工程介绍：自溃坝枢纽平面布置与设计参数

7.1.1 概述

工程于1958年动工兴建,1979年基本建成。由于施工中坝基及坝头接触面清基不彻底、坝身填筑土料混杂且碾压不实、多期施工结合面未很好处理、正常与非常溢洪道未按设计完成等原因,水库蓄水后不久即先后暴露出坝后渗漏及沼泽、坝身多次塌陷及开裂、涵洞洞身断裂漏水、正常溢洪道冲刷水毁等险情,虽经多次加固处理,但受经费等因素的制约,采取的加固措施都是局部性的,未能彻底根治工程安全隐患,水库一直限制水位在高程37.00m以下运行,远不能发挥设计效益,并对下游造成巨大风险。

由于沙河集水库地理位置极其重要,下游保护滁州市、沙河集、乌衣3座重要城镇和全椒、来安、南谯、琅琊、江浦5个县(市)的圩区,人口30多万,农田30多万亩;京沪铁路紧邻坝脚,最近处距大坝仅约800m,104国道距坝下3.5km,312国道合宁高速公路距坝下25km,一旦溃坝,淹没总损失约为53亿元,尚未包括人员伤亡损失。为此,1996年1月,安徽省水利厅主持召开了“沙河集水库大坝安全鉴定会”,会议认为,沙河集水库大坝及泄、输水建筑物均存在严重病险,不能安全运行,应属三类坝,建议尽快立项,进行除险加固。

1997年4月,滁州市水利局以水计字(97)第80号文上报《安徽省沙河集水库除险加固工程可行性研究报告》至安徽省水利厅,水利厅初审后以皖水计字[1997]265号文《关于请求审批沙河集水库除险加固工程可行性研究报告的请示》上报至长江水利委员会。1998年4月,长江水利委员会以长汛[1998]20号文《关于请求审定沙河集水库除险加固工程可行性研究报告审查意见的请示》报水利部。1999年12月,安徽省水利厅以皖水规计[1999]635号文上报《关于转报沙河集水库除险加固工程可行性研究报告审查意见的函》至安徽省计委。2000年1月,安徽省计委以计设字[2000]37号文对沙河集水库除险加固工程初步设计进行了批复,核定枢纽除险加固工程总投资为4195.42万元,淹没处理补偿工程另行审批。

2000年5月,沙河集水库枢纽全面除险加固工程开始实施,到2002年12月,加固工程基本完工,并通过竣工验收。

7.1.2 枢纽布置

沙河集水库枢纽由拦河大坝、溢洪道、非常溢洪道、南涵、北涵、坝后一级电站等建筑物组成。枢纽平面布置见图7.1。

图7.1　沙河集水库枢纽平面布置图

图7.2　主坝典型横断面图(单位:　m)

拦河大坝原为碾压式均质土坝,自1958年10月至1974年5月,分5期填筑,达到现状轮廓,经多次加固处理后,现为粘土井柱心墙土坝。坝顶长720m、宽4.5m,坝顶高程44.50m,防浪墙顶高程45.60m,最大坝高26.5m。大坝典型断面如图7.2所示。

溢洪道与大坝左坝端一山相隔,由泄洪闸和泄洪渠组成,1976年建成。泄洪闸水流方向与大坝轴线约成40°角,由上游段、闸室、陡坡泄槽段及挑流鼻坎组成,全部建于风化岩基上。闸室段长度为16m,净宽为4孔×10m,底板高程为34.5m,钢丝网混凝土弧形闸门配卷扬式启闭机,门顶高程为41.0m。泄洪闸挑流鼻坎后为长约670m的泄洪渠,泄洪渠原为临时溢洪道经多年泄洪冲刷辅以人工开挖形成,河槽底及边坡为土或风化岩石。

非常溢洪道紧邻溢洪道左侧,由人工开挖形成,采用自溃坝控制泄洪。自溃坝为粘土厚斜墙砂壳坝,顶高程为42.70m,底高程为39.50m,启用标准为1000年一遇洪水位推迟1h溃坝。非常溢洪道下泄水流在溢洪道0+070～0+300桩号左岸汇入泄洪渠。

南涵洞位于右坝头桩号0+680处,1973年冬开工,1974年4月建成,为坝下埋管,单孔矩形断面。原断面为2.5m×3.3m,箱形圬工结构,无压涵,设计流量11.74m3/s,实际流量14.09m3/s,全长82.6m,涵洞底板高程29.0m。除险加固在洞内壁新浇25cm钢筋混凝土,断面尺寸缩小为2.0m×2.8m,并由无压涵变为有压涵。

北涵位于大坝左侧桩号0+050处,为坝下埋管。原设计为灌溉兼发电涵洞,单孔马蹄形圬工结构,断面尺寸为2m×2m,设计流量为4m3/s。由于灌区面积的调整,现北涵仅用来向滁州化纤厂供水,供水流量为1.0m3/s。

坝后一级电站为本次除险加固增设,引水方式为有压管道,即从南涵洞引水,利用涵洞灌溉水和汛期弃水进行发电,电站装机为160k W+250k W。

7.1.3 除险加固前的工程安全状况

7.1.3.1 大坝

(1)大坝下游坡局部失稳,汛期多次发生局部滑动、塌陷及裂缝。

(2)右坝头与山坡接触面没有很好地处理,绕坝渗漏依然存在。

(3)坝基的粘土截水槽仅做了老河槽段(0+580～0+670),两端存在绕渗隐患。根据1995年实测的大坝上游水下地形图,0+500为施工导流沟中心线,沟底高程约为19.0m,属于第Ⅴ层粉质粘土砂层。0+450的天然铺盖可能遭到破坏。该层土透水性较强,且紧临下层强透水的砂砾石层,在坝基中可能形成漏水通道。

(4)坝身粘土井柱心墙没有全坝段封闭,心墙右端及右坝头与山坡接头处,存在渗漏隐患;未做心墙的0+580以左、高程31.3m以上,渗透系数约为10-2～10-4 cm/s,坝体浸润线较高,渗流从背水坡逸出,危及坝坡安全;南涵附近南Ⅲ—3号废井及24号井底部浇筑的混凝土是坝身防渗的薄弱部位。

(5)坝顶为干铺块石路基泥结碎石路面,雨后易造成积水下渗,影响下游坝坡局部稳定。现有浆砌块石防浪墙作为坝顶超高的一部分,断面单薄,多处发生断裂,不满足稳定、坚固、不透水的结构要求。

(6)上游干砌块石护坡质量差,在水位变幅区高程34.5～37.5m范围内,垫层流失,护坡松动塌陷,损坏严重。

(7)现有大坝安全监测设施极不完善,难以准确和实时监测大坝的运行状态,不符合大型水库安全运行管理的需要;右坝头山坡滑坡体未采取任何监测手段,对大坝安全运行不利。

7.1.3.2 南涵洞

(1)洞身砌筑质量差,历次检查均发现洞身存在多处渗漏,虽多次处理,问题仍然存在。

(2)涵洞地基为坝身填筑土,土料混杂,碾压不实,厚度不均,使洞身产生不均匀沉降,并造成洞身出现环向裂缝,采用砂浆进行封堵后又裂开,并继续发展。

(3)洞身周围回填土冬季施工,碾压不密实,进口段侧墙铺盖不封闭,洞身无截水环,坝身和涵洞之间存在接触渗漏。

(4)闸门后沉降缝止水橡皮撕裂,当上游水位为37.0m、洞内无水时,沉降缝处平均渗透坡降为0.5,超过土体的允许渗透坡降0.25,使缝后填土产生渗透破坏。虽对止水进行过维修,但未对洞外填土进行加固。

7.1.3.3 溢洪道

(1)泄洪闸上游圆弧翼墙的墙顶及墙后填土高度不够,高水位时进口流态较差;闸门漏水严重,启闭设备陈旧;简易启闭室年久失修,损坏严重,桥头堡开裂倾斜;下游陡坡裂缝纵横交错,难以承受高速水流冲刷。

(2)消能不完善,影响挑流鼻坎安全。仅有闸后一级挑流消能,无法消除其下游近10m的沿程落差能量。根据理论计算和水工模型试验,在下泄校核流量(1450m3/s)时,一级挑流消力坑水位淹没鼻坎,形成不了挑流流态,消能效果很差。在建成后几十年的小流量运行情况下,鼻坎下形成的冲刷坑最低高程低于鼻坎齿脚1.5m,继续发展将影响鼻坎安全。

(3)泄洪渠未做防冲工程,沿程冲刷水毁严重。由于挑流消能效果较差,加上沿程落差能量及弯道水流折冲影响,泄洪渠沿程均受到严重冲刷。两岸土质边坡多次发生滑坡塌陷,岩坡陡立,局部陡立面高度为8～10m,左岸鱼场30多亩鱼池水毁,并还在继续发展,右岸防洪堤堤身破坏,0+550～0+600段多次决口,如进一步发展,防洪堤溃决,水流将冲刷坝脚,危及大坝安全。

7.1.3.4 非常溢洪道

(1)自溃坝未完建,小频率洪水即漫溢,泄洪机会较多,水库无法按设计标准运行。

(2)进出口段石方未完成,与泄洪闸之间的导流堤未建。

(3)下泄洪水从溢洪道泄洪渠左岸0+070～0+300汇入,造成对岸水面壅高漫溢,很可能导致防洪堤溃决,水流直冲坝脚,危及大坝安全。

7.1.3.5 北涵洞

钢筋混凝土闸门碳化严重,铁附件锈蚀,止水橡皮老化。

7.1.4 除险加固工程(www.xing528.com)

根据大坝安全鉴定结论意见,自2000年5月开始对沙河集水库大坝进行了比较全面的除险加固。

7.1.4.1 大坝加固

(1)坝基防渗处理。坝基防渗处理范围为0+400～0+596、0+660至南涵洞左壁段的坝基砂砾石层,采用高压喷射水泥灌浆方案,伸入基岩0.5m。

(2)右坝头阻绕渗处理。

1)0+670～0+698段。坝身已做粘土井柱防渗心墙,坝基采用高压喷射水泥灌浆帷幕处理,帷幕底部用高压旋喷伸入风化石至基岩面,顶部也用高压旋喷伸入已做的粘土井柱心墙底部1.0～2.0m。

2)0+698～0+720坝段。自坝顶至基岩面全部采用高压水泥灌浆处理,左端与原有粘土井柱心墙形成封闭。

3)右坝头山坡岩体。设计采用水泥灌浆防渗帷幕,范围自0+698～0+720再向右延伸至岸坡相对不透水层与正常高水位(42.50m)的相交点,相对不透水层以单位透水率q＜3Lu控制。由于经费等原因,该防渗加固措施未实施。

(3)坝身防渗处理。采用粘土套井心墙(冲抓锥成孔)加固方案。0+580～0+180坝段采用双排粘土套井井注。套井直径1.5m,双排井圆心距1.2m,两排之间错开布置,心墙有效厚度2.10m,底高程30.0m,未设过渡层。

(4)坝身结构加固。

1)坝顶。对原有防浪墙浆砌块石结构进行加固,将断裂损坏段墙体拆除,重建50cm厚浆砌块石墙,其余墙段在迎、背水面用水泥砂浆粉刷,墙顶现浇200mm混凝土压顶。坝顶将原干铺块石结构路面拆除,重新做30cm厚灰土路基、15cm厚水泥混凝土路面,向上游倾斜坡度为3%,下游坝肩做浆砌石肩墙,坝顶高程采用平保坝水位44.5m。

2)上游坡。水位变幅区(34.5～37.5m)块石护坡翻修增做垫层,其他损坏部位局部翻修。根据计算,护坡块石单块最小重力为400N,容量为25.5k N/m3,护坡厚度为30cm。

3)下游坡。下游坡抗震平台以上表层2m以内软弱土体挖除,按设计要求重新回填夯实。高程32.4m公路以上采用草皮护坡,以下至抗震平台顶采用预制混凝土块护坡,并在下游坡设置纵横向排水沟。

(5)大坝安全监测。

按照SL60—94《土石坝安全监测技术规范》要求,对现有大坝安全监测设施进行更新改造。增设大坝表面变形观测;以钢弦式孔隙水压力计代替原测压管进行坝体、坝基渗流压力观测,并保留部分测压管作为对比观测;在右坝头山体滑坡体设置变形观测点;对库水位、降雨量、气温、气压等环境量进行观测,并建立了包括渗流及环境量监测的自动化观测系统,大大提高了沙河集水库的大坝安全管理水平。

7.1.4.2 南涵及北涵加固

(1)南涵。

1)进口段。对侧墙、顶板、底板用C25喷射混凝土封闭,混凝土厚度为10cm,喷射长度从进口到竖井约为18.0m。喷射前,先凿除原混凝土表面2～3cm,喷射2.0cm M15砂浆,再喷射混凝土,喷射后表面用M15砂浆粉平,分缝止水采用橡皮止水。

2)洞身段。在洞内壁新浇25cm厚钢筋混凝土,底板和两侧采用现浇混凝土,顶板采用喷射混凝土。施工时先把两侧浆砌块石表面及原勾缝砂浆剔除凿毛,锚固钢筋为φ12@600×600,深入原洞壁长度60cm,方格型布置。涵洞顶、底板先凿除10mm原混凝土,扎好钢筋网,喷射混凝土前先喷10mm M10砂浆结合层,锚固钢筋为φ12@450×450,锚入洞壁30cm,方格型布置。

3)环向止水。将原有的环向裂缝和伸缩缝做成永久缝,缝内设紫铜片止水,紫铜片厚2.0mm,缝外贴环氧玻璃丝布,宽度20.0cm。

4)启闭房及闸门。原有启闭房42.5m以上拆除重建,主闸门更换为铸铁闸门,检修闸门重新浇筑钢筋混凝土闸门。

(2)北涵。将主闸门更换为止水效果较好的PGZ—30型1.0m×1.0m铸铁闸门,配LQ—12启闭机,闸门底坎高程为29.1m。主井内上游侧设钢筋混凝土检修闸门,闸门尺寸为1.0m×1.0m,配LQ—10启闭机。采用钢筋混凝土板将原安装小水电机组的竖井洞口封堵。启闭机房重建,并在启闭机房上建供游人休息的凉亭。下游出口用预制混凝土块进行护砌。

7.1.4.3 正常溢洪道加固

(1)泄洪闸加固。

1)上游圆弧翼墙。为改善泄洪时闸前水流流态,上游圆弧翼墙墙顶高程按校核洪水位加超高,取43.50m,采用直墙加高,墙后每3～4m建一道支撑在原墙扶壁上的墩墙,浆砌块石结构,直墙上预留足够面积的排水洞口以保证墙前后水位相平。

2)上游铺盖。现有上游铺盖混凝土多处开裂,将表面打毛浇150mm厚钢筋混凝土面层,并做好分缝止水。

3)启闭室。将现有简易启闭房顶拆除,重新现浇钢筋混凝土屋面,更新门窗,做内外装饰。

4)闸后陡坡及反弧段。陡坡反弧段表面凿除50mm,现浇150mm钢筋网混凝土面层,用锚筋与岩基锚固,分块设变形缝,并做好止水。

5)闸室陡坡排水系统。泄洪闸岩基风化破碎严重,原布置在陡坡底板及墙后的纵横向排水暗沟和排水口、检查井部分已淤塞,采取注水检查、检修井清淤等措施恢复排水系统的功能。

6)挑流鼻坎两侧一字墙、通气槽。挑流鼻坎两侧开挖长6m的通气槽,保证挑流水舌下从侧向补气;为防止冲坑回流淘刷,在鼻坎两侧垂直水流方向建10m长一字墙,墙底高程同挑流鼻坎齿底高程(23.5m)。

7)机电设备。更新4台卷扬式启闭机齿轮变速箱;更新动力线配电柜,设低压配电屏3块(总屏1块,分屏2块),动力线三路进线,一路出线;更换8根钢丝绳;更换闸门止水橡皮、铁附件;配一副检修钢闸门及启吊设备;增设备用50k W发电机组作为汛期备用电源。

(2)消能。

1)一级消能工。保留现有挑流鼻坎,按1977年加固设计完成挑流鼻坎下通气槽及两岸一字墙,保证水舌侧向通气,防止侧向回流淘刷鼻坎两岸;预挖挑流消力坑;降低消力坑后渠底高程。消力坑尺寸为宽57m、长46m、底高程20.50m;消力坑后渠底高程由现26.0m降低至23.50m。

2)二级消能工。在0+340处建钢筋混凝土溢流堰,堰顶高程21.00m,堰后1∶2陡坡接底流式消力池,采用USBRⅢ型消力池,池底高程15.50m,池长20m;钢筋混凝土底板,浆砌块石边墙。池后接40m长海漫段,25m长浆砌块石护砌,15m长干砌块石护砌,末端设干抛块石防冲槽。

(3)防冲护砌。

1)一、二级消能工之间泄洪渠防冲护砌。泄洪渠设计底坡,一级挑流冲坑后渠底高程以不影响一级挑流为条件,且开挖量最小确定为23.5m,至0+160为平底坡。0+160～0+340结合现有地形取平均纵坡1.39%,从计算及模型试验结果看,各级流量的水流流速均大于岩石的抗冲流速,须对该段进行防冲护砌。经论证比较,采用半护砌方案,即仅对岩面高程较低、冲刷较严重及有保护对象(防洪堤和管理房)的右岸及渠底右侧局部进行护砌,局部护底采用混凝土框格浆砌块石,右侧采用浆砌石重力墙。

2)二级消力池后至泄洪渠出口段加固。二级消力池下游泄洪渠主要工程是对渠道裁弯取直,采用梯形断面明渠,渠底宽由60m渐扩至80m。切除左岸0+510～0+630段、右岸0+610～0+670段凸起部位的土方,使下游水流顺直,右岸防洪导流堤按500年一遇洪水位加1.5m超高,将不足部分以土方补齐。泄洪渠右岸坡从防冲槽用0.4m厚浆砌块石护坡与1992年已做的护砌部分连接。

(4)安全监测。在每个闸墩和边墩顶面的上、下游端各设一个变形标点,采用普通水准法和视准线法观测沉降和横向水平位移,共计10个点,另设工作基点4个,校核基点4个。在闸底板布置3个扬压力观测断面,每个断面3个测孔,共计9个孔隙水压力计,分别布置在竖向排水孔上、下游侧及底板尾部,以观测排水孔及纵、横向排水沟的排水减压效果及整个闸底板的扬压力分布。为控制闸门的泄流量,对闸门开启度、库水位、泄洪流量等参数进行计算机自动监测、控制,观测房设于泄洪闸控制室内。

7.1.4.4 非常溢洪道加固

非常溢洪道加固主要工程包括上游引河段拓宽和新建自溃坝两部分。

(1)上游引河段拓宽。由于非常溢洪道紧靠泄洪闸左边墩,上游引河应满足泄洪闸与非常溢洪道同时泄洪的要求,而上游引河两侧有山嘴卡口,卡口的宽度小于泄洪闸和非常溢洪道的宽度之和,势必影响泄洪流量。本次加固将上游左岸山嘴切除,最大开挖宽度约50m。

(2)自溃坝。自溃坝的坝顶高程采用平千年一遇洪水位42.7m,坝顶宽2m,坝高3.2m,上游坡为1∶1.5,下游坡粘性土为1∶1.5、砂性土为1∶2,下游坝脚用碎石保护,以免渗水带走砂粒。上游考虑采用预制混凝土块护坡,下游为草皮护坡。