1、薛家营水库大坝除险加固方案设计安静华(水利部山西水利水电勘测设计研究院 太原 030024) 摘要：薛家营水库除险加固工程垂直防渗设计采用了国内较先进的切槽铺膜法，该方法具有成墙质量高、成本低、施工简便、工效高、墙体变形适应性强等优点，但该方法在我国起步较晚，山西省属首例。根据薛家营水库大坝坝体材料及坝基地质情况特别适合该方法。文中对水库的基本情况、存在的问题以及采取的措施进行阐述和分析。关键词： 除险加固 坝基垂直防渗 切槽铺膜法 薛家营水库中图分类号：TV697 文献标识码：B1 工程概况薛家营水库位于大同盆地朔州市应县城西北 13km 处黄花梁脚下，西依黄花岭，北靠左云砂河公路，南部与东
2、部为桑干河所环绕，是海河流域永定河水系桑干河上游的一座中型旁引水库。薛家营水库由桑干河引水，是应县粮食主要产区臧寨乡的唯一水源，是一座以农业灌溉为主，兼有养鱼、旅游等综合效益的中型水库。水库始建于 1971 年，1974 年开始受益。薛家营水库枢纽工程由大坝、南、北放水洞、引水渠、进库扬水站四部分组成。原设计正常水位 1 005.0m，最大库容 1 200 万 m3，有效库容 1 000 万 m3，最大蓄水面积 3.1km2，设计灌溉面积 0.33 万 hm2，控制流域面积 21.62km2，为黄土丘陵沟壑区，植被较差。 薛家营水库大坝为均质碾压土坝，大坝全长 5 322m，其中主坝全长 1
3、600m，副坝分东、南、西三段,东副坝 1 835m，南副坝 980m，西副坝 907m，首尾相接，总长 3 722m。坝顶宽 4.0m，坝顶高程 1 006.5m，主坝最大坝高 10.7m，副坝最大坝高 7.5m，主坝上游坝坡在高程 1 002.0m 以上为1:2.5，以下为 1:3.0，干砌石护坡；下游坝坡为 1:2.5，草皮护坡， 999.0m 高程以下为贴坡排水工程。主坝坝基上游距坝轴线 1.5m 筑有黏土截渗槽一道，槽深 1.8m，槽底宽 2.0m，长 200m。副坝上游边坡为 1:2.5，干砌石护坡，下游边坡 1:2.0，草皮护坡。北放水洞（灌区北干渠首）位于主坝 1+200m 处
4、。闸室为混凝土结构，后接半圆拱型无压洞，长 15.0m，洞身断面尺寸为 2m3m。闸室设 2.0m2.0m 平板钢闸门，最大泄量 20m3/s。南放水洞（灌区南干渠渠首）位于东副坝南端，闸室为混凝土结构，后接浆砌石半圆拱城门洞型无压洞，洞身段长 14.5m，洞身断面尺寸为 1m1.5m。设 1.0m1.0m 矩形闸一孔（现已破坏） ，最大泄量5.0m3/s。薛家营水库引水工程原设计采用接长引水渠（原民生渠） （又称桑北干渠）放水蓄库，设计流量 6.0m3/s。近年来，由于上游工业用水增加，引水渠引水量减少，故于 1995 年兴建了水库进库扬水站，从桑干河提水作为水库第二（补充）水源。薛家营水库
5、的主要效益为：（1）灌溉效益。薛家营水库是灌区的主要供水水源，灌区主要受益范围包括臧寨乡除水磨村以外的 15 个村，1.72 万人。设计灌溉面积 0.33 万 hm2， “三查三定”时核定为有效灌溉面积 0.22 万 hm2。由于存在安全隐患，水库不能高水位运行，实际灌溉面积仅为 0.147 万 hm2。 （2）防洪效益。水库下游防洪保护范围区域内有：左砂国防公路、应怀公路，距水库 12km 处有国防飞机场，通往京津 500kV 超高压线路，应县臧寨乡及怀仁亲和乡 18 个自然村、4 万人、0.547 万 hm2耕地。此外还有通讯光缆等设施。2 水库存在的问题薛家营水库工程兴建于文化大革命时期
6、，未作充分的前期工作，为典型的“三无”工程；同时采取了群众会战的方式，边建设、边蓄水、边受益，因此属“三边”工程。从建库以来存在许多质量问题，主要包括：（1）坝体质量差。坝体的填土密实度过低，探坑取样干密度的算术平均值为 14.73kN/m3，大多数达不到设计要求。特别是东副坝，半数以上试样小于 14.0 kN/m3，试样最低值甚至为 12.1 kN/m3，同松土无异。（2）坝基渗漏严重。大坝坝基的 200m 截水槽徒具形式，并未截断主要渗漏层，坝基渗漏量占水库总渗漏量的 95%以上，主要渗漏通道为坝基松散覆盖层中的中细砂层。（3）坝基坝体渗透稳定问题。由于坝基存在较强透水层，渗漏严重，坝后已
7、经存在管涌现象；坝体土填筑质量差，在长时间高水位蓄水的情况下，极易引起坝体管涌和下游坝坡滑塌，影响坝体安全。 （4）护坡局部损坏。大坝上游干砌石护坡的砂石垫层普遍粒径较大，厚度不够，甚至为零。砌石护坡因冲蚀形成了大面积塌陷；下游坝坡形成了许多冲沟。（5）闸门损坏。（6）民生渠阻断。民生渠接长段已局部阻断，造成目前薛家营水库进库扬水站成为水库的唯一水源。（7）扬水站水泵磨损。根据现场调查发现，水库扬水站四台混流泵泵壳磨损严重，仅靠现场管理人员打补丁维持运行。扬水站主变压器为非节能淘汰产品。3 除险加固面对的主要问题薛家营水库工程属典型的“三边工程” （边设计、边勘察、边施工）,施工时对坝址处地质
8、条件没有查清的情况下匆忙上马。前期勘察工作欠缺，原设计防渗采用黏土截渗槽加淤积铺盖方案未充分论证，且实际施工时仅在主坝部分地段设了截渗槽，槽深 1.8m，并没有隔断坝基渗漏层。由于为旁引水库，没有通过运用形成淤积铺盖的条件，也没有采取其他措施来控制渗流和渗透变形。水库建成蓄水后，坝基渗漏量一直较大。根据大坝安全鉴定结果，在主坝、南副坝段存在坝基渗漏和渗透稳定（管涌）问题。渗漏通道为坝基松散覆盖层中的粉细砂层。至于坝体填筑质量差的问题，其严重程度如前所述。薛家营水库建成运行 30 多年，大坝密实度如此低，自然压密作用有限，与其大坝体量小有关。而由于大坝体量较小，可供选择的人工加密方法也不多。在大
9、坝本身不存在整体稳定问题的情况下，着眼于采取防渗措施对大坝进行加固可能更为经济有效。促使上述方案提出的另一个因素，就是水库现状坝坡由于变形而导致上游干砌石护坡形成大面积塌陷，存在多处塌坑和裂缝，下游坡面发生多处冲沟。从降低风险、消除隐患和库区美化以及节省后期投资几方面考虑，大坝防渗结合坝坡处理，同时解决坝体渗漏问题和坝坡翻修，既是需要的、也是较经济合理的。4 综合处理措施的提出基于上述分析，本次设计所面对的“大坝加固”和“主坝、南副坝坝体、坝基防渗”这两个主要问题，可通过采取综合防渗措施同时得到解决。综合防渗措施分为两个区段实施：主坝、南副坝进行坝体、坝基防渗，同时进行上游坝坡翻修，重点在坝基
10、防渗处理；东副坝只进行坝基防渗，同时进行上游坝坡翻修。综合防渗措施的坝体和坝基，分别采取以下两种处理方式：坝体采用上游坝坡坡面铺膜防渗；坝基采用垂直防渗。大坝加固措施详见图 15 垂直防渗方式比较大坝填筑土由库内地表土直接上坝， ，坝体土结构较松散，土质不均匀，干密度较低，坝体渗透系数平均值达到 10-4cm/s，为中等透水性，坝体质量差。主坝坝基为上更新统洪冲积低液限粉土和粉细砂，部分坝段粉细砂直接与坝体接触，粉细砂结构松散，为坝基渗漏层位；南副坝坝基上更新统洪冲积粉细砂结构松散，为中等透水性，而且在坝基连续分布，库水可通过该层向坝后东南方向渗流，构成坝基渗漏通道，坝基均存在渗漏及渗透稳定问
11、题。基于上述地质情况，坝基垂直防渗就塑性混凝土防渗墙、深层搅拌法和切槽铺塑膜几种方式进行比较。方案比较具体情况见表 1。表 1 垂直防渗方案比较表序号 项目 塑性砼防渗墙 深层搅拌法 切槽铺膜1 墙厚/（mm） 220600 130300 400（膜厚0.30.5）2 墙深/（m） 1430 1318 10253 施工方法 开槽浇混凝土成墙 非明挖，水泥浆和原土搅拌成墙 开槽铺塑料膜4 成墙效果 厚度均匀连续 施工中的套接墙体间接缝有可能开叉问题 厚度均匀连续5 适应性 适应各类地层适于处理淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力标准值不大于 120KPa 的黏性土等地基。适用于砂砾石层、
12、沙土、黏土层，含有少量大粒径砂礓石或树根的复杂土层也可适用。6 工程材料及用量 水泥100280kg/m 2 水泥 3060kg/m 2 铺塑料膜7 工效/（m 2/台班） 80 100 1008 造价/（元/ m 2） 180200 120170 601509 变形性能塑性混凝土同普通混凝土相比大大减少了和地基土的变形差异，但不可能完全消除其差异，同地基土的力学性能差异仍然较大深层搅拌桩施工完成后，不允许在其附近随意堆放重物，防止桩体变形；运行中防渗体承受渗透水压力开槽铺土工膜并回填黏土成防渗层同原地基土融为一体，变形一致，所以适应变形能力强综上所述，切槽法与塑性砼防渗墙、深层搅拌法相比，具
13、有成墙质量可靠、成本低、施工简便以及工效高、墙体变形适应性强等优点，而且已有成功的类似工程实例。而深层搅拌法虽然也具有相近的优点，但由于施工中的套接墙体间有接缝和可能开叉等问题，施工质量保证率低于切槽法，且深层搅拌法目前在国内尚无施工深度超过 20m 的工程实例，因此，本工程垂直防渗采用切槽铺膜方案。切槽法在我国有众多的成功应用实例，如江西省竹坑水库大坝防渗、陕西省观音河水库大坝防渗加固等，是一项成熟的施工技术。6 综合防治措施的选定针对薛家营水库坝体、坝基渗漏问题，设计采用坝基垂直防渗与坝体上游坡坡面防渗相结合的形式对主坝和南副坝进行防渗处理，防渗材料为复合土工膜。坝基防渗推荐采用国内成熟的
14、垂直开槽铺膜技术（切槽法） ，沿坝体上游坡脚用开槽机垂直成槽，槽宽 40cm，然后铺设土工膜并用黏性土回填，防渗深度从大坝上游坝脚处至坝基相对不透水层，最大槽深 18.5cm。这样使薛家营水库渗漏问题得到比较彻底的解决。作者简介：安静华，女，1966 年生，1989 年毕业于太原理工大学农田水利工程专业，高级工程师。收稿日期：2008-07-28On Plan Design for Danger-removing and Dam-consolidating of Xuejiaying ReservoirAN Jing-huaAbstract: In the vertical seepage p
15、revention of danger-removing and dam-consolidating works of Xuejiaying Reservoir,the more advanced technique,channel-cutting and membrane-placing method is adopted. This method has such advantages including high quality of constructed wall,lower cost of project,simple and convenient construction,hig
16、h works effect and strong ability to suit the deformation. But this method got off to a late start in China. Using this method is the first example in Shanxi. The dam body meterials and geological situation indicate that this method is especially suitable for this rewervoir. In the article,the reservoirs basic situation,the existing problems and the adopted technical measure are stated and analyzed.Key words: danger-removing and dam-consolidating vertical seepage prevention in dam base channel-cutting and membrane-placing method Xuejiaying Reservoir
