湖南省古丈县水利局
摘要：杨柳冲水库是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的小（Ⅱ）型水库。所属水系为武水五级支流杨柳冲沟。该水库坝区河谷呈“V”型，河床宽70～80m，杨柳冲水库于1967年3月动工修建，1968年3月完工并开始蓄水。由于当时客观原因，导致工程存在较多安全隐患，致使水库不能发挥其应有的经济效益及社会效益。本文从这方面进行分析。
关键词：杨柳冲水库；除险加固工程设计；施工组织；水土保持；工程管理
1综合说明
1.1工程概述
杨柳冲水库位于古丈县坪坝乡榔木村。该水库枢纽地理坐标为东经110°56′52″，北纬28°29′58″。坝址距古丈县城50km，距坪坝乡政府10.0km，村级公路自大坝坝顶通过，交通方便。
水库控制集雨面积0.4km2，平均干流坡降20.1‰，干流长度1.0km。水库总库容22.9万m3，正常库容18.7万m3，死水位575.00m，死库容3.8万m3。经复核，20年一遇设计洪峰流量5.29m3/s，200年一遇校核洪峰流量7.86m3/s，设计洪水位为585.57m，相应下泄流量1.53m3/s，相应库容21.4万m3，校核洪水位为585.76m，相应下泄流量2.88m3/s，相应库容22.9万m3。该工程主要灌溉坪坝乡杨柳冲村、张家坪村的稻田。设计灌溉面积667亩，养鱼水面面积30亩。
枢纽工程包括主坝、副坝、溢洪道、放水涵卧管等。
（1）、主坝
均质土坝，现状最大坝高12.47m，坝顶宽4m，坝顶轴长60m，坝底宽60.3m，坝顶高程587.02m，上游坝坡为：1：1.55，下游坝坡为：1：2.25。
（2）、副坝
均质土坝，现状最大坝高7.85m，坝顶宽5.0m，坝顶轴长103.5m，坝底宽40.8m，坝顶高程586.81m，上游坝坡为：1：1.78，下游坝坡为：1：1.61。
（3）、溢洪道
位于主坝与副坝之间山头上，全长30m，宽4.6m。全断面未衬砌，过水断面小。控制段尾部直接连公路，无过路涵洞，危及下游渠道、农田及公路安全。
（4）、放水设施
①主坝放水设施位于主坝左岸，为放水隧洞，长92m，开挖断面为1.6×2.1m，断面型式为门洞形，全断面末衬砌。
②副坝放水设施位于副坝右端内坡上，为高放水设施，由放水卧管及坝下输水涵管组成，涵、卧管均为浆砌石结构，放水卧管全部损坏，漏水严重，一直未能修复；涵管全长17m，断面尺寸为0.6m×0.8m（高×宽），现已堵塞，不能放水，放水闸阀严重锈蚀已无法正常运行。
1.2工程存在的主要问题
1.2.1主坝存在的主要问题
主坝为均质土坝，最大坝高12.5m，轴长60m，坝顶宽4.0m，坝底宽50.5m，经本次复核计算：主坝的渗漏性态属于不安全；主坝上游坝坡最小抗滑稳定安全系数小于规范值；下游坝坡最小抗滑稳定安全系数大于规范值；故水库主坝下游坝坡是稳定的，而上游坝坡是不稳定的。内坡坡比1：1.55，坝体填筑质量较差，清基不彻底，坝体下游左岸576m高程出现漏水泉点，其流量达3.5L/s，当库水上升到583m时，流量增大到8.5L/s。
1.2.2副坝存在的主要问题
副坝为均质土坝，坝顶宽5m，坝顶轴长103.5m，坝底宽40.8m，上游坝坡为：1：1.78，下游坝坡为：1：1.61。经本次复核计算：副坝的渗漏性态属于不安全；经抗滑稳定复核，水库副坝上、下游坝坡是稳定的。副坝体下游左坝脚576m高程处的基岩中有一漏水点，渗漏量0.8L/s，当库水上升到576m时渗漏增大到2.2L/s。
1.3.3溢洪道存在的主要问题
溢洪道布置在左坝头山体上，因其基岩为薄层硅质岩，断面尺寸过小，底板和侧墙未护砌，溢洪道控制段尾端接公路，无过路涵洞，危及下游渠道、农田及公路安全。
1.4.4放水设施存在的主要问题
主坝放水设施位于主坝左岸，为放水隧洞，全断面末衬砌。副坝放水卧管浆砌石强度不满足规范要求，砂浆冲蚀脱落造成漏水，卧管放水闸全部损坏，一直未能修复，无法正常运行。
2除险加固工程设计
2.1除险加固工程项目
根据大坝存在的问题和大坝安全鉴定的意见，确定本次初步设计的主要内容如下：
（1）对主、副坝坝体、坝基及两岸坝肩进行防渗处理。
（2）大坝坡度过陡，进行培厚并放缓其坡度，坝面护坡整形，下游坝脚设置排水设施。
（3）溢洪道加宽整修。
（4）主坝放水设施整修，副坝重建。
（5）增设大坝安全观测设施。
2.2大坝除险加固工程设计
2.2.1坝基帷幕灌浆设计
（1）设计依据
本次大坝基础帷幕防渗灌浆设计是根据《古丈县杨柳冲水库大坝工程地质勘查报告》中提到的“大坝渗漏已严重危及大坝安全”，根据现场检查及地质资料，针对渗漏特点，按照部颁有关规程规范，进行本次大坝坝基和坝肩帷幕灌浆的工程设计。
（2）帷幕灌浆平面布置
①坝基坝肩帷幕方向
基础帷幕线沿坝脚、坝体两侧布孔。采用单排布孔，孔距2m。在进行帷幕灌浆时应先施工探孔，灌浆时出现掉钻、不返水等异常情况，应采用先充填细砂石、碎石，然后再进行灌浆，并及时通知设计方修改设计。
②帷幕深度的确定
根据《杨柳冲水库安全论证报告》和《杨柳冲水库地质勘察报告》资料，帷幕钻孔控制高程为10Lu。为基本控制深度。在具体施工过程中，根据钻孔压水试验及灌浆的实际情况，局部幕段的终孔深度可作适当调整，终孔段灌浆前压水试验透水率按小于10Lu为最终控制标准。
③帷幕孔距计算
孔距取决于灌浆孔的扩散半径，其确定原则是使各孔的灌浆范围相互充分搭接，根据过来灌浆经验，单孔的浆液扩散半径约1.4m左右，而孔距约等于单孔灌浆影响半径（r）1.5倍，孔距为1.5r。
计算得：C=1.5r=1.5×1.4=2.1m，确定采用坝基帷幕灌浆钻孔孔距2m。
④帷幕存度计算
水库坝基采用单排帷幕防渗，主要是根据坝址工程地质条件、帷幕允许水力坡降、坝基防渗标准和幕体密实性、稳定性而决定的。为简便计算，通常单排孔帷幕厚度约为孔距的70-80%。
帷幕厚度计算：按公式
T=（0.7－0.8）C式中：T—帷幕厚度（m）
C—孔距（m）代入式中：T=0.70×2.0=1.4（m）
满足要求。
⑤孔径选择
根据水利水电工程灌浆经验，本工程帷幕灌浆孔径选定：开口为91mm，基岩孔段孔径为75mm。
⑥钻孔方向、孔序的确定
钻孔方向应尽可能穿过裂隙面，均采用垂直钻孔才能保证帷幕灌浆质量形成连续的整体，灌浆钻孔采用分三序进行，Ⅰ序孔与Ⅰ序孔间距10m，先打Ⅰ序先导孔，再打Ⅱ序孔，最后打Ⅲ序内插孔。
⑦帷幕灌浆压力计算
计算最大容许灌浆压力（指基岩）
Pnp=P0+P.Z
Pnp—最大容许灌浆压力（MPa）
P0—首段灌浆容许压力值（MPa）
P—当深度每增加一m时，所相应增加的压力值（MPa.m）
Z—止浆塞至地表的距离（m）
P0及P值的大小，取决地质条件和灌浆方法，查表得：
P0=0.02（MPa）P=0.015（MPa）
Z=25m（最大孔深20m—终孔段长5m）
代入式中：Pnp=0.02+0.015×15=0.30（MPa）
建议值：基岩帷幕灌浆最大容许灌浆压力为0.3（MPa）
⑧灌浆材料的选择
水库大坝基础灌浆主要是浅层裂隙和接触面渗水，考虑到基岩的可灌性和幕体的耐久性及密实性，灌浆材料采用425#水泥灌注，灌浆水泥要保持新鲜，凡受潮结块水泥不得使用，水泥在使用前必须对质量进行鉴定，符合质量标准方可使用，质量应符合CB175的规定。
（3）钻灌施工工艺
a、工艺流程
大坝基础帷幕灌浆采用自上而下分段进行，基岩施灌前进行简易压水试验后，实施自上而下循环灌注法对基岩各孔段灌浆。
b、主要技术要求
①开孔孔径宜为91mm，灌段孔径75mm。
②灌段长度一般控制在5m左右，如遇洞穴或透水性较大时段，采取单孔单段进行特殊处理。
③水灰比的确定：根据灌前压水试验结果科学选择起始水灰比，为保证幕体密实性和强度，总的原则是宜浓则浓，施工时应遵循由稀到浓，逐级改变的原则。本工程浆液水灰比采用5：1，3：1，2：1，1：1，0.5：1五个比值。最稀不稀于5：1，最浓不大小于0.5：1。在调整水时，应按照国颁DL/T5148-2001《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》有关规定执行。
④灌浆结束标准：自上而下分段灌浆在设计最大压力下，注入率不大于1L/min，持续60min不变时，灌浆即可结束。
⑤终孔标准，达到设计深度时，其灌浆前ω值设计值小于或等于设计值（10Lu）时，可作终孔标准。封孔时在全孔灌浆结束后，采用全孔压力灌浆封孔，干缩后未灌满部分，采用1：1水泥砂浆封平孔口。
c、灌浆质量检查
帷幕灌浆质量检查，主要是以检查孔压水试验来进行检查，检查的目的是了解灌浆处理后，幕体形成是否达到设计防渗要求，以及幕体渗透情况，帷幕检查孔一般按灌浆孔总数的10%左右的控制。质量检查应在该部位灌浆结束14天后进行，检查的样孔应在28天后进行。
帷幕灌浆检查孔应采取取岩芯，绘制钻孔柱状图，压水试验按五点法执行。
质量检查合格率，严格按照部颁DL/T5148-2001规范有关规定执行。
本设计只强调帷幕灌浆要点，具体施工时应该严格按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》SL62-94操作。
（4）、帷幕灌浆工程量：
大坝帷幕灌浆造孔深度990.94m，帷幕灌浆深度990.94m。
3溢洪道加固改造设计
3.1溢洪道平面布置
（1）位置的选择
根据实际的地形情况，溢洪道位于主坝与副坝之间山头上。主要由控制段、泄槽段、过路涵洞，水平全长30m。
（2）控制段
由于受地形限制，控制段选用的开敞式宽顶堰，堰顶宽4.6m，长10m。
（3）泄槽段
泄槽段长20m，坡降i=0.03，采用矩形断面，底宽4.6～3.0m。
泄洪槽底板的厚度确定为0.3m，纵横缝采用平缝，横缝间距为10m，纵缝间距为10m。
侧墙采用M7.5水泥砂浆砌块石，侧墙尺寸见其结构图。
（3）过路涵洞
受地形限制，泄槽段后接公路，长15m，过路涵洞出口接山塘。
3.2溢洪道的水力计算
一、已知条件
溢洪道堰顶高程为585.18m，根据此次水文计算，宽顶堰控制段宽4.6m，大坝校核洪水位为585.76m，溢洪道相应下泄流量为2.88m3/s，20年一遇洪水位为585.57m，溢洪道相应下泄流量为1.59m3/s。
二、溢流堰泄流能力复核
根据《溢洪道设计规范》SL253－2000，开敞式宽顶堰泄流能力按下式计算
Q=CBH1.5
式中Q—流量，m3/s；
B—总净宽，m；
H—堰上总水头，m；
C—二元水流宽顶堰流量系数，
式中B=4.6m，C=1.42，H0=585.76-585.18=0.58m
Q=2.8852>2.88m3/s，故所设计宽顶堰能够满足泄洪要求。
三、溢洪道水面线计算
因宽顶堰后紧接渐变段，已知渐变段首端断面宽B=4.6m，末端断面宽h=3m。
为使堰顶洪水安全宣泄，渐变段的底坡i应大于或等于临界坡度ik，渐变段进口水深h1=hk：
1、判别水面曲线类型
求临界坡度ik
ik=
当
wk=bhk=4.6×0.3419=1.573m3
xk=b+2hk=4.6+2×0.3419=5.284m
由《溢洪道设计规范》SL253—2000中表A.7查得糙率n=0.016
则
ik==0.0231
显然i=0.03>ik=0.0231属陡坡
2、渐变段出口水深
采用能量守恒公式进行试算，已知进口水深h1=0.3419，断面流速v1=q/h1=0.6261/0.3419=1.83m/s，首末两端的落差iL=0.03×20=0.6m。
h1+av12/2g+iL=h2+av22/2g+hf
hf=v2L/c2R
h1+av12/2g+iL=0.34+1.1×1.832/2×9.81+0.6=0.5277
设h2=0.4，则相应水力要素w2=bh2=4×0.4=1.6；v2=Q/w2=2.88/1.6=1.8m/s；x2=b+2h2=4+2×0.4=4.8；w均=（w1+w2）/2=（1.573+1.6）/2=1.5865；x均=（x1+x2）/2=（5.284+4.8）/2=5.042；R均=w均/x均=1.5865/5.042=0.314；
V均=Q/W均=2.88/1.5865=1.815
hf=v2L/c2R=1.82×20/51.5432×0.314=0.00765
h2+av22/2g+hf=0.4+1.1×1.82/2×9.81+0.0788=0.4+0.181+0.00765=0.5886
因为左边0.5277≈右这0.5886，故认为h2=0.4m合适。
四、溢洪道侧墙高度的确定
侧墙安全超高取为0.5m。结果见表4-4-2。
溢洪道侧墙高度计算表
4施工组织设计
4.1复合土工膜施工工艺流程
在复合土工膜铺设前，土坝上游坡面平整度、压实度均达到设计要求并经监理工程师验收合格后方可进行复合土工膜的铺设，本工程复合土工膜铺设的工艺流程如下图：
4.2复合土工膜铺设
（1）施工准备
①复合土工膜材料质量检测使用前应对产品的各项技术指标进行检测，各项指标均应符合标准规定和设计要求。
②基面须经监理验收合格，才能成为复合土工膜铺设提供工作面。
③土工膜场内拼接为了施工方便，保证拼接质量，复合土工膜应尽量采用宽幅，减少现场拼接量，施工前应根据复合土工膜幅宽、现场长度需要，在厂内剪裁，并拼接成合符要求尺寸的块体，卷在钢管上，人工搬运到工作面铺设。
（2）复合土工膜的铺设
复合土工膜铺设方法：铺设应在干燥和暖天气进行，由上而下铺设。膜与膜之间及膜与基面之间要压平贴紧，但不宜将膜拉得过紧，一般要略松一点，但不能在膜底留有气泡。富余度约为1.5%，摊开后及时拉平，拉开，要求复合土工膜与坡面吻合平整，无突起褶皱，施工人员应穿平底布鞋或软胶鞋，严禁穿钉鞋，以免踩坏土工膜，施工时如发现土工膜损坏，应及时修补。因为土工膜比较薄且很轻，铺好以后，在未铺好保护层以前，极易被风吹动，所以一次铺膜面积不宜达大，最好边铺膜边盖保护层土料。
（3）复合土工膜拼接
本工程采用两布一膜复合土工膜，焊接采用热熔焊法施工，拼接包括土工布的缝接、土工膜的焊接，为了确保焊接质量，焊接应尽量在厂内进行，但为了施工方便，复合土工膜幅宽又不应太宽，必须在施工现场拼接。
复合土工膜焊接质量的好坏是复合土工膜防渗性能成败的关键，所以务必做好土工膜的焊接，确保焊接质量，因此，土工膜焊接应由生产厂家派专业技术人员到现场操作，指导，培训，采用土工膜专用焊接设备进行。本工程土工膜焊接采用ZPR—210V型热合土工膜焊接机，土工布采用手提式封包机缝接，两布一膜复合土工膜焊接流程：
焊接工艺：第一幅土工膜铺好后，将需焊接的边翻叠（约60cm宽），第二幅反向铺在第一幅膜上，调整两幅膜焊接边缘走向，使之搭接10cm。
焊接前用电吹风吹去膜面上的砂子、泥土等脏物，保证膜面干净，在焊接部分的底下垫一条长木板，以便焊机在平整的基面上行走，保证焊接质量，正式焊接前，根据施工气温进行试焊，确定行走速度和施焊温度，一般掌握行走速度1.5～2.5m/s，施焊温度为220～300℃。拼接焊缝两条，每条宽10mm，两条焊缝间留有10mm的空腔，用此空腔检查其焊缝质量。
（4）周边接界处理
周边接界处理的要求是将复合土工膜与山体联结紧密，封堵渗流入口，截断侧向的渗漏路径，防止渗水进入土工膜底面，形成水泡，在库水位下降时胀破土工膜。周边与山体联接处采用槽沟联接，槽深2m，槽宽1m，用C15砼压边，砼断面为1×2（m），与帷幕结合处，土工膜铺盖插入压浆板再浇二期砼，使铺盖与帷幕形成一道连续的防渗墙。
参考文献：
[1]《土石坝加固》，水利电力出版社，1987年；
[2]《中小型水库除险加固技术指南》水利部水利建设与管理总站、长江委设计院水利水电病险工程治理咨询研究中心；
[3]《湖南省病险土石坝治理研究》，湖南省水利水电厅，1991年；
[4]《水工设计手册》第4册《土石坝》，水利电力出版社，1984；
[5]《水工设计的理论和方法》，中国水利水电出版社，2000年。