚30cm，相對密度不小于0.75，在壩頂下游側(cè)設(shè)置C25F200預制混凝土平緣石，平緣石尺寸為0.10m×0.40m×0.50m(寬×高×長)?，F(xiàn)狀上壩路樁號0+917.5處的砂礫石路面，翻漿嚴重，雨天上壩不便。上壩路長396m，路面寬7m，本工程除險加固措施保持上壩路長度、寬度不變，只對路面進行改造，新增30cm砂礫石路面，上壩路中心線兩側(cè)2%放坡，壓實指標為相對密度不低于0.75。

3.4 機電及金屬結(jié)構(gòu)

在本工程除險加固措施中，針對水庫放水閘運行存在的問題，配置S9-80kVA變壓器1臺，改造配電線路(10kVA/50)750m。

4 除險加固工程施工技術(shù)

4.1 混凝土護坡修復施工

首先采用挖掘機帶液壓破碎錘振搗破碎原混凝土板，人工配合1m3反鏟挖掘機挖裝，8t自卸汽車運2km至棄渣場。然后進行4cm壩體砂礫石摳除施工。4cm壩體砂礫石摳除是為鋪設(shè)高密度苯板做準備，采用人工摳除，要求壩體土摳除后坡面平整，不得有大于2cm的粒徑石子在表面，利用蛙式打夯機及手扶式平板夯夯實。下一步進行高密度苯板鋪設(shè)。坡面整平夯實后即可鋪設(shè)高密度苯板，高密度苯板易折斷，鋪設(shè)過程應(yīng)輕拿輕放。最后進行混凝土板澆筑?；炷凉橇蠌木嗍┕がF(xiàn)場67km的砂石料場拉運，運至工地后儲備，在規(guī)劃的混凝土拌和站周邊堆放，攪拌時用人工膠輪車拉運砂、混凝土骨料、水泥，并用0.4m3移動混凝土拌和機制備混凝土，400L機動翻斗車運500m，采用溜槽入倉，插入式振導器機械振導密實，鋼模成型，人工灑水定期養(yǎng)護。

4.2 壩頂路面與上壩路施工

施工中，采用1m3反鏟挖掘機在砂石料堆放場挖裝，8t自卸汽車運1km，74kW推土機推平，使用13.5t振動碾進行壓實，機械無法壓實的部位用蛙式打夯機壓實，砂礫石壓實相對密度不低于0.75。

4.3 輸電線路及變壓器安裝

輸電線路及變壓器安裝按照輸變電相關(guān)施工規(guī)范進行。

4.4 管理站房施工

管理站房施工按照建筑相關(guān)施工規(guī)范進行。

4.5 變形監(jiān)測及滲流監(jiān)測設(shè)備安裝

4.5.1 變形監(jiān)測設(shè)備安裝

人工開挖并埋置預制混凝土標石，然后進行人工回填，并采用蛙式打夯機壓實，且壓實度不低于96%。

4.5.2 滲流監(jiān)測設(shè)備安裝

滲流監(jiān)測設(shè)備安裝包括鉆孔、下井管、回填反濾料、鼓水沖井、抽水洗井、抽水試驗、井口工程實施等。鉆孔過程中應(yīng)摸清地層的變化情況，保證濾水管布置在合適的地層中。井管間應(yīng)連接好，不得有縫隙，以防漏砂?；靥罘礊V料可采用導管法，以防離析?；靥罘礊V料后應(yīng)立即進行沖井和洗井，破碎泥皮，洗出反濾料中的泥沙，促進含水層中的較細顆粒進入井內(nèi)排出，使較粗顆粒排列在反濾料的周圍，形成天然反濾，防止或延緩使用過程中淤堵。然后進行抽水試驗，量測流量和出沙量，檢驗井的效果。最后進行井口工程的實施。

5 除險加固工程效益分析

富強水庫除險加固工程包括混凝土護坡修復工程、壩頂路面工程、輸電線路及變壓器安裝工程、管理站房工程、變形監(jiān)測及滲流監(jiān)測設(shè)備安裝工程和上壩路工程，本工程概算總投資262.19萬元。通過對本工程固定資產(chǎn)投資、年運行費、流動資金及其效益等進行計算分析可得，該工程經(jīng)濟內(nèi)部收益率為9.97%，大于社會折現(xiàn)率8%；經(jīng)濟凈現(xiàn)值為74.12萬元，大于0；效益費用比1.21，大于1，由此可知其經(jīng)濟上是可行的。

然而，作為除險加固項目，社會效益起主要決定作用。本工程實施后，將增加水庫運行可靠度，進一步保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，墾區(qū)居民將得以安居樂業(yè)。同時也將對社會安定和經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生不可估量的影響，社會效益較好。