XX县XX水库除险加固工程初步设计

*县*水库除险加固工程初步设计二OO*年*月5 工程布置及建筑物5.1 设计依据5.1.1 工程等别和建筑物级别*水库坝址以上流域面积21.5Km2，水库总库容344万m3，按照防洪标准GB5020194和水利水电工程等级划分及洪水标准SL2522000规定，本枢纽工程为小（一）型，工程等别为等，主要建筑物为4级。水库枢纽主体工程有大坝、溢洪道、高放水涵、低放水涵，以上按4级建筑物加固设计，水力发电站、渠首工程等按5级建筑物设计。按照防洪标准GB5020194规定，4级建筑物设计洪水标准按3050一遇洪水，土坝校核洪水标准按3001000一遇洪水。综合考虑本水库的防洪地位，主体工程洪水标准采用：50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。5.1.2 设计基本资料a）特征水位及流量本次除险加固设计，按照库水位超过225.5m时，溢洪道敞开泄洪，放水涵不参与泄洪的控制运用原则，根据新的洪水计算规范，重新进行了洪水复核和库水位调洪演算，计算结果见表5.11。水库特征水位及流量表表5.11洪水重现期死水位正常蓄水位50500库水位（m）207.8225.5229.29230.39洪峰流量（m3/s）607487下泄流量（m3/s）960717b）地震设防烈度根据中国地震动参数区划图（GB18306-2001）和建筑抗震设计规范（GB50011-2001）的规定，工程区地震基本烈度为6度。工程主要建筑物为4级，依据水工建筑物抗震设计规范DL50732000规定，设计地震烈度采用基本烈度，主要建筑物按6度地震设防，不进行抗震计算。c）坝体坝基土料物理力学指标坝基为花岗岩，表层强风化，局部夹有较多石英岩脉；坝体由粘土心墙、上下游砂壳组成。根据本阶段地质勘察报告，大坝土料物理力学指标见第3章第3.3节中表3.31。d）建筑物稳定安全系数根据碾压式土石坝设计规范SDJ21884，确定坝坡抗滑稳定最小安全系数为：正常运用条件1.15，非常运用条件1.05。5.2 工程布置及主要建筑物形式5.2.1 工程布置现状*水库于1966年10月开工修建,1976年10月完工投入使用，1983年溢洪道拓宽至现在规模。1998年对东山岗进行了灌浆处理，1983年、2002年又对坝右跌窝分别进行了回填、灌浆处理。现状枢纽工程由大坝、右岸溢洪道、高放水涵、低放水涵、水力发电站工程组成。大坝坝址区河底高程199m，河床底宽约50m，河谷呈“V”字形，两岸山势陡峻。拦河坝直跨河床，坝轴线近东西向布置。溢洪道位于大坝右端，其左为坝端护墙，其右为山坡。高放水涵位于坝右东山岗，其轴线距右坝头约52m。低放水涵位于大坝右段，其轴线距右坝头约20m。水力发电站接低放水涵出口，位于坝后右端，紧邻水库管理房。5.2.2 主要建筑物形式a）拦河坝拦河坝为粘土心墙砂壳坝。现状坝顶高程230.9m，顶宽6.0m，最大坝高34.9m；上游在225m、215m各设2m宽戗台，戗台上下坝坡分别为1：2.5、1：2.75、1：3.25；下游在224m、219m各设2.45.5m宽戗台，戗台上下坝坡分别为1：2.5、1：2.75、1：3.0。拦河坝坝顶轴线长度182m，坝右与溢洪道之间还有西山岗长度27m。b）溢洪道溢洪道为开敞式无控制。其由进口明渠、一级陡坡、一级消力池、泄流渠、二级陡坡、挑流坎组成，纵向轴线总长度224.9m。溢洪道现状各段平面尺寸及控制高程见表5.21。溢洪道平面尺寸及控制性高程表表5.21 分段断面宽轴线长纵坡高程备注进口明渠56.744.493.55/1000225.5224.49一级陡坡44.437.69.51:0.79基岩面一级消力池37.634.021.4217.44含消力坎泄流渠2226.466.519/1000217.84216.57二级陡坡15.024.01:0.63216.57203.52钢筋砼衬砌挑流坎15.010.0c）放水涵高涵洞位于大坝左端东山岗内，设计流量1.83m3/s，洞长74m，进口底高程207.8m，全洞为半风化岩石，钢筋混凝土衬砌成园形，内径1.2m，进口由斜拉杆活塞闸门控制。本洞系灌溉洞。低涵洞位于大坝左端山体内，设计流量1.8m3/s，洞长113m，进口底高程198.0m，除进出口部份为半风化岩石外，其余均为新鲜岩石，但多处岩层裂隙渗漏严重，用钢筋混凝土衬砌成矩形断面，断面尺寸1.8m2.3m，为满足坝坡长度，进口接明涵48.9m，由活塞闸门控制。本洞主要用于发电，结合部分灌溉。d）水力发电站坝后式水力发电站装机容量225kW，二台机组，一台100kW，一台125kW。5.3 主要建筑物设计、运行情况及存在问题5.3.1 工程设计和建设概况*水库由安庆专员公署水电局设计。原采用洪水标准：设计1/50年，校核1/200年，1/200年另加20%做为保坝水位；“75.8”洪水后，水库校核标准提高到可能最大洪水。a）大坝的设计和建设概况大坝最初设计坝顶高程230.9m，顶宽6.0m，最大坝高34.9m；上游在225m、215m各设2m宽戗台，戗台上下坝坡分别为1：2.5、1：2.75、1：3.25；下游在225m、215m各设2m宽戗台，戗台上下坝坡分别为1：2.5、1：2.75、1：3.0。下游倒滤体顶面高程207m，其上部建过水渡槽，将高涵洞水通过渡槽引入西干渠。心墙基部最大宽度为24m，相应高程为196.0m，防渗截水槽最大宽度为8m，相应高程为194.8m。大坝于1966年10月动工，采取分段施工。1968年冬前，利用东端天然河道导流，填筑西侧坝体；1969年冬后，利用低涵导流，填筑东侧坝体；大坝于1970年冬完工。据记载：大坝实际实施时将坝顶高出原设计0.6m，相应高程231.5m。b）溢洪道的设计和建设概况溢洪道原设计进口宽40m，底高程225m，进口段末端底高程224.5m，长93m，比降1/200，一级陡坡1:1.5，消力池底高程217.5m，池宽46m，长20m，泄流渠段为变宽等三条非棱柱形槽，底宽由46m变到16m，渠道底高程219m，比降由1/10变1/5，长70m，其后为二级陡坡段。原设计50年一遇设计洪水，下泄流量545m3/s，200年一遇校核洪水下泄流量为655m3/s。溢洪道于1967年冬动工，1969年8月溢洪道基本开通，但扫尾工程1974年才完工。施工时，水库正常高水位由225m提高到225.5m，相应溢洪道进口底槛高程也提高到225.5m。因此，溢洪道建成期实际进口底高程225.5m，高出原设计0.5m。1975年在河南省发生“75.8”特大暴雨后，计划将校核标准提高到P.M.P，当时仅拓宽溢洪道进口段部分，实际上未经复核。拓宽设计中进口底宽由40m拓宽到58.6m（现实际为56.7m）。1993年和2002年均实测了溢洪道详图，93年为1/200，2002年改为1/500。根据1993年10月实测的溢洪道1：200地形图和纵横断面图及2002年的复测成果：进口段为轴长93.5m明渠，纵坡比5/1000，出口底宽概化为45.5m，下接一级陡坡、消力池，后经66.5m非棱体形泄水渠道，再下接二级陡坡，挑流坎后与下游河道相衔接。c）放水涵的设计和建设概况坝东山体内开了两个放水涵（高、低涵），其型式均为有压隧洞。（1）高放水涵高放水涵位于大坝左端东山岗内。设计流量1.83m3/s，洞长74m，进口底高程207.8m，洞内径1.2m。因全洞为半风化岩石，因而迫使设计全洞钢筋砼衬砌。本洞系灌溉洞。高放水涵1967年4月开始开挖，1968年冬衬砌结束。（2）低放水涵低放水涵位于大坝左端。设计流量1.8m3/s，洞长113m，进口底高程198.1m，断面尺寸1.8m2.3m，洞为马蹄形。低涵除进出洞口部分半风化岩石外，其余均为新鲜岩石。因多处岩层裂隙渗漏严重，亦全长采用预制砼园涵衬砌。为满足坝坡长度，进口接明涵48.9米。此项工程属于新增工程，原设计书未设计，因69年大洪水的发生，为大坝合扰河水导流，便于心墙黄土回填施工，为71年春安全渡汛，新开涵洞长210米，其中暗开长度103米。本洞后来改用于发电，结合部分灌溉。低放水涵1970年2月7月完成开挖，同年9月洞内开始浇筑，用双层钢筋，浇筑后灌浆密实。5.3.2 主要建筑物运行情况及存在的问题*水库主要建筑物包括：大坝、溢洪道、高放水涵、低放水涵、水力发电站。数十年来，大坝、溢洪道存在问题较多，发电站厂房破旧，高、低放水涵未放空检查，从出口观察，基本运行良好。a）大坝运行情况及存在的问题大坝投入运行以来，出现库水位较高年份有：1973年为227.28m，1987年为227.20m，1991年为226.55m，1993年为227.64m，1999年为226.10m。最高库水发生于1993年7月18日，最大溢洪深2.14m，相应水位227.64m。大坝经历最高水位较设计库水位（229.39m）低1.75m，较校核库水位(230.39m)低2.75m。大坝虽未经历设计库水位考验，但在1983年5月9日（库水位225.6m），2002年5月19日（库水位225.0m）大坝右段迎水坡曾发生跌窝险情。1983年5月9日（库水位225.6m），大坝迎水坡距右坝端54m、距防浪墙2.1m、高程230.1m处出现一处跌窝，跌窝断面为2.0m2.4m1.8m。1983年10月及1984年冬，对跌窝分别进行探井（16m）开挖回填、灌浆充填。后经多次较高库水位考验，大坝运行正常。2002年5月19日上午10时，当库水位225.0m时*水库大坝迎水坡距右坝端55m、距防浪墙3.6m、高程229.9m处又出现一处跌窝，断面1.4m1.4m1.0m。根据资料记载高程及1983年除险回填时预留灌浆管情况，该跌窝位置与1983年险情位置基本重合。为应急度汛，2002年6月，安庆市水利水电勘测院进入工地，对大坝跌窝进行灌浆处理。经过灌浆处理，*水库大坝跌窝部位的抗渗能力及力学性状得到较大改善，为大坝渡汛提供了保障措施。1983年大坝发生跌窝险情后，在坝后排水凌体下方出现一渗漏点，无渗流观测资料。2002年5月19日再次在原位置发生跌窝险情后，5月24日下午在坝后排水凌体下方又出现一渗漏点。渗漏点在排水凌体外26m，主河槽右1/3处，高程约190m左右，口径8cm，出水量23m3/h。5月25日上午渗漏有所加剧，10m范围内有四处出溢点，在右坝端坝后，大坝与基岩接触部附近新增一渗漏点。根据施工记录：*水库大坝清基及高、低隧洞开挖均反映基岩裂隙发育，爆破后更加严重，此点由勘探资料印证。节理裂隙清基时处理不当，裂隙面又出露于心墙底部，易造成坝基、坝基与心墙接触带渗漏。地质钻孔揭示：*水库坝基为花岗岩，表层强风化，局部夹有较多石英岩脉，不排除强风化花岗岩与石英岩接触带部位渗漏的可能性。根据室内试验：心墙填土回填碾压质量比较稳定，但在高程210.0220m之间有一个薄弱带。通过历年运行，大坝存在的问题有：（1）大坝已发生跌窝等渗流险情。（2）心墙填土存在薄弱带，坝基风化严重，裂隙发育，大坝存在渗流隐患。（3）坝面护坡、坝脚排水体损坏。（4）大坝发现白蚁迹象。b）溢洪道运行情况及存在的问题溢洪道建成后，丰水年均溢洪，其中1991年曾连续溢洪14天。历年最大溢洪深：1973年为1.78m，1987年为1.70m，1991年为1.05m，1993年为2.14m，1999年为0.6m。最大泄量发生于1993年7月18日,最大溢洪深2.14m，相应泄量184m3/s。溢洪道平面上转折，水流折冲，流态不顺。“75.8”特大暴雨后，仅拓宽溢洪道进口段部分，使溢洪道平面形态更加恶劣。现状进口段明渠平面上转折46，转弯半径约100m，宽度自56.7m束窄到39.1m由渐扩至44.4m接一级陡坡。溢洪道左为挡墙，右为天然山体，侧墙高度一般5.0m左右，但二级陡坡段侧墙高度仅2.0m左右。因二级陡坡首部宽度突然束窄，受右侧导流墙压迫，水流左摆，致使水流易越过左侧墙顶，危及坝脚安全。溢洪道出口正面为山凸，迫使水流左转廻冲，导致河道消力池挡墙多次坍塌，影响西干渠通水并威胁坝脚安全。为加强防护，1983年曾对出口右岸进行浆砌石防护，但后又局部冲塌。2000年将冲塌部位退建恢复，但局部范围防护高度不足，目前山体仍有滑塌迹象，侧墙坍塌未有效控制。溢洪道存在的问题有：（1）溢洪道平面布置不规整，致使水流折冲。（2）局部侧墙高度不足，泄洪时水流越过墙顶。（3）出口山体及其护砌冲刷损坏。5.4 大坝加固设计大坝为粘土心墙砂壳坝，坝高34.9m，本次加固主要依据碾压式土石坝设计规范SDJ21884设计。5.4.1 坝顶高程复核根据大坝洪水标准和水库特征水位，计算风浪爬高和安全加高，复核现有坝顶高程是否满足防洪要求。采用碾压式土石坝设计规范SDJ21884计算，坝顶安全超高Y=R+e+AR最大爬高，按累计概率1%计，为平均爬高2.23倍，平均爬高=e风壅水面高，e=A安全加高，4级建筑物，正常运用0.5m，非常运用0.3m多年最大平均风速19m/s，设计工况W采用多年最大平均风速1.5倍，校核情况下W采用多年最大平均风速。吹程D及水深H由1/10000地形图确定,吹程0.5km。根据以上计算参数，坝顶高程计算值见表5.41。从表中可见，计算高程小于防浪墙高程231.8m，现状坝高满足防洪安全要求。坝顶高程计算表表5.41 （括号中数字根据原设计水位计算）工况水库静水位（m）ReAY堤顶高程（m）设计229.29（228.77）1.400.51.90231.19（230.67）校核230.39（229.71）0.900.31.20231.59（230.91）5.4.2 大坝渗流计算本水库集水面积不大，库容系数小，设计、校核洪水滞洪时间短，不易形成稳定的浸润线，故只计算正常蓄水位工况。渗透系数选用：设计前地质报告提供的数据很少，心墙成分复杂，渗透系数选用值K=5.010-5cm/s；参考有关书籍，上下游砂壳渗透系数选用值K=110-3cm/s；坝基老土与基岩按不透水地基。本大坝心墙砂壳坝，心墙建在不透水地基上，且下游有反滤排水设备，采用公式：k2=5.010-5cm/s k1=10-3cm/s H1=29.6m H2=0 =15.25m S=46.375+0.05h经计算得坝身单宽最大渗漏量q=2.78710-6m3/s，心墙出逸点高h=7.62m。浸润线各点座标见表5.42。浸润线计算成果表表5.42X0102030405051.96Y2.73.343.974.614.947.8310.32坝身浸润线见图5.41。从图中分析，坝体浸润线较低，按碾压式土石坝设计规范SDJ21884、“各种土石坝自浸润线出逸点至下游坡脚一段，按要求做好反滤排水设备时，可不进行坝体填土渗流稳定复核”。本水库下游为棱体排水，理论上渗流是安全的。5.4.3 坝坡稳定分析（1）计算断面选取河床中间主剖面为计算断面，计算断面见图5.42。（2）计算工况正常工况：库水位为设计洪水位229.29m，稳定渗流期下游坝坡稳定性。非常工况：库水位为校核洪水位230.39m，因时间短，不易形成坝体稳定渗流，暂按稳定渗流计算下游坝坡稳定性。非常工况：库水位从正常蓄水位225.5m，突降至死水位207.8m（正常放空约7d左右），上游坝坡稳定性。（3）计算参数心墙抗剪强度只有少数几组，现只能根据现有资料将主剖面心墙钻孔试验数据适当概化，接近平均值：C=25Kpa，=21；K=5.010-5cm/s；湿容重=19.3KN/m3，干容重d=15.2KN/m3。砂壳无试验数据，参考有关书籍及其它水库：C=0，=26；K=1.010-3cm/s；湿容重=18.0KN/m3，干容重d=16.0KN/m3。（4）计算方法及成果按瑞典园弧滑动计算方法中有效应力法计算，其公式为：K=式中：b条块宽度；W1、W2坝坡外水位上、下条块重力；Z坝坡外水位高出条块点面中点的距离；u稳定渗流期坝身孔隙水压力；ui水位降落前坝身孔隙水压力；条块重力线与通过底面中点半径夹角；w水重度；CCU、CU、C、分别为固结快剪（用于稳定渗流期）及慢剪指标（用于库水降落期）。经计算，坝坡抗滑稳成果见表5.43。从表中可见，坝坡抗滑稳定满足规范要求。事实上，*水库大坝已经历过最高水位为227.64m，低于设计洪水位1.65m。坝坡抗滑稳定计算成果表表5.43坝坡计算工况最小安全系数允许安全系数圆心(m)半径(m)kmin下游坝坡正常运用(-87.19,-91.23)25.61.5311.15非常运用(-86.26,-90.50)26.61.4761.05上游坝坡正常运用1.15非常运用(55.19，-20.23)34.61.2831.055.4.4 大坝安全评价大坝的高度、抗滑稳定满足规范要求。大坝的渗流从理论计算上也是安全的因计算采用资料散性大，数据不一定准确，实际施工断面不规则，概化模型不一定合适。因此，渗流计算结果只能供大坝总体渗流评价参考，不排除局部薄弱部位渗流破坏的可能性。从地质条件看：*水库大坝清基及高、低隧洞开挖均反映基岩裂隙发育，爆破后更加严重，此点由勘探资料印证；*水库坝基为花岗岩，表层强风化，局部夹有较多石英岩脉，不排除强风化花岗岩与石英岩接触带部位渗漏的可能性；心墙填土回填碾压质量比较稳定，但在高程210.0220m之间有一个薄弱带。以上隐患若不及时治理，其隐含的渗流通道可能逐渐发展，直至溃坝。从大坝运行情况和存在的问题看：大坝已两次发现跌窝等渗流破坏先兆。通过反复分析及应急度汛灌浆效果对照，险情原因基本认定为坝基接触面或坝基裂隙存在渗水通道。综上所述，大坝存在的问题有：大坝已发生跌窝等渗流险情；心墙填土存在薄弱带，坝基风化严重，裂隙发育，大坝存在渗流隐患。通过历年运行，大坝存在的问题还有坝面护坡、坝脚排水体损坏；大坝发现白蚁迹象。以上各问题程度不同地危及大坝安全度，必须及时进行处理，以免事态发展。5.4.5 跌窝处理设计a）1983年跌窝形成及处理（参考关于*水库大坝塌陷坑除险工程施工技术总结报告 *县水利局 1983年12月）（1）情况介绍*水库自1973年正常使用以来，十多年的时间里，大坝枢纽各项建筑物均未发现异常现象。基本上是安全可靠的。但是在1983年5月9日（库水位225.6m），偶然发现在水库大坝上游砂壳呈锅形跌窝一处。跌窝的位置在大坝迎水坡，与防浪墙脚水平距2.1米，距大坝左端123.6米，距大坝右端62.4米。跌窝表面量得深1.3米，长2.44米，宽2.0米，近似圆形。大坝出现跌窝这一异常情况后，公社和水库管理所十分重视，及时把上述情况向县水电局作了电话汇报，县水电局一面向地区水电局作电话汇报，一面指示水库管理所对跌窝进行清挖查明。地、县工程技术干部到现场后，于5月14日坑探，将跌窝清挖三日后达4.5米深时（挖坑长宽深=4.7m4.3m4.5m），跌窝垂直向下仍为松软土，直径1米左右，据观察，跌窝有沿大坝粘土心墙和大坝上游砂壳接壤处垂直向下伸延的迹象。因当时正值汛期，水库水位高程达225.5米（平溢洪道底），跌窝不能再向下深挖查明。为了确保大坝安全渡汛，对跌窝暂时回填。1983年10月，根据省、地指示意见，经反复研究，确定采用木框架支撑井探法，深挖追探查明跌窝原因。按跌窝的大小，考虑到土压力及施工方便，安全可靠，拟定井探断面为2.0m2.0m。井探施工过程具体如下：首先拆除塌坑上部防浪墙30m，以减轻塌坑下侧土压力同时把上游砂壳开挖成“T“字型，向上游水面倾斜，以利施工排水平行于把轴线方向开挖成1：2.5坡度，以利出土。井探：用制作好的方木在已开好的砂壳井坑中（一般视土质坚硬程度3050公分立一层）立支撑架，方木和立层接触面用编制好的竹排或模板衔接后，按大样支撑，方木间用木尖紧后，再用小铝钉连接加固，上下层间用长钉加固。当井坑挖深5米，高程由227m下降到222m时，粘土心墙露出并与上游砂壳交错衔接50多公分，切齐后仍有50公分台阶，跌窝仍向下垂直。竖井仍向下挖深，开挖断面由2.0m2.0m变为2.0m1.5m，继续垂直挖深3.7米后，高程下达218.3m时，跌窝去向不是垂直向下，而是突然向下游右侧，垂直角为593160（量算得出），有沿自然山体心墙槽与心墙接合部位发展的趋势。上述情况发生后，木框架支撑方法不变，探井方向随跌窝方向深追，开挖断面成不规则四边形，此处高程215.6m。此时，从跌窝外沿线观察，有不规则洞沿山体中发现；观察心墙时，心墙有弧形断面成拱形状，土层稳定。跌窝方向仍向山体心墙接合槽部位发展，稳定支撑后，继续深挖，当挖到高程215m时，跌窝垂直方向斜角60左右深下，水平角向右倾斜1015左右，跌窝口成近似圆形断面即3540cm，开挖断面近似梯形。对跌窝未端直径为4035cm的一个近似圆形的松软带，用12mm钢筋捣探，四周均是粘土心墙，中间是倾斜60深1.2米左右的砂夹粘土层，以下亦是粘土层。由于断面小，水平部位又在心墙里，继续开挖安全受影响，在这一松软带部分先埋入直径23吋金属管，以便人工灌浆密实。（2）险情分析跌窝井探、除险工程自地区水电局批准施工方案后，即开始施工，自1983年10月25日到12月29日止，共开挖65天。施工过程的12月22日至12月28日七天中，地区水电局派来的工程师朱正华、郭外嵩、郑克谦同志，在县水电局工程师王绪彬，技术员朱生振同志配合下，日夜奋战开挖，初步查明跌窝成因。从井探取土和出渣情况观察，上游砂壳土层基本是均匀颗粒，在心墙与上游砂壳衔接处高程216m左右心墙底部有明显洞穴向内部延伸。表现有四：心墙滑塌后留有明显拱形状；自然山体与明显的洞穴边缘，与心墙拱形状上下对应；塌陷洞口径自上而下逐渐减小，直至215m高程处仅有4035cm；在高程215m处由于作用力的缘故，塌洞时遗留下的风化粗粒花岗岩。均匀铺在心墙滑塌土的下部。据观察分析，这是造成跌窝的主要原因。由于心墙结合槽底部有塌陷，以致造成大坝塌陷，使心墙受到影响和破坏。破坏断面高4.5米，水平距自心墙与结合槽最大断面处，深入心墙达1.4米，因此，心墙防渗径也受到影响；又因跌窝所致，在受破坏的心墙部分有一个小断面（4035cm）的土层，夹有颗粒不均匀的粘土夹砂实体，（因施工断面实在是太小，无法继续深探），如不及时妥善处理，日后有恶化形成通道的可能性。在心墙与山体结合槽部位，大致平行方向，心墙有一松软带，亦有坝端绕渗形成通道的可能性。（3）除险加固处理根据上述初步结论，1983年跌窝除险加固处理采用回填结合灌浆方案。探井回填自1983年12月开始。对已受破坏的心墙部分，自下而上，每2530cm为一层，分层夯实。在跌窝洞口用粘土加大、加厚断面严密夯实，然后再将跌窝用砂壳分层回填到设计断面。1985年元月，利用两根预埋灌浆管，灌注水泥浆，浆液水灰比4:1。初灌时灌浆压力0.020.04Mpa，吸浆量41l/min，共耗水泥1.9t；90分钟后第一次复灌，灌浆压力0.10.15Mpa，吸浆量5l/min，共耗水泥0.15t；一天后第二次复灌，灌浆压力0.150.2Mpa，吸浆量2l/min，共耗水泥0.05t。b）2002年跌窝形成及处理（摘自*县*水库大坝跌窝度汛处理方案 安庆市水利水电规划设计院 2002年6月）（1）情况介绍2002年5月19日上午10时，当库水位225.0m时，大坝迎水坡距右坝端55m、距防浪墙3.6m、高程229.9m处又出现口径1.4m1.4m、深1.0m的跌窝。根据资料记载高程及1983年除险回填时预留灌浆管情况，该跌窝位置正好与1983年险情位置重合。险情发生后，*县防汛抗旱指挥部组织专人值班，对大坝进行24小时全方位监测。2002年5月24日下午6：30，在大坝后排水棱体外26m、主河槽右侧1/3处、高程约190m左右发现一渗流出水口，口径8cm，出水量23m3/h，水质清澈。2002年5月24日上午，10m范围内水流出溢点增至4个，在右坝端坝后，大坝与基岩接触部附近新增一渗漏点。有渗漏加剧的迹象，但塌陷坑沉降未发现变化。5月24日5月28日对各渗漏点进行观测，由于观测时间短，库水位一直在220.0m，相对变化较小，出水点渗水量基本稳定。通过对高涵开关对比，对出水点渗水量的观测资料进行分析，渗水量变化与渠道水相关性较好，这说明灌浆涵本身存在一定渗漏量；同时，当库水位降至跌窝坝基附近高程（215.0m）以下时，渗水量也有所减少，这说明坝基也存在一定渗漏量。2002年5月28日，安徽省水利科学研究院对跌窝附近采用探地雷达技术进行探查，测线覆盖跌窝周围10m范围以内，天线频率为100MHZ，采用点测方式，点距0.1m，最大探测深度22m。通过探地雷达探测，得出三点结论：跌窝呈向下发展形态，在跌窝中心线东西两侧23m范围以内的心墙底部，有粘土软化带的可能，也不完全排除因1983年处理时灌浆改变所带来的对信号异常反映；因仪器探测的限制（在心墙底部的分辨尺寸约0.5m），本次探测未发现心墙底部有大于0.5m的渗漏通道；在跌窝东侧的心墙内部，距坝顶56m的深度处，有裂隙面信号反映。险情发生后，*县水利局还及时委托本院进行应急度汛设计。（2）险情分析针对上节险情，省、市、县各级水利技术人员多次查勘、会商，一致认为坝体因水土流失已形成局部松散和空洞，根据工程经验及查阅有关资料，推测此类险情的原因可能性如下：白蚁和动物洞穴；心墙局部渗透破坏形成渗水通道；心墙与坝基接触面或坝基存在裂隙等渗水通道。为了分析险情，我院广泛咨询各级技术人员，查勘现场环境及邻近建筑物，守候观测跌窝及渗流出水口，同时借助水科院探地雷达成果，初步认为：引起跌窝的空洞和松软带出现在迎水面，且在常水位以下，排除了白蚁和动物洞穴的可能性。探地雷达表明：跌窝下游心墙未贯穿性通道，同时在高水位时跌窝虽发生，但坝体险情未迅速蔓延，下游出水量也相对较小且清澈（不似心墙贯穿过流），另外，心墙正上砌石防浪墙也未有沉降裂缝现象（说明水土流失在深处），这也基本上排除了心墙局部渗透破坏形成渗水通道的可能性。因此，我院将险情原因初步锁定为坝基接触面或坝基裂隙存在渗水通道。为了进一步分析险情，我院技术人员又查阅了以前地质资料、并借灌浆处理之机，实地布置钻孔，以便探明坝基地质与以前资料相印证。前期地质资料显示：坝区出露均为风化粗粒花岗岩，且夹有石英岩脉。本次灌浆前钻孔显示：跌窝附近正是花岗岩与石英岩脉交织点，跌窝右侧坝基为花岗岩（风化），左侧坝基为石英岩（完整），右侧坝基纵向坡度大，左侧坝基基本水平。当年施工资料显示：跌窝所处大坝右岸原为梯田，一般为人工清基，此处原有大孤石系爆破清除。以上各资料表明：跌窝附近地质相对复杂，不同岩石交汇，致使岩基裂隙、夹层存在可能性增加，而人工清基，风化岩及局部裂隙破碎难以彻底清净，这就有可能导致坝基本身先天不足。值得注意的是，跌窝点右岸岩基纵坡偏陡，其坡比10.510.25，该范围心墙及坝体填筑时难以保证与基岩面紧密接触，这又可能导致坝基接触面填筑质量先天不足。通过上述分析，我院基本认定险情原因为坝基接触面或坝基裂隙存在渗水通道，该险情虽不致水库迅速溃坝，但为了安全度汛，必须对其进行及时有效处理。（3）应急度汛处理为了在梅雨来临之前，对大坝跌窝进行度汛应急加固处理，在库水尽量放空的同时，我院经过反复研究，认为对跌窝附近坝体及坝基在钻孔勘查基础上进行灌浆处理是可行且有效的措施。灌浆具体方案为：粘土心墙与基岩接触以下为水泥固结灌浆，心墙与基岩结合面以上为粘土充填式灌浆。灌浆孔在跌窝附近布置，灌浆孔分三序，其布置遵循“先稀后密，先上游后下游，先跌窝附近后跌窝远处”的原则。本次灌浆共施灌9孔，共耗黄土24.39t、水泥11.47t。其中邻近跌窝ZK1复灌3次，消耗黄土8.0t、水泥4.3t。通过ZK7、ZK9两孔加密和检查，前序孔灌浆效果良好，钻进过程中均不漏水，在0.1Mpa压力下，心墙及接触带部位吃浆量显著减少，分别为ZK7孔黄土水泥混合浆1.3t、ZK9孔黄土水泥混合浆0.8t。通过ZK6、ZK8孔钻探发现右坝端新鲜花岗岩破碎，裂隙发育，ZK6孔高程216.20210.40m新鲜基岩压水试验单位吸水率0.89l/mmmin，裂隙透水性较强，基岩段灌浆ZK6孔耗水泥2.0t、ZK8孔耗水泥1.4t，说明基岩比较破碎、透水。由于本次应急渡汛时间紧、任务重，仅对心墙、心墙接触带及基岩浅层进行了灌浆处理，尚不能解决深层新鲜花岗岩裂隙发育、破碎可能引起的渗漏。通过钻探还发现花岗岩中夹有较多石英岩脉，跌窝坑的东、后侧ZK1、ZK3、ZK4、ZK5及ZK9孔均揭示该层，因孔数、孔深有限，对石英岩的分布范围、厚度及其与花岗岩的接触情况未能全面掌握，不能排除石英岩与花岗岩接触带部位渗漏以及花岗岩裂隙出露于心墙底部的可能性。经灌浆处理，对心墙217m高程以下的软化带和心墙与基岩接触带起到充填、固结的作用，*水库大坝塌陷坑部位的抗渗能力及力学性状得到较大改善，为大坝渡汛提供一定的保障措施。c）本次跌窝除险加固跌窝2002年汛前应急度汛仅采用灌浆处理，为进一步清除跌窝引起的空隙和松软，跌窝需进行合适的处理。(1)跌窝特点总结通过对两次跌窝形成及处理进行总结，发现*水库大坝跌窝具有以下特点：跌窝上口在库水位以上，1983年井探及2002年钻孔均表明：跌窝下口造成空洞及湿软延伸到心墙截水槽与山体结合部。1983年井探表明：跌窝塌坑呈漏斗状，上口较大，下口渐小，跌窝在砂壳中垂直向下，进入心墙后改向下游偏右；跌窝在心墙底部已形成塌陷空洞，空洞及湿软范围深入心墙截水槽，但表现为收敛趋势。1983年及2002年钻孔灌浆表明：灌浆开始吃浆量相对大，但复灌时吃浆量大幅度减小；一序孔吃浆量相对大，二序检查孔吃浆量大幅度减小。2002年5月对应跌窝坝下渗流观测表明：跌窝造成渗水量不大，水质较清；库水位降至跌窝坝基以下仍有少量渗水，说明坝基也存在一定渗漏量。跌窝形成过程较长，第一次跌窝发生距大坝建成12年，第二次跌窝发生距第一次跌窝处理19年。(2)跌窝成因分析坝体方面：从跌窝特点可知，跌窝根源在心墙截水槽底部，该处心墙出险时承受水头7.6m，心墙底宽12.0m，下游实际出逸坡降0.63左右，远小于粘土内部及接触面容许出逸坡降，心墙不会击穿。从特点、中跌窝收敛及灌浆效果表明心墙本身未形成贯穿漏洞，从特点水质、水量观测也可印证。以上排除了坝体渗流破坏形成跌窝的可能性。1983年井探表明：跌窝延伸至心墙底部，并已形成塌陷空洞。该塌陷空洞已仔细回填并灌浆加强，回填质量及灌浆效果良好，但19年后，在原位再次发生跌窝，这说明局部填筑不实以致坝体沉陷、形成跌窝的可能性不大。1983年5月跌窝险情发生后，坝下对应出现渗流出水点，跌窝回填处理后，渗流出水现象未根除，这说明局部填筑不实以致坝体沉陷至少不是形成跌窝的直接原因。坝基方面：从跌窝特点可知，1983年井探及2002年钻孔均表明：跌窝下口造成空洞及湿软延伸到心墙截水槽与山体结合部。1983年5月跌窝险情发生后，坝下对应出现渗流出水点，跌窝回填处理后，渗流出水未根除；2002年5月跌窝险情发生后，出水点有渗漏加剧的迹象，以后10m范围内水流出溢点增至4个，在右坝端坝后，大坝与基岩接触部附近新增一渗漏点，库水位降至跌窝坝基以下仍有少量渗水；2002年6月跌窝基岩及结合部灌浆处理后，渗流明显好转；2003年5月，水库曾达正常蓄水位，坝下原出水点渗流量很小。2002年灌浆前钻孔显示：跌窝附近正是花岗岩与石英岩脉交织点，跌窝右侧坝基为花岗岩（风化），左侧坝基为石英岩（完整），右侧坝基纵向坡度大，左侧坝基基本水平。当年施工资料显示：跌窝所处大坝右岸原为梯田，一般为人工清基，此处原有大孤石系爆破清除。以上各资料表明：跌窝附近地质相对复杂，不同岩石交汇，致使岩基裂隙、夹层存在可能性增加，而人工清基，风化岩及局部裂隙破碎难以彻底清净，这就有可能导致坝基本身先天不足。值得注意的是，跌窝点右岸岩基纵坡偏陡，其坡比10.510.25，该范围心墙及坝体填筑时难以保证与基岩面紧密接触，这又可能导致坝基接触面填筑质量先天不足。综上所述，坝基内部及其与心墙接触面裂隙存在渗水通道是形成跌窝的直接原因。这与跌窝渗水量小、水质清，形成时间长、水土流失慢等特点吻合。(2)跌窝除险加固跌窝处坝基在210m高程左右，基本高于可放空水位208.7m。本着彻底根治的原则，总结历次经验教训，跌窝除险加固采用探井先导开挖、心墙套井回填、坝基清基处理、坝基帷幕灌浆相结合方案。根据钓鱼台、红旗、*等水库探井开挖经验，拟在跌窝部位人工开挖探井,既做跌窝沿程结构先导检查用,又做跌窝松散软化土体清除用。为改善施工难度，由探井结合钻孔查明心墙塌陷和软化范围后,改用冲抓套井开挖回填。探井正对跌窝上口；口径2.5m左右，开挖深度以达基岩控制。表层明显塌陷、松散土体采用人工放坡明挖，开挖深度2.03.0m，其下逐段采用人工边支护边开挖。套井处理范围初定沿坝顶轴线双排布置，东西两侧各超出跌窝15m；套井孔距0.75m，开挖深度以达基岩控制。套井施工采用BJZ95型冲抓式打井机。探井、套井回填前应对坝基强风化非闭合裂隙进行清基，并在表层浇筑素砼。探井回填料仍采用坝体原部位同类土料；套井回填土料采用粘性土，粘粒含量35%50%，渗透系数小于10-6cm/s。回填土夯实采用底部为球冠形上部为椭圆抛物面形的特制夯锤。对应探井、套井处坝基均采帷幕灌浆。灌浆孔按每井中心布置，灌浆工艺参照全坝段坝基帷幕灌浆进行。5.4.6 坝体、坝基防渗设计a）心墙防渗加固（1）基本情况*水库大坝的渗流从理论计算上是安全的因计算采用资料散性大，数据不一定准确，实际施工断面不规则，概化模型不一定合适。因此，渗流计算结果只能供大坝总体渗流评价参考，不排除局部薄弱部位渗流破坏的可能性。根据2003年地质报告：心墙填土回填碾压质量比较稳定，但在高程210.0220m之间土样含水量及干容重变异大，标贯击数略有降低，伴有钻孔漏水现象。2002年应急度汛钻孔在高程215.0左右也反映有钻孔漏水现象；2002年探地雷达检测也显示：坝顶5.0m以下心墙有裂隙信号反映。以上说明心墙210.0220m之间有一个薄弱带。根据心墙断面推算，高程210.0处在较核工况下承受水头20.29m，心墙厚度16.27m，下游出逸坡降仅1.25，远小于心墙内部容许出逸坡降。根据历年运用情况，当库水高于210m，坝脚（跌窝段及东山岗除外）无明显渗水量加大现象。以上说明心墙210.0220m之间薄弱带未形成贯穿性渗漏带。*水库目前运行最高库水位距校核库水位尚低2.75m，水库未受设计、校核水位考验。因此，为了水库长期安全运行，借本次除险加固机会，对心墙薄弱带进行适当加固处理是必要的。（2）加固处理设计本水库心墙特点为：210m220m有一个薄弱带。薄弱带未形成贯穿性渗漏带。参照同类工程经验，对心墙加固拟定三个可行方案：充填灌浆。此法可结合灭蚁，对处理坝体空隙简单有效，但处理效果随土质、工艺不定性大。另外，此法一般需多排、多序，且要复灌，工作量大，工期长。该方案造价低。高压喷射灌浆。此法效果最好，但工艺复杂，该方案造价高。冲抓套井回填。此法适用于空库水位以上，最简便直观，但土料用量大，要求高。该方案随冲抓回填深度、厚度加大，造价也急剧升高。心墙薄弱带未形成贯穿性渗漏带，局部充填灌浆能达到加固目的，尤其充填灌浆能结合坝基灌浆造孔，且可利用先导造孔查清薄弱带分布，及时调整加固范围。因此，心墙防渗加固选定方案。灌浆按坝体充填灌浆控制。灌浆造孔结合坝基灌浆孔，沿坝顶轴线单排布置；灌浆孔距3.0m；灌浆段在高程210.0220m，具体施工可利用先导造孔查清的薄弱带予以调整。灌浆压力采用孔口压力表压力控制在0.05Mpa。灌浆材料采用粘土水泥浆，水泥为粘土干重15%，水泥标号为425#。b）坝基防渗加固（1）基本情况*水库坝基为花岗岩，表层强风化，裂隙发育；坝基花岗岩局部夹有较多石英岩脉；节理裂隙施工爆破后更加严重，但清基时仅刷黄泥浆处理。根据工程经验，基岩裂隙内部及裂隙出露于心墙底部易造成渗漏；强风化花岗岩与石英岩接触带部位也增加了渗漏的可能性。2002年，跌窝发生后，在右坝端坝后，大坝与基岩接触部附近新增一渗漏点。当库水位降至跌窝坝基附近高程（215.0m）以下时，渗水量也有所减少，但未消失，这说明坝基存在一定渗漏量。事实上，右坝段坝基内部及其与心墙接触面裂隙存在渗水通道已造成1983年、2002年坝右上游相继发生跌窝。有鉴如此，为了消除坝基隐患，对全坝段进行加固处理势在必行。（2）加固处理设计根据国内类似工程经验，坝基防渗加固采用帷幕灌浆方案。灌浆范围初定大坝全长，具体范围待施工时根据先导孔及检查孔压水试验定。灌浆孔沿坝轴线单排布置；灌浆孔距3.0m；钻孔深度以进入吸水率小于0.050.1L/mm.mm的基岩以下3.0m为准，初估按进入基岩46m计；灌浆段为坝体与坝基接触面（基面以上1.0m）及基岩。灌浆压力采用孔口压力表压力控制在0.05MPa0.15MPa。灌浆材料采用纯水泥浆，水泥标号为425#。本次灌浆采用三序孔，一序孔距为12m，二序孔距为6m，三序孔距为3m。一序孔兼做先导试验孔，在心墙段连续取样，判别薄弱带分布；在基岩段做压水试验，判别风化透水层分布。5.4.7 坝面整治大坝上游坝面设置有干砌石护坡，现场查勘发现干砌块石坡面凹凸不平，部分块石已风化严重。塌窝附近坡面也整体下陷。为改善大坝外观形象，本次加固需对部分坡面进行翻修。大坝下游坝脚靠近发电站排水体破坏严重，需对其按原断面翻修。5.4.8 观测设施完善大坝未设观测设施，本次加固将根据规范予以完善。增设1组测压管，共3根，本组测压管为观测坝身浸润线用。在坝后对应跌窝出水点建集水沟和小量水堰，监测加固后渗水量变化。重新设置上游水位尺，增设放水涵出口水位尺及溢洪道左侧墙沿程水位尺。5.5 溢洪道加固设计溢洪道在大坝右端，其由进口明渠、一级陡坡、一级消力池、泄流渠、二级陡坡、挑流坎组成。溢洪道现状纵横断面概化见附图5.51。溢洪道运行中存在的问题有：（1）平面布置不规整，致使水流折冲。（2）局部侧墙高度不足，泄洪时水流越过墙顶。（3）出口山体及其护砌冲刷损坏。5.5.1 溢洪道水力复核a）泄洪能力核算根据4.4.3节调洪计算，溢洪道相应1/500洪水标准时最大泄量717m3/s，最高水位230.29m。根据5.4.1节可见溢洪道泄洪能力能满足大坝防洪安全。b）消能防冲核算根据试算法求一级消力池底流消能各参数，以校核消力池长度及深度。根据分段求和法求进口明渠、泄水渠水面线，以此校核消力池前后水力衔接，并以此校核泄水渠段冲刷流速和侧墙高度。消力池底流消能有关参数见表5.51，缓坡泄水槽沿程水深及流速见表5.52。一级消力池底流消能参数表表5.51 洪水标准泄量(m3/s)跃前hc跃后hc水跃长度L(m)计算坎高(m)1/303920.715.1030.312.851/504870.815.9435.413.731/5007171.157.2742.245.12泄水渠沿程水深及流速表表5.52 洪水标准泄量（m3/s）水深及流速h4hchch71/30392h(m)2.010.715.104.11V(m/s)4.3914.682.266.361/50487h(m)2.260.815.944.75V(m/s)4.8515.992.416.841/500717h(m)3.01.157.276.15V(m/s)5.3816.582.907.77根据表5.51：三十年一遇工况下一级消力池计算长度LK=0.8L=24.2m，略大于实际长度21.4m；消力坎计算高度d=2.85m，大于实际高度2.0m。考虑溢洪道消能防冲可按二十年一遇标准，一级消力池能满足设计工况消能要求。根据表5.52：三十年一遇工况下工况下沿程最大流速14.68m/s，小于岩基抗冲流速。因此，溢洪道满足防冲要求。c）侧墙高度核算按1/500校核标准，考虑掺气水深及安全超高，推算侧墙高度见表5.53。从表中可见：泄水渠段侧墙高度不满足相应标准。泄水槽侧墙高度表表5.53 断面 不掺气h Vh墙高H现有墙高43.05.380.080.303.385.2467.22.900.080.307.584.7376.27.770.080.306.583.495.5.2 溢洪道加固a）加固总体方案溢洪道存在的问题及水力复核表明：溢洪道泄洪能力和消能防冲满足要求；但溢洪道平面布置不规整，致使水流折冲；局部侧墙高度不足，泄洪时水流越过墙顶；出口山体及其护砌冲刷损坏。因此，溢洪道加固主要是对存在问题的局部部位进行处理，达到既经济又安全除险的目的。b）加固措施溢洪道加固处理措施：（1）平面上进行修规切除进口明渠段右岸阻水的山包，平顺水流，渠底最小宽度按44.5m控制，使沿程各断面符合泄流计算采用的概化尺寸及模型。（2）左岸局部侧墙加高经过核算，泄水渠段左岸侧墙高度不足；据水库管理人员反映：通过较高水位泄洪时实测，现有左岸浆砌石侧墙局部高度也不足。为加强对左岸坝头的保护，本次加固拟对一级消力池后侧墙适当加高，根据侧墙高度复核，沿程侧墙需加高3.0m左右。（3）出口防护完善溢洪道出口正面为山凸，迫使水流左转廻冲，导致河道消力池挡墙多次坍塌。1983年、2000年对其进行浆砌石、钢筋砼防护，但局部范围防护高度不足。为加强对出口的防护，本次加固拟对右岸防护范围适当扩大，防护形式为在浆砌石档墙顶接做浆砌石护坡。5.6 东山岗加固设计5.6.1 现状及存在的问题东山岗长约110m，岗顶高程232.5234.0m；山体单薄，约坝体厚度2/3，山坡1:11:1.5。东山岗为花岗岩，局部夹有石英岩脉，本次Z6孔揭示其表层强风化达27m以上。根据施工回忆：东山岗内高涵全洞为半风化岩石；低涵除进出洞口部分半风化岩石外，其余均为新鲜岩石，但多处岩层裂隙渗漏严重。东山岗存在最大问题是：山体渗漏。根据管理人员反映：东山岗在大坝1971年水库蓄水后有一股渗流，库水位超过高程210m时明显。根据观测资料显示，东山岗渗水量有逐年增加趋势，特别在高水位情况下，渗水更加严重，最大渗水流量达72m3/h，按此计算，水库一年损失水量约为水库兴利库容的1/5，加之长时间的渗水极易诱发渗透破坏，从而导致山体的滑塌，危及大坝和坝下群众的安全。针对这种险情，曾在东山岗迎水坡浇筑砼防渗浆砌石墙，但效果不是很理想，后经各方面专家共同协商后决定对东山岗进行帷幕灌浆处理，因处理范围有限，未能根治险情。东山岗还存在另一个问题是：山坡风化，水土流失。5.6.2 历次加固情况1974年，为解决山体渗漏，在迎水面做三级浆砌石防渗墙，墙顶高程225m，此后渗漏情况好转；1983年，库水位超过227.8m，又出现渗漏情况，1987年，库水位超过227.2m，渗漏情况再现，1987年，在迎水面加做一级浆砌石防渗墙，墙顶高程228.87m，但未解决渗漏问题。1987年，为解决山坡水土流失，在背水面做干砌石护坡，但范围有限。1998年冬，为解决山体渗漏，对东山岗进行帷幕灌浆处理。根据东山岗渗水点分布情况，灌浆帷幕大体沿岗脊线呈带状布置，设计帷幕长度约110m，因经费有限，实际施灌26孔，帷幕长度约80m。本次灌浆共耗水泥12.25t。5.6.3 本次加固设计a）山体防渗设计（1）加固方案从近年的观测资料显示：东山岗帷幕灌浆发挥一定作用，总体渗水量明显减少，近坝帷幕段几乎不渗，出渗点向远坝段上移，分析原因应是帷幕长度偏短。此外，2002年10月份在东山岗补钻Z6孔在钻进过程中揭示到了1999年的灌浆水泥，而且Z6孔在钻进过程中回水正常，这也从另一个侧面说明了东山岗帷幕灌浆取得了一定的效果。总结1999年的灌浆经验及教训，本次加固仍采用帷幕灌浆。（2）灌浆设计帷幕总长度110m。拟采用一排孔，对已灌80m段，孔距6.0m；对未灌30m段，孔距3.0m。本次灌浆采用二序孔，一序帷幕孔孔距为6m，二序孔距为3m，帷幕底低于不透水层35m，选定帷幕底高程为202.0m，灌浆压力采用孔口压力表压力控制在0.05MPa0.15MPa。灌浆材料为水泥浆，灌浆段为全孔深度。b）山坡防护设计东山岗山体单薄，背水坡为全风化状态，水土流失严重，而1987年干砌石护坡范围有限。为加强防护，确保山体安全，拟在背水面继续实施浆砌石护坡。护坡为贴坡式，干砌石结构。护坡厚度0.30.5m，护坡与山体间填充碎石。护坡底高程210m215m，顶高程230m，坡度1:2。5.7 其它工程设计5.7.1 发电站厂房发电站厂房建于1978年，型式简陋，年久失修。现存在的问题是现浇屋面塌陷开裂，既影响运用，又危及安全。为确保电站安全运行