樓建平

(義烏市長堰水庫管理處，浙江 義烏 322000)

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義烏市楓坑水庫除險加固工程主要方案比選

樓建平

(義烏市長堰水庫管理處，浙江 義烏 322000)

義烏楓坑水庫建成運行已經(jīng)30余年，2004年5月經(jīng)水庫大壩安全鑒定確定楓坑水庫大壩為三類壩，必須對大壩進(jìn)行除險加固處理。在除險加固工程設(shè)計中，主要對工程正常蓄水位、加固加高方案等進(jìn)行比較，最后選擇了挖除全部的老壩，新建鋼筋混凝土面板堆石壩的方案。通過工程的順利實施，可以說明楓坑水庫在正常蓄水位和壩型的選擇上都是比較合理的，達(dá)到了除險加固的目的，既排除了工程險情又充分利用了有限的水資源，發(fā)揮了很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

加固；方案比選；楓坑水庫

1 工程概況

楓坑水庫位于東陽江水系—吳溪(大田溪)上游的支流楓坑溪上，地屬義烏市赤岸鎮(zhèn)。壩址位于張?zhí)镱泊迳嫌渭s200 m處，距義烏市城區(qū)25 km，距赤岸鎮(zhèn)8 km。楓坑水庫是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、發(fā)電等綜合利用的小(1)型水利工程，建成于20世紀(jì)70年代。

壩址以上集水面積17 km2，多年平均入庫水量1 383萬m3。原有大壩為黏土心墻壩，按50 a一遇洪水設(shè)計，500 a一遇洪水校核。水庫壩高33.05 m，總庫容286萬m3，正常庫容229萬m3，灌溉面積300 hm2(4 500畝)，壩后設(shè)有二級電站，總裝機容量為280 kW。

2 工程鑒定和病險情況

楓坑水庫建成運行已經(jīng)30余年，目前大壩、溢洪道均存在安全隱患。2004年5月經(jīng)水庫大壩安全鑒定確定楓坑水庫大壩為三類壩，必須對大壩進(jìn)行除險加固處理。

存在的主要問題：①大壩壩體填筑質(zhì)量較差，心墻土壓實度和滲透系數(shù)不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；②大壩壩基以及兩岸壩肩存在滲漏問題；③壩內(nèi)涵管存在漏水現(xiàn)象，并有紅色絮狀物流出，存在安全隱患；④大壩護(hù)坡塊石風(fēng)化嚴(yán)重，背水坡部分已出現(xiàn)凹陷、坍塌；⑤大壩原有的14個沉降、位移觀測點，大都已荒廢、破壞，壩體沒有測壓管、滲流量觀測設(shè)施；⑥大壩存在白蟻侵害現(xiàn)象；⑦溢洪道溢流側(cè)堰有多處漏水；⑧水庫沒有完善的管理機構(gòu)。

3 除險的必要性和效益

楓坑水庫壩址控制集水面積17 km2，除險加固考慮7.7 km2引水，因此水庫庫容太小，水庫棄水較多，造成水資源嚴(yán)重浪費。而義烏水資源缺乏，位于楓坑水庫下游的赤岸鎮(zhèn)和佛堂鎮(zhèn)，近年來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)用水需求日益增大，為達(dá)到“充分開發(fā)利用水資源，并解決下游赤岸鎮(zhèn)、佛堂鎮(zhèn)的城鎮(zhèn)生產(chǎn)、生活用水”的目標(biāo)，對水庫進(jìn)行除險加固、并結(jié)合擴(kuò)大庫容是非常必要的。

楓坑水庫除險加固后，大壩壩高增加到68.30 m，水庫正常庫容擴(kuò)建為1 501萬m3，總庫容1 643萬m3，水庫功能調(diào)整為以供水、灌溉為主，結(jié)合防洪、發(fā)電等綜合利用；設(shè)計年可供水1 196萬m3，灌溉面積300 hm2(4 500畝)， 社會效益明顯，經(jīng)濟(jì)效益良好。

4 正常蓄水位選擇

楓坑水庫的徑流過程由壩址入庫徑流和引水流量兩者疊加計算求得，楓坑水庫多年平均入庫水量1 779萬m3，其中水庫來水1 383萬m3，周邊支流引水396萬m3。

考慮入庫水量、引水量、庫區(qū)淹沒、遷移人口等因素，分別選取正常蓄水位182.00，184.00，186.00和188.00 m 四個方案進(jìn)行比選。各方案選用1963—2003年共41 a的長系列逐日入庫徑流過程進(jìn)行水量平衡計算，求得各方案的年供水量指標(biāo)。

供水效益按單方水效益2.0元/m3計(供水效益按綜合水價計，據(jù)資料分析得義烏市萬元產(chǎn)值耗水量為30 m3/萬元，工業(yè)產(chǎn)值利稅率為10%，供水工程效益分?jǐn)傁禂?shù)為15%。城鎮(zhèn)供水建設(shè)包括水源建設(shè)和水廠、管網(wǎng)建設(shè)，其供水效益應(yīng)按相應(yīng)工程設(shè)施費用占總費用的比例進(jìn)行分?jǐn)?。?guī)劃的楓坑水庫除險加固工程為水源工程，按0.4的系數(shù)進(jìn)行效益分?jǐn)?，則單方水產(chǎn)生的效益為2.0元/m3)。根據(jù)方案之間的差額投資、差額效益及差額投資經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價，各方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

由表1可以看出，方案1、2、3、4之間的興利庫容逐步增加，年供水量也逐步增加，但差額年供水量呈逐步減少趨勢，差額興利庫容的有效供水利用率方案2與方案1、方案3與方案2之間分別為0.50、0.33，而方案4與方案3之間為0.18，說明方案4比方案3增加庫容的供水利用率不高，因此從水量利用角度看，可在方案2、3之間選擇。

從差額投資經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率看，方案2與方案1、方案3與方案2的差額投資經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率分別為21.09%、12.26%，大于社會折現(xiàn)率10.00%；方案4與方案3的差額投資經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率為4.37%，小于社會折現(xiàn)率10.00%。

考慮到義烏市屬水資源緊缺地區(qū)，境內(nèi)可開發(fā)水資源量有限，為充分利用有限的水資源，綜合考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等各種因素后，最終選擇方案3，即正常蓄水位186.00 m，正常庫容1 501萬m3為最優(yōu)。

表1 正常蓄水位方案比較表

注：表中差額為后方案減前方案的差值。

5 大壩除險加固加高方案比較選擇

壩址位于張?zhí)镱补瓤冢瑑砂渡椒甯叱淘?00.00～250.00 m，左岸坡度25°～30°，右岸坡度30°～40°，河谷寬度300 m，河床覆蓋層主要為砂礫石，厚度3.00～5.00 m，下部基巖為熔結(jié)凝灰?guī)r，下游河谷豁然開闊，兩岸山坡高程逐漸降低，上游左岸有1條切割較深的沖溝。如果單純采用原有大壩上游側(cè)加高培厚，壩體填筑方量受左岸沖溝影響將明顯增加；如果僅采用原有大壩下游側(cè)加高培厚，兩壩端山坡低于設(shè)計壩頂高程，壩體填筑方量亦顯著增加。方案比較選用原有大壩壩頂加高、兩側(cè)培厚方式。

壩址附近塊石料場儲量豐富，黏土料儲量較少。

現(xiàn)結(jié)合壩址區(qū)地形、地質(zhì)條件、施工條件、當(dāng)?shù)亟ㄖ牧锨闆r及地質(zhì)勘探工作，對鋼筋混凝土面板堆石壩、土工膜面板堆石壩、混凝土防滲墻結(jié)合土工膜心墻堆石壩、混凝土防滲墻結(jié)合黏土心墻堆石壩、混凝土防滲墻結(jié)合混凝土面板堆石壩方案作比選，以求選取最優(yōu)實施方案。

5.1 方案1—鋼筋混凝土面板堆石壩方案

大壩按100 a一遇洪水設(shè)計，1 000 a一遇洪水校核。水庫正常蓄水位186.00 m，設(shè)計洪水位187.85 m，校核洪水位188.24 m。壩頂高程189.30 m，防浪墻頂高程190.50 m，趾板最低建基面高程121.00 m，最大壩高68.30 m，壩頂長度297.70 m，壩頂寬度6.00 m，上下游壩坡均為1∶1.3。

原有大壩為黏土心墻壩，心墻上下游側(cè)為含礫砂粉質(zhì)黏土，含礫砂黏土、黏土質(zhì)礫砂等，黏粒含量12.7%～29.5%；上游壩殼為含泥砂礫石、含碎石粉質(zhì)黏土等；下游排水棱體為碎塊石。河床段壩基有3～5 m厚砂礫卵石層。堆石壩如果在保留原有大壩基礎(chǔ)上加高，壩高由33.05 m增加到68.30 m，增幅為35.25 m，大壩壩體將會產(chǎn)生明顯的沉降變形，從而危及上游防滲面板的安全。所以在選用鋼筋混凝土面板堆石壩進(jìn)行方案比較時，老壩體除下游河床砂礫石和排水棱體保留外全部挖除。

壩體自上游至下游依次分為混凝土面板區(qū)、墊層區(qū)(2A區(qū))、過渡層區(qū)(3A區(qū))、主堆石區(qū)(3B區(qū))、次堆石區(qū)(3C區(qū))。另在面板周邊縫附近設(shè)特殊墊層區(qū)(2B區(qū))及在滑模臨時壩頂高程186.50 m以上設(shè)壩頂靜碾堆石區(qū)(3A1區(qū))，下游壩坡設(shè)干砌塊石護(hù)坡。面板采用C25W8F100鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為40 cm；墊層區(qū)水平寬度1.50 m，過渡層區(qū)水平寬度3.50 m；趾板座落在弱風(fēng)化基巖上，采用C25W8F100鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，寬度為5.00 m，厚度為50 cm。壩面接縫處均設(shè)置止水。

施工導(dǎo)流采用一次斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流的方式。導(dǎo)流洞布置在右岸，長約407 m，城門洞形，尺寸為3.00 m×4.00 m，進(jìn)口底高程135.00 m。導(dǎo)流洞出口設(shè)導(dǎo)流明渠，明渠總長240 m，梯形斷面，漿砌塊石護(hù)坡。上游圍堰為土石混合圍堰，堰頂高程為141.00 m，最大堰高11.00 m，堰頂寬6.00 m，堰頂長101.40 m。圍堰堰體及基礎(chǔ)采用高噴灌漿，高噴灌漿底高程為124.00 m。

非汛期由圍堰擋水，隧洞導(dǎo)流，汛期則由壩體臨時斷面擋水，導(dǎo)流隧洞泄流。導(dǎo)流洞貫通前水庫放空至庫底。施工程序為“導(dǎo)流洞—圍堰—老壩挖除—趾板—堆石—面板”，施工總工期29個月。

5.2 方案2—土工膜面板堆石壩方案

大壩按100 a一遇洪水設(shè)計，1 000 a一遇洪水校核。水庫正常蓄水位186.00 m，設(shè)計洪水位187.85 m，校核洪水位188.24 m。壩頂高程189.30 m，防浪墻頂高程190.50 m，趾板最低建基面高程121.00 m，最大壩高68.30 m，壩頂長度297.70 m，壩頂寬度6.00 m，下游壩坡1∶1.7，上游壩坡1∶2.0，并在高程170.00 m和150.00 m處設(shè)置2.00 m寬的馬道。

該方案在挖除老壩面層塊石護(hù)坡、保留老壩體的基礎(chǔ)上進(jìn)行大壩加高。上游至下游依次為：混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，厚20 cm；厚15 cm無砂混凝土；厚1 mm的復(fù)合土工膜防滲體，平行上游壩坡鋪設(shè)，土工膜頂高程186.50 m，固定在防浪墻基礎(chǔ)，底部與趾板固定，趾板最低底高程121.00 m；厚15 cm無砂混凝土；水平寬1.50 m墊層料；水平寬3.50 m過渡料；壩體堆石區(qū)。下游壩坡為干砌塊石護(hù)坡，厚30 cm。壩體堆石分層碾壓。

施工導(dǎo)流采用一次斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流的方式。右岸導(dǎo)流洞為3.00 m×4.00 m城門洞，洞長407 m，進(jìn)口底高程131.00 m。導(dǎo)流洞出口接長240 m明渠，梯形斷面，漿砌塊石護(hù)坡。上游圍堰為土石混合圍堰，堰頂高程137.00 m，最大堰高7.00 m，堰頂寬6.00 m，堰頂長96.40 m，圍堰堰體及基礎(chǔ)采用高噴灌漿。

非汛期由圍堰擋水，隧洞導(dǎo)流，汛期則由壩體臨時斷面擋水，導(dǎo)流隧洞泄洪。導(dǎo)流洞貫通前水庫放空至庫底。施工程序為“導(dǎo)流洞—圍堰—趾板—堆石—防滲土工膜”，施工總工期29個月。

5.3 方案3—混凝土防滲墻結(jié)合土工膜心墻堆石壩方案

大壩按100 a一遇洪水設(shè)計，1 000 a一遇洪水校核。水庫正常蓄水位186.00 m，設(shè)計洪水位187.85 m，校核洪水位188.24 m。壩頂高程189.30 m，防浪墻頂高程190.50 m，最低建基面高程123.00 m，最大壩高66.30 m，壩頂長度306.40 m，壩頂寬度6.00 m。上游壩坡高程140.00 m以下為1∶2.0，140.00 m以上為1∶1.7，在高程170.00 m和150.00 m處設(shè)二級馬道，寬2.00 m。下游壩坡為1∶1.7。

在原大壩上游側(cè)布置一道C10混凝土防滲墻，防滲墻頂高程147.00 m，防滲墻深入弱風(fēng)化基巖0.80 m以上，最大墻深27.00 m，厚度0.80 m。防滲墻頂以上采用直立土工膜防滲心墻，防滲心墻高40.10 m，心墻水平寬3.00 m，直立土工膜采用“之”字形鋪設(shè)，前后設(shè)2道，土工膜兩側(cè)用細(xì)砂礫石填筑，心墻上下游各設(shè)2.00 m厚過渡層。

上游迎水面為干砌塊石護(hù)坡，厚40 cm，碎石墊層厚15 cm。下游壩坡為厚30 cm的干砌塊石護(hù)坡，下墊厚15 cm碎石層。壩體高程140.00 m以下采用拋石填筑，高程140.00 m以上采用堆石填筑，分層碾壓。

施工導(dǎo)流采用非汛期老壩體擋水，隧洞導(dǎo)流；汛期由加高壩體擋水，導(dǎo)流隧洞泄洪的方式。導(dǎo)流洞布置在右岸，長約395 m，城門洞形，尺寸為3.00 m×4.00 m。導(dǎo)流洞出口接明渠，明渠總長240 m，梯形斷面，漿砌塊石護(hù)坡。導(dǎo)流洞施工之前水庫放水至高程139.50 m，保留25萬m3的水庫水量。施工程序為“導(dǎo)流洞+拋石—培厚—防滲墻—加高堆石+防滲土工膜”，施工總工期為27個月。防滲墻施工強度約為710 m2/月，堆石填筑強度約為8.2萬m3/月。

5.4 方案4—混凝土防滲墻結(jié)合黏土心墻堆石壩方案

大壩按100 a一遇洪水設(shè)計，1 000 a一遇洪水校核。水庫正常蓄水位186.00 m，設(shè)計洪水位187.85 m，校核洪水位188.24 m。壩頂高程189.30 m，防浪墻頂高程190.50 m，最低建基面高程123.00 m，最大壩高66.30 m，壩頂長度297.70 m，壩頂寬度6.00 m。上游壩坡高程140.00 m以下為1∶2.0，140.00 m以上為1∶1.7，在高程170.00 m和150.00 m處設(shè)二級馬道，寬2.00 m。下游壩坡為1∶1.7。

在原大壩壩軸線附近布置1道C10混凝土防滲墻，防滲墻頂高程147.50 m，上接C15混凝土防滲頭墻，高1.00 m。防滲墻深入弱風(fēng)化基巖0.80 m以上，最大墻深26.50 m，厚度0.80 m。防滲墻頂以上采用黏土防滲心墻，防滲心墻高41.30 m，底寬19.50 m，頂寬3.00 m，兩側(cè)填筑坡度均為1∶0.2。心墻上游側(cè)設(shè)1.00 m厚反濾層，下游側(cè)設(shè)1.50 m厚反濾層。

上游迎水面為干砌塊石護(hù)坡，厚40 cm，碎石墊層厚15 cm。下游壩坡為干砌塊石護(hù)坡，厚30 cm，碎石墊層厚15 cm。壩體高程140.00 m以下采用拋石填筑，高程140.00 m以上采用堆石填筑，分層碾壓。

施工導(dǎo)流采用非汛期老壩體擋水，隧洞導(dǎo)流；汛期由加高壩體擋水，導(dǎo)流隧洞泄洪的方式。導(dǎo)流洞布置和斷面結(jié)構(gòu)同方案3。導(dǎo)流洞施工之前水庫放水至高程139.50 m，保留25萬m3的水庫水量。施工程序為“導(dǎo)流洞+拋石—培厚—防滲墻—加高堆石+黏土心墻”，施工總工期為27個月。防滲墻施工強度約為960 m2/月，堆石填筑強度約為7.3萬m3/月。

5.5 方案5—混凝土防滲墻結(jié)合混凝土面板堆石壩方案

原大壩上游面開挖至高程147.00 m，在原大壩壩軸線上游約15 m處布置1道C10混凝土防滲墻，防滲墻頂高程145.00 m，上接C15混凝土防滲頭墻，高1.00 m。防滲墻深入弱風(fēng)化基巖0.80 m以上，最大墻深26.00 m，厚度0.80 m。壩體加高部分采用鋼筋混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)，混凝土趾板和防滲頭墻相接。

大壩按100 a一遇洪水設(shè)計，1 000 a一遇洪水校核。水庫正常蓄水位186.00 m，設(shè)計洪水位187.85 m，校核洪水位188.24 m。壩頂高程189.30 m，防浪墻頂高程190.50 m，趾板最低建基面高程147.00 m，最大壩高66.30 m，壩頂長度270.80 m，壩頂寬度6.00 m。上游壩坡高程147.00 m以上為1∶1.4，147.00 m以下為老壩體；下游壩坡為1∶1.4，在高程170.00 m和150.00 m處設(shè)二級馬道，寬2.00 m。近設(shè)特殊墊層區(qū)(2B區(qū))及在滑模臨時壩頂高程186.50 m以上設(shè)壩頂靜碾堆石區(qū)(3A1區(qū))，下游壩坡設(shè)干砌塊石護(hù)坡。面板采用C25W8F100鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為40 cm；墊層區(qū)水平寬度1.50 m，過渡層區(qū)水平寬度3.50 m；趾板采用C25W8F100鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，寬度為5.00 m，厚度為50 cm。壩面接縫處均設(shè)置止水。

施工導(dǎo)流采用非汛期老壩體擋水，隧洞導(dǎo)流；汛期由加高壩體擋水，導(dǎo)流隧洞泄洪的方式。導(dǎo)流洞布置和斷面結(jié)構(gòu)同方案3。導(dǎo)流洞施工之前水庫放水至高程140.00 m，保留28萬m3的水庫水量。施工程序為“導(dǎo)流洞—培厚—防滲墻—加高堆石”，施工總工期為27個月。防滲墻施工強度約為710 m2/月，堆石填筑強度約為8.5萬m3/月。

上述5個大壩除險加固加高比較方案的集水面積、庫容、運行期年供水量均相同。對5個比較方案分別進(jìn)行大壩和導(dǎo)流工程的工程量和投資估算，其中泄水建筑物、放水建筑物和輸水建筑物因相差較小不參與比較，優(yōu)缺點比較見表2，綜合比較見表3，其中方案1的可比性投資最大，為5 912萬元；方案4的可比性投資最小，為4 786萬元，方案4與方案1相差1 126萬元。

表2 各方案主要優(yōu)缺點對比表

表3 除險加固加高各方案綜合比較表

注：表中可比性投資不包括棄渣臨時占地補償費。

綜上所述，方案2可減少老壩開挖，投資比方案4略大，但是工程應(yīng)用較少，技術(shù)不夠成熟。方案3、方案4、方案5雖能簡化施工導(dǎo)流方案，可減少老壩開挖和棄渣量，投資較省，但方案3、方案4施工質(zhì)量控制相對較難，工程管理和檢查都比較困難。方案3土工膜易老化、耐久性較差，方案4黏土料填筑施工受氣候影響大，方案5加高壩體安全可靠性差、工程布置相對困難。此外 ，方案4還受壩址附近黏土料源貧乏的限制，為了滿足工程需要，不僅加大運距、增加運輸成本，而且涉及地表經(jīng)濟(jì)作物的補償處理、費用很大。方案1雖然投資較大，棄渣量較大，施工期間影響下游供水，但資金有保障，施工技術(shù)成熟，施工質(zhì)量和進(jìn)度容易保證，因此最優(yōu)選擇鋼筋混凝土面板堆石壩方案。

6 結(jié) 語

楓坑水庫除險加固工程最后選擇了挖除全部的老壩，新建鋼筋混凝土面板堆石壩的方案。工程于2007年11月開工，大壩填筑完成于2009年6月，2009年12月開始面板施工，2010年2月面板完成，水庫于2010年7月通過蓄水驗收開始蓄水。2011年10月已蓄水至184.00 m，接近正常水位。水庫運行安全正常。工程通過機械化施工，充分利用附近石料場，面板壩的成熟的施工技術(shù)，在計劃工期內(nèi)保質(zhì)保量的完成了除險加固工作。通過工程的順利實施，可以說明楓坑水庫在正常蓄水位和壩型的選擇上都是比較合理的，達(dá)到了除險加固的目的，既排除了工程險情又充分利用了有限的水資源，發(fā)揮了很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

(責(zé)任編輯 姚小槐)

2015-08-11

樓建平(1972-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事水利工程的建設(shè)施工管理工作。

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