义乌市枫坑水库除险加固工程主要方案比选

楼建平

(义乌市长堰水库管理处，浙江 义乌 322000)



义乌市枫坑水库除险加固工程主要方案比选

楼建平

(义乌市长堰水库管理处，浙江 义乌 322000)

义乌枫坑水库建成运行已经30余年，2004年5月经水库大坝安全鉴定确定枫坑水库大坝为三类坝，必须对大坝进行除险加固处理。在除险加固工程设计中，主要对工程正常蓄水位、加固加高方案等进行比较，最后选择了挖除全部的老坝，新建钢筋混凝土面板堆石坝的方案。通过工程的顺利实施，可以说明枫坑水库在正常蓄水位和坝型的选择上都是比较合理的，达到了除险加固的目的，既排除了工程险情又充分利用了有限的水资源，发挥了很好的经济和社会效益。

加固；方案比选；枫坑水库

1 工程概况

枫坑水库位于东阳江水系—吴溪(大田溪)上游的支流枫坑溪上，地属义乌市赤岸镇。坝址位于张田畈村上游约200 m处，距义乌市城区25 km，距赤岸镇8 km。枫坑水库是一座以灌溉为主，结合防洪、发电等综合利用的小(1)型水利工程，建成于20世纪70年代。

坝址以上集水面积17 km2，多年平均入库水量1 383万m3。原有大坝为黏土心墙坝，按50 a一遇洪水设计，500 a一遇洪水校核。水库坝高33.05 m，总库容286万m3，正常库容229万m3，灌溉面积300 hm2(4 500亩)，坝后设有二级电站，总装机容量为280 kW。

2 工程鉴定和病险情况

枫坑水库建成运行已经30余年，目前大坝、溢洪道均存在安全隐患。2004年5月经水库大坝安全鉴定确定枫坑水库大坝为三类坝，必须对大坝进行除险加固处理。

存在的主要问题：①大坝坝体填筑质量较差，心墙土压实度和渗透系数不能满足现行规范要求；②大坝坝基以及两岸坝肩存在渗漏问题；③坝内涵管存在漏水现象，并有红色絮状物流出，存在安全隐患；④大坝护坡块石风化严重，背水坡部分已出现凹陷、坍塌；⑤大坝原有的14个沉降、位移观测点，大都已荒废、破坏，坝体没有测压管、渗流量观测设施；⑥大坝存在白蚁侵害现象；⑦溢洪道溢流侧堰有多处漏水；⑧水库没有完善的管理机构。

3 除险的必要性和效益

枫坑水库坝址控制集水面积17 km2，除险加固考虑7.7 km2引水，因此水库库容太小，水库弃水较多，造成水资源严重浪费。而义乌水资源缺乏，位于枫坑水库下游的赤岸镇和佛堂镇，近年来社会经济发展迅速，城镇用水需求日益增大，为达到“充分开发利用水资源，并解决下游赤岸镇、佛堂镇的城镇生产、生活用水”的目标，对水库进行除险加固、并结合扩大库容是非常必要的。

枫坑水库除险加固后，大坝坝高增加到68.30 m，水库正常库容扩建为1 501万m3，总库容1 643万m3，水库功能调整为以供水、灌溉为主，结合防洪、发电等综合利用；设计年可供水1 196万m3，灌溉面积300 hm2(4 500亩)， 社会效益明显，经济效益良好。

4 正常蓄水位选择

枫坑水库的径流过程由坝址入库径流和引水流量两者叠加计算求得，枫坑水库多年平均入库水量1 779万m3，其中水库来水1 383万m3，周边支流引水396万m3。

考虑入库水量、引水量、库区淹没、迁移人口等因素，分别选取正常蓄水位182.00，184.00，186.00和188.00 m 四个方案进行比选。各方案选用1963—2003年共41 a的长系列逐日入库径流过程进行水量平衡计算，求得各方案的年供水量指标。

供水效益按单方水效益2.0元/m3计(供水效益按综合水价计，据资料分析得义乌市万元产值耗水量为30 m3/万元，工业产值利税率为10%，供水工程效益分摊系数为15%。城镇供水建设包括水源建设和水厂、管网建设，其供水效益应按相应工程设施费用占总费用的比例进行分摊。规划的枫坑水库除险加固工程为水源工程，按0.4的系数进行效益分摊，则单方水产生的效益为2.0元/m3)。根据方案之间的差额投资、差额效益及差额投资经济内部收益率进行经济评价，各方案的经济指标见表1。

由表1可以看出，方案1、2、3、4之间的兴利库容逐步增加，年供水量也逐步增加，但差额年供水量呈逐步减少趋势，差额兴利库容的有效供水利用率方案2与方案1、方案3与方案2之间分别为0.50、0.33，而方案4与方案3之间为0.18，说明方案4比方案3增加库容的供水利用率不高，因此从水量利用角度看，可在方案2、3之间选择。

从差额投资经济内部收益率看，方案2与方案1、方案3与方案2的差额投资经济内部收益率分别为21.09%、12.26%，大于社会折现率10.00%；方案4与方案3的差额投资经济内部收益率为4.37%，小于社会折现率10.00%。

考虑到义乌市属水资源紧缺地区，境内可开发水资源量有限，为充分利用有限的水资源，综合考虑经济指标等各种因素后，最终选择方案3，即正常蓄水位186.00 m，正常库容1 501万m3为最优。

表1 正常蓄水位方案比较表

注：表中差额为后方案减前方案的差值。

5 大坝除险加固加高方案比较选择

坝址位于张田畈谷口，两岸山峰高程在200.00～250.00 m，左岸坡度25°～30°，右岸坡度30°～40°，河谷宽度300 m，河床覆盖层主要为砂砾石，厚度3.00～5.00 m，下部基岩为熔结凝灰岩，下游河谷豁然开阔，两岸山坡高程逐渐降低，上游左岸有1条切割较深的冲沟。如果单纯采用原有大坝上游侧加高培厚，坝体填筑方量受左岸冲沟影响将明显增加；如果仅采用原有大坝下游侧加高培厚，两坝端山坡低于设计坝顶高程，坝体填筑方量亦显著增加。方案比较选用原有大坝坝顶加高、两侧培厚方式。

坝址附近块石料场储量丰富，黏土料储量较少。

现结合坝址区地形、地质条件、施工条件、当地建筑材料情况及地质勘探工作，对钢筋混凝土面板堆石坝、土工膜面板堆石坝、混凝土防渗墙结合土工膜心墙堆石坝、混凝土防渗墙结合黏土心墙堆石坝、混凝土防渗墙结合混凝土面板堆石坝方案作比选，以求选取最优实施方案。

5.1 方案1—钢筋混凝土面板堆石坝方案

大坝按100 a一遇洪水设计，1 000 a一遇洪水校核。水库正常蓄水位186.00 m，设计洪水位187.85 m，校核洪水位188.24 m。坝顶高程189.30 m，防浪墙顶高程190.50 m，趾板最低建基面高程121.00 m，最大坝高68.30 m，坝顶长度297.70 m，坝顶宽度6.00 m，上下游坝坡均为1∶1.3。

原有大坝为黏土心墙坝，心墙上下游侧为含砾砂粉质黏土，含砾砂黏土、黏土质砾砂等，黏粒含量12.7%～29.5%；上游坝壳为含泥砂砾石、含碎石粉质黏土等；下游排水棱体为碎块石。河床段坝基有3～5 m厚砂砾卵石层。堆石坝如果在保留原有大坝基础上加高，坝高由33.05 m增加到68.30 m，增幅为35.25 m，大坝坝体将会产生明显的沉降变形，从而危及上游防渗面板的安全。所以在选用钢筋混凝土面板堆石坝进行方案比较时，老坝体除下游河床砂砾石和排水棱体保留外全部挖除。

坝体自上游至下游依次分为混凝土面板区、垫层区(2A区)、过渡层区(3A区)、主堆石区(3B区)、次堆石区(3C区)。另在面板周边缝附近设特殊垫层区(2B区)及在滑模临时坝顶高程186.50 m以上设坝顶静碾堆石区(3A1区)，下游坝坡设干砌块石护坡。面板采用C25W8F100钢筋混凝土结构，厚度为40 cm；垫层区水平宽度1.50 m，过渡层区水平宽度3.50 m；趾板座落在弱风化基岩上，采用C25W8F100钢筋混凝土结构，宽度为5.00 m，厚度为50 cm。坝面接缝处均设置止水。

施工导流采用一次断流围堰、隧洞导流的方式。导流洞布置在右岸，长约407 m，城门洞形，尺寸为3.00 m×4.00 m，进口底高程135.00 m。导流洞出口设导流明渠，明渠总长240 m，梯形断面，浆砌块石护坡。上游围堰为土石混合围堰，堰顶高程为141.00 m，最大堰高11.00 m，堰顶宽6.00 m，堰顶长101.40 m。围堰堰体及基础采用高喷灌浆，高喷灌浆底高程为124.00 m。

非汛期由围堰挡水，隧洞导流，汛期则由坝体临时断面挡水，导流隧洞泄流。导流洞贯通前水库放空至库底。施工程序为“导流洞—围堰—老坝挖除—趾板—堆石—面板”，施工总工期29个月。

5.2 方案2—土工膜面板堆石坝方案

大坝按100 a一遇洪水设计，1 000 a一遇洪水校核。水库正常蓄水位186.00 m，设计洪水位187.85 m，校核洪水位188.24 m。坝顶高程189.30 m，防浪墙顶高程190.50 m，趾板最低建基面高程121.00 m，最大坝高68.30 m，坝顶长度297.70 m，坝顶宽度6.00 m，下游坝坡1∶1.7，上游坝坡1∶2.0，并在高程170.00 m和150.00 m处设置2.00 m宽的马道。

该方案在挖除老坝面层块石护坡、保留老坝体的基础上进行大坝加高。上游至下游依次为：混凝土预制块护坡，厚20 cm；厚15 cm无砂混凝土；厚1 mm的复合土工膜防渗体，平行上游坝坡铺设，土工膜顶高程186.50 m，固定在防浪墙基础，底部与趾板固定，趾板最低底高程121.00 m；厚15 cm无砂混凝土；水平宽1.50 m垫层料；水平宽3.50 m过渡料；坝体堆石区。下游坝坡为干砌块石护坡，厚30 cm。坝体堆石分层碾压。

施工导流采用一次断流围堰、隧洞导流的方式。右岸导流洞为3.00 m×4.00 m城门洞，洞长407 m，进口底高程131.00 m。导流洞出口接长240 m明渠，梯形断面，浆砌块石护坡。上游围堰为土石混合围堰，堰顶高程137.00 m，最大堰高7.00 m，堰顶宽6.00 m，堰顶长96.40 m，围堰堰体及基础采用高喷灌浆。

非汛期由围堰挡水，隧洞导流，汛期则由坝体临时断面挡水，导流隧洞泄洪。导流洞贯通前水库放空至库底。施工程序为“导流洞—围堰—趾板—堆石—防渗土工膜”，施工总工期29个月。

5.3 方案3—混凝土防渗墙结合土工膜心墙堆石坝方案

大坝按100 a一遇洪水设计，1 000 a一遇洪水校核。水库正常蓄水位186.00 m，设计洪水位187.85 m，校核洪水位188.24 m。坝顶高程189.30 m，防浪墙顶高程190.50 m，最低建基面高程123.00 m，最大坝高66.30 m，坝顶长度306.40 m，坝顶宽度6.00 m。上游坝坡高程140.00 m以下为1∶2.0，140.00 m以上为1∶1.7，在高程170.00 m和150.00 m处设二级马道，宽2.00 m。下游坝坡为1∶1.7。

在原大坝上游侧布置一道C10混凝土防渗墙，防渗墙顶高程147.00 m，防渗墙深入弱风化基岩0.80 m以上，最大墙深27.00 m，厚度0.80 m。防渗墙顶以上采用直立土工膜防渗心墙，防渗心墙高40.10 m，心墙水平宽3.00 m，直立土工膜采用“之”字形铺设，前后设2道，土工膜两侧用细砂砾石填筑，心墙上下游各设2.00 m厚过渡层。

上游迎水面为干砌块石护坡，厚40 cm，碎石垫层厚15 cm。下游坝坡为厚30 cm的干砌块石护坡，下垫厚15 cm碎石层。坝体高程140.00 m以下采用抛石填筑，高程140.00 m以上采用堆石填筑，分层碾压。

施工导流采用非汛期老坝体挡水，隧洞导流；汛期由加高坝体挡水，导流隧洞泄洪的方式。导流洞布置在右岸，长约395 m，城门洞形，尺寸为3.00 m×4.00 m。导流洞出口接明渠，明渠总长240 m，梯形断面，浆砌块石护坡。导流洞施工之前水库放水至高程139.50 m，保留25万m3的水库水量。施工程序为“导流洞+抛石—培厚—防渗墙—加高堆石+防渗土工膜”，施工总工期为27个月。防渗墙施工强度约为710 m2/月，堆石填筑强度约为8.2万m3/月。

5.4 方案4—混凝土防渗墙结合黏土心墙堆石坝方案

大坝按100 a一遇洪水设计，1 000 a一遇洪水校核。水库正常蓄水位186.00 m，设计洪水位187.85 m，校核洪水位188.24 m。坝顶高程189.30 m，防浪墙顶高程190.50 m，最低建基面高程123.00 m，最大坝高66.30 m，坝顶长度297.70 m，坝顶宽度6.00 m。上游坝坡高程140.00 m以下为1∶2.0，140.00 m以上为1∶1.7，在高程170.00 m和150.00 m处设二级马道，宽2.00 m。下游坝坡为1∶1.7。

在原大坝坝轴线附近布置1道C10混凝土防渗墙，防渗墙顶高程147.50 m，上接C15混凝土防渗头墙，高1.00 m。防渗墙深入弱风化基岩0.80 m以上，最大墙深26.50 m，厚度0.80 m。防渗墙顶以上采用黏土防渗心墙，防渗心墙高41.30 m，底宽19.50 m，顶宽3.00 m，两侧填筑坡度均为1∶0.2。心墙上游侧设1.00 m厚反滤层，下游侧设1.50 m厚反滤层。

上游迎水面为干砌块石护坡，厚40 cm，碎石垫层厚15 cm。下游坝坡为干砌块石护坡，厚30 cm，碎石垫层厚15 cm。坝体高程140.00 m以下采用抛石填筑，高程140.00 m以上采用堆石填筑，分层碾压。

施工导流采用非汛期老坝体挡水，隧洞导流；汛期由加高坝体挡水，导流隧洞泄洪的方式。导流洞布置和断面结构同方案3。导流洞施工之前水库放水至高程139.50 m，保留25万m3的水库水量。施工程序为“导流洞+抛石—培厚—防渗墙—加高堆石+黏土心墙”，施工总工期为27个月。防渗墙施工强度约为960 m2/月，堆石填筑强度约为7.3万m3/月。

5.5 方案5—混凝土防渗墙结合混凝土面板堆石坝方案

原大坝上游面开挖至高程147.00 m，在原大坝坝轴线上游约15 m处布置1道C10混凝土防渗墙，防渗墙顶高程145.00 m，上接C15混凝土防渗头墙，高1.00 m。防渗墙深入弱风化基岩0.80 m以上，最大墙深26.00 m，厚度0.80 m。坝体加高部分采用钢筋混凝土面板堆石坝结构，混凝土趾板和防渗头墙相接。

大坝按100 a一遇洪水设计，1 000 a一遇洪水校核。水库正常蓄水位186.00 m，设计洪水位187.85 m，校核洪水位188.24 m。坝顶高程189.30 m，防浪墙顶高程190.50 m，趾板最低建基面高程147.00 m，最大坝高66.30 m，坝顶长度270.80 m，坝顶宽度6.00 m。上游坝坡高程147.00 m以上为1∶1.4，147.00 m以下为老坝体；下游坝坡为1∶1.4，在高程170.00 m和150.00 m处设二级马道，宽2.00 m。近设特殊垫层区(2B区)及在滑模临时坝顶高程186.50 m以上设坝顶静碾堆石区(3A1区)，下游坝坡设干砌块石护坡。面板采用C25W8F100钢筋混凝土结构，厚度为40 cm；垫层区水平宽度1.50 m，过渡层区水平宽度3.50 m；趾板采用C25W8F100钢筋混凝土结构，宽度为5.00 m，厚度为50 cm。坝面接缝处均设置止水。

施工导流采用非汛期老坝体挡水，隧洞导流；汛期由加高坝体挡水，导流隧洞泄洪的方式。导流洞布置和断面结构同方案3。导流洞施工之前水库放水至高程140.00 m，保留28万m3的水库水量。施工程序为“导流洞—培厚—防渗墙—加高堆石”，施工总工期为27个月。防渗墙施工强度约为710 m2/月，堆石填筑强度约为8.5万m3/月。

上述5个大坝除险加固加高比较方案的集水面积、库容、运行期年供水量均相同。对5个比较方案分别进行大坝和导流工程的工程量和投资估算，其中泄水建筑物、放水建筑物和输水建筑物因相差较小不参与比较，优缺点比较见表2，综合比较见表3，其中方案1的可比性投资最大，为5 912万元；方案4的可比性投资最小，为4 786万元，方案4与方案1相差1 126万元。

表2 各方案主要优缺点对比表

表3 除险加固加高各方案综合比较表

注：表中可比性投资不包括弃渣临时占地补偿费。

综上所述，方案2可减少老坝开挖，投资比方案4略大，但是工程应用较少，技术不够成熟。方案3、方案4、方案5虽能简化施工导流方案，可减少老坝开挖和弃渣量，投资较省，但方案3、方案4施工质量控制相对较难，工程管理和检查都比较困难。方案3土工膜易老化、耐久性较差，方案4黏土料填筑施工受气候影响大，方案5加高坝体安全可靠性差、工程布置相对困难。此外 ，方案4还受坝址附近黏土料源贫乏的限制，为了满足工程需要，不仅加大运距、增加运输成本，而且涉及地表经济作物的补偿处理、费用很大。方案1虽然投资较大，弃渣量较大，施工期间影响下游供水，但资金有保障，施工技术成熟，施工质量和进度容易保证，因此最优选择钢筋混凝土面板堆石坝方案。

6 结 语

枫坑水库除险加固工程最后选择了挖除全部的老坝，新建钢筋混凝土面板堆石坝的方案。工程于2007年11月开工，大坝填筑完成于2009年6月，2009年12月开始面板施工，2010年2月面板完成，水库于2010年7月通过蓄水验收开始蓄水。2011年10月已蓄水至184.00 m，接近正常水位。水库运行安全正常。工程通过机械化施工，充分利用附近石料场，面板坝的成熟的施工技术，在计划工期内保质保量的完成了除险加固工作。通过工程的顺利实施，可以说明枫坑水库在正常蓄水位和坝型的选择上都是比较合理的，达到了除险加固的目的，既排除了工程险情又充分利用了有限的水资源，发挥了很好的经济和社会效益。

(责任编辑 姚小槐)

2015-08-11

楼建平(1972-)，男，工程师，大学本科，主要从事水利工程的建设施工管理工作。

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