红河水库除险加固设计

黄海波，金 辉，张 煜，陈俊杰

（1.清原满族自治县水利工程技术管理站，辽宁清原113300；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 工程概况

红河水库位于辽宁省清原满族自治县境内浑河上游左岸支流红河上，集水面积为806km2，总库容为1207万m3。水库工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级。枢纽工程主要由拦河坝、二道坝和输水系统等组成。拦河坝为混凝土拱坝，全长233.524m，二道坝位于大坝下游100m处，全长135m，二道坝下游设有交通桥，输水系统位于库区左岸，进水口在大坝上游约1000m处。

2 存在的问题

根据现场调整和资料分析，现状枢纽建筑物存在如下问题：

1）校核洪水标准为300年一遇，洪水标准不满足现行规范要求。

2）为保证水库正常运行20年预留淤积库容和清原县城供水的目标，为此水库需要兴利库容578万m3。现状总库容为512万m3，正常高水位以下有效库容仅为约87万m3。库区泥沙淤积严重，拱坝上游面应力增大，拱坝上游面最大主拉应力为-1.34MPa，不满足规范要求，兴利库容不满足供水等功能要求。

3）坝下二道坝已冲毁，无法形成设计要求的跌流消能水垫塘深度，大流量泄洪会对大坝下游侧基础产生冲刷，形成冲坑，影响坝体稳定。

4）大坝背水面保温苯板已全部脱落，无法起到保温作用，影响坝体结构安全。

5）坝体接缝出现渗水并伴有白色析出物，原导流孔封堵体存在渗漏和钢筋锈蚀现象。

6）输水洞进水口检修闸门主要构件严重锈蚀，进水口启闭机无供电、配电及控制系统，闸门无法正常启闭。水下拦污栅已严重淤堵，洞内流量仅供1台机组发电的（共4台机组）。

7）坝下交通桥被冲毁，防汛道路路况差。

3 除险加固必要性

1）2015年12月南京水利科学研究院将红河水库大坝安全类别评定为三类坝，存在严重安全风险。

2）库区内泥沙淤积情况严重，已影响工程安全运行，过高的淤积高程对拱坝自身结构安全和工程效益均产生不利影响，严重影响水库的输水、发电运行。

3）水库的主要工程任务发生变化，为清原满族自治县主水源地。目前红河水库淤积严重，有效库容不够，无法满足城市供水需求。

鉴于上述情况，红河水库除险加固势在必行。

4 除险加固设计

针对水库枢纽建筑物现状存在的问题，采取相应的处理方案对水库进行除险加固。

4.1 大坝加固设计

1）溢流坝扩建。由于洪水标准提高，为了将50年一遇的设计洪水、500年一遇的校核洪水安全下泄，经多方案技术经济比较后，采取提高大坝泄洪能力与新建泄洪排沙洞联合泄洪的方案。扩建后，溢流前缘总宽度由90m增加到133m。

为保护坝脚不受水流的进一步冲刷破坏，在溢流坝宽度范围内恢复原设计的护坦，在下游设长10.0m的混凝土护坦，厚0.5m。

2）大坝上游面防渗。针对大坝混凝土浇筑层间施工冷缝分界明显，错台较多，几乎所有的施工层间缝、坝体横缝处均有白色析出物的渗漏情况，受库水位影响，只能对死水位以上范围的上游坝面采用先对坝体表面蜂窝眼、孔洞、缝隙等缺陷采用环氧胶泥填补处理，然后对上游坝面表面进行打磨、清洗，最后涂刷聚脲的防渗处理方案。

3）大坝接缝及导流底孔灌浆。为彻底解决坝体自身防渗及结构耐久性问题，在下游对大坝接缝水泥灌浆和导流底孔封堵体周边缝化学灌浆。

4）大坝下游面保温。目前大坝背水面保温苯板已全部脱落，无法起到保温作用，采用中国水利水电科学研究院结构材料所的拱坝体形优化程序（ADASO、拱梁分载法）对现状大坝进行坝体应力复核计算，计算结果见表1。

表1 现状坝体应力特征值及其部位表 MPa

在保温层失效情况下，拱坝现状坝体应力在各基本组合下均不满足规范要求的主拉应力-1.2MPa控制标准，且超标拉应力数值及分布范围较大。考虑红河水库地处东北严寒地区，为了消减大坝表面温度梯度，控制大坝表面温度应力，防止大坝危害性裂缝的产生，需对大坝表面采取保温措施。

考虑大坝下游面多处于长期外露、无水的状态，经技术经济比较，采用下游全坝面保温措施：坝体表面存在的蜂窝眼、孔洞、缝隙等缺陷采用环氧胶泥填补处理、环氧修补膏找平处理、环氧底漆处理、喷涂5cm厚聚氨酯、35um防老化面的保温方案。采取保温措施后的坝体应力复核计算结果见表2。

表2 加固有保温层坝体应力特征值及其部位表 MPa

坝体下游面采取保温措施后，在基本组合控制工况（正常蓄水位+温降）和特殊组合校核温升工况下，坝体应力均满足规范要求；虽然在死水位温升工况下，坝体下游面仍存在小范围超出应力控制标准的拉应力区，但其应力值及影响范围均较现状大幅度减小，加之红河水库大坝调节能力较弱，该工况发生的频率极低。综上所述，坝体下游面采取保温措施后，坝体应力得到了极大改善，坝体应力水平大幅度降低，高应力区分布范围显著减小，大坝正常使用状况下应力基本满足规范要求，大坝整体安全处于可控状态。

4.2 二道坝设计

根据水力学计算消能结果，原浆砌石二道坝的位置和高度能够满足消能防冲要求，新建坝体结构形式仍与原设计相同的混凝土二道坝。

4.3 泄洪排沙洞

在输水洞附近新建长1199.00m，直径6m圆形断面的泄洪排沙洞，与大坝共同承担红河水库的泄洪任务，兼顾输水洞进水口区域内的清淤冲沙任务，同时，由于进口底板高程低于死水位，因此可兼作大坝检修放空之用。

4.4 输水洞进口改造

将输水洞进水口拦污栅检修高程269.70m以上结构全部拆除，按照更新后的金属结构设计及其启闭设备选型，重新进行拦污栅启闭机室布置设计。

4.5 输水洞清淤

由于水库淤积严重，导致输水洞进口和洞内也同时淤堵，输水洞上游几乎全部淤满，下游淤堵情况略好，为保证输水畅通，对输水洞进口和洞内进行清淤处理。

结合库区和坝前清淤，红河水库正常高水位对应库容为637万m3，总库容为1144万m3，工程规模仍为中型。

4.6 交通恢复

防汛道路按原路线、原标准、原路面高程、宽度进行恢复，局部对路面高程和宽度进行调整。为保障大坝运行管理人员、小型设备运输和突发事件疏散等交通，在水毁原交通桥处新建多跨预制装配式钢筋混凝土梁桥。交通桥按河道条件全长112m，单跨16m，共7跨。

4.7 坝前清淤

随着坝前泥沙淤积高程的增加，坝体所受的泥沙压力也随之增大，对坝体应力产生不利影响。为大坝的运行安全，对坝前50m范围泥沙进行清理，恢复至原地面高程。

4.8 安全监测

现状红河水库除库水位外，无法获取任何监测数据，坝内测缝计及电阻温度计电缆头遗失无法观测。由于工程为除险加固工程，坝体原始断面单薄，没有设置廊道，因此，大坝内部变形观测项目不具备增设条件，渗流观测也比较困难，唯有外部变形观测具备增设条件，同时也比较容易实现。

5 结语

结合红河水库现状情况，为满足建筑物安全和水库功能要求，从防洪标准、枢纽建筑物自身缺陷、水库供水、大坝监测和交通等方面进行除险加固设计是合理的，也是势在必行的。