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