河南宝泉抽水蓄能电站下水库大坝加高加固工程经验.docx

河南宝泉抽水蓄能电站下水库大坝加高加固工程经验.docx

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河南宝泉抽水蓄能电站下水库大坝加高加固工程经验

河南宝泉抽水蓄能电站下水库大坝加高加固的工程经验

王国秉鲁一晖刘致彬张家宏胡鹏

（中国水利水电科学研究院结构材料研究所，北京100038）

摘要：

中国水利水电科学研究院承担丰满大坝全面治理可行性研究大坝长期安全性评价工作。

为吸取国内外已有工程加固的成功经验，现将河南宝泉抽水蓄能电站下水库大坝加高加固的工程经验进行了较系统的总结，可供类似工程借鉴。

关键词：

下水库大坝；加高加固；经验总结

中图分类号：

TV543文献标识码：

B

受东北电网有限公司委托，中国水利水电科学研究院承担丰满大坝全面治理方案可行性研究工作，为吸取国内外已有工程加固的成功经验，我们考察了国内若干大坝补强加固工程。

现将河南宝泉抽水蓄能电站下水库大坝加高加固工程的经验介绍于后，可供类似工程借鉴。

1工程简况

1.1宝泉抽水蓄能电站简况

宝泉抽水蓄能电站位于河南省辉县市薄壁乡大王庙以上2.5km的峪河上，距新乡市、焦作市和郑州市的直线距离分别为45km、30km和80km。

电站装机4×300MW，总装机容量1200MW，年发电量20.1亿kW·h，年抽水耗电量26.42亿kW·h，电站综合效率0.76。

电站建成后以500kV两回出线接入河南电网，在电网中主要担任调峰、填谷同时兼有旋转备用、调频、调相等功能。

电站由上水库、输水发电系统及下水库等建筑物组成。

上水库修建在峪河支流东沟内，大坝坝型为沥青混凝土面板堆石坝，最大坝高94.8m，坝顶高程791.9m，总库容782万m3。

下水库利用峪河上已建成的宝泉水库大坝加高加固改建而成，大坝坝型为浆砌石重力坝，原大坝高91.1m，改建后最大坝高107.5m，坝顶高程268.5m，总库容6850万m3。

输水发电系统采用两洞四机引水方式，主洞洞径6.5m。

下水库大坝加高改建工程的设计由黄河勘测规划设计有限公司完成。

施工任务由河南省水利水电施工局承担。

目前加高改建工程正在施工中。

1.2改建前宝泉水库简况

宝泉水库位于辉县市西部峪河峡谷出口处上游1.5km，水库控制流域面积538.4km2，多年平均径流量1.01亿m3。

水库开发目标为“灌溉为主，结合发电，兼顾防洪”，工程规模属中型，工程等别为三等，大坝按3级建筑物设计。

已建成的宝泉水库大坝由挡水坝段、溢流坝段、导流底孔、一级灌溉发电洞、二级灌溉发电洞等组成，坝顶高程252.1m，坝顶长度411m，最大坝高91.1m。

水库正常蓄水位244m，死水位196.5m，总库容为4458万m3，兴利库容为3070万m3。

水库防洪标准按50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核，设计洪水位248.98m，校核洪水位252.11m。

大坝坝型为整体式浆砌石重力坝，坝体材料为花岗片麻岩和石英砂岩。

河床挡水坝段长170.16m，岸坡挡水坝段长118.34m，坝顶宽度5m，上游坝坡1∶0.05，下游坝坡1∶0.7。

溢流坝段采用开敞式溢流堰，净宽109m，堰顶高程244m，上游坝坡1∶0.3，下游坝坡1∶0.68。

采用挑流消能方式，鼻坎坎顶高程185m。

河床挡水坝段下游背坡212m高程、溢流坝段上游218.8m高程分别预留平台，以便于远期加高坝体。

宝泉水库于1973年7月正式开工兴建，1975年8月因资金和原材料困难暂停施工，此时坝体砌至171m高程，坝高10m。

1976年10月工程恢复施工，1982年又停止施工，此时坝高50m~51m。

溢流坝砌至211m高程，挡水坝砌至212m高程，并建成了导流底孔和一级灌溉洞。

宝泉水库复建工程于1989年10月开工。

复建工程仍按兴利水位244m考虑，挡水坝段坝顶高程252.1m，即在前期大断面上游侧加高40.1m；溢流坝堰顶高程244m，即在前期大断面下游侧加高33m，并新建221m高程二级灌溉洞。

工程于1994年4月竣工，同年6月验收。

1.3下水库工程总体布置

宝泉抽水蓄能电站下水库为加高加固改、扩建工程，通过对宝泉水库大坝坝体材料、坝基以及稳定等方面综合计算分析，坝体质量总体良好，因此改建时大坝仍采用整体式浆砌石重力坝坝型，上游面采用钢筋混凝土面板防渗，溢流面采用混凝土面层。

下水库大坝由挡水坝段、溢流坝段、一级灌溉洞、二级灌溉洞等组成。

溢流坝段采用开敞式溢流堰，为扩大兴利库容，在溢流堰顶加设3m高的橡胶坝，橡胶坝的运用方式为非汛期挡水、汛期塌坝泄洪。

水库正常蓄水位为260m，死水位220m，总库容6850万m3，兴利库容5509万m3，设计洪水最大泄量为3490m3/s，校核洪水最大泄量为6670m3/s。

改建后挡水坝段坝顶高程为268.5m，溢流坝堰顶高程为257.5m，最大坝高107.5m，坝顶长度508.3m，其中溢流坝段净宽109m，下游采用挑流消能。

左岸挡水坝段设有一级灌溉洞、二级灌溉洞、导流底孔，均已建成，其中二级灌溉洞进口底板高程221m，一级灌溉洞进口底板高程190m，导流底孔设在0+220m桩号处，洞径1m，进口底板高程172m，水库蓄水前将进行封堵。

2大坝加高改建的设计方案

2.1已建老坝存在的主要问题

宝泉大坝为已建的浆砌石重力坝，二期工程竣工后，坝顶高程252.1m，最大坝高91.1m，坝顶长411m。

为查明大坝建成后坝体质量，在坝体共布置了7个钻孔并取样进行力学实验。

结果表明，除混凝土与基岩的实验指标c′值偏小外，砌石与混凝土、混凝土之间的抗剪强度实验指标均满足设计要求。

从收集到的容重检测成果看，坝体无论是砌块石或是砌粗料石，除局部容重小于设计值（2.3t/m3）外，其余容重值均大于设计值。

通过对坝体七个钻孔的压水实验指标看，坝体的透水率较大。

钻孔岩芯的RQD值偏低，波速中等~低。

从1994年12月至1995年2月坝体渗水量观测结果看，所有坝体均存在不同程度的渗漏，日渗水量在691.2m3/d以上。

其中溢流坝段渗漏量很小，施工质量较好。

坝体内位于右坝肩高程约210m处的88号基础排水孔的渗水量约43.2m3/d，说明该坝段坝体施工质量较差。

鉴于以上情况，且考虑宝泉水库作为抽水蓄能电站的下水库，建筑物级别由Ⅲ级变为Ⅰ级，防渗要求高，因此对大坝上游面采用混凝土面板防渗，面板横向伸缩缝间距12m，缝内设置止水，260m高程以下设止水铜片（厚度1.2mm）和PVC橡胶止水带两道止水，260m高程以上采用一道止水铜片，止水铜片上部伸至防浪墙顶；止水铜片和PVC橡胶止水下部嵌入基岩内的止水槽内。

2004年12月在左坝体（设计桩号0+092.5m~0+104.50m）及上游平台（坝上游宽3.0m，设计桩号0+092.5m~0+103.7m），发现该段老坝体及上游平台砌石质量较差，有大面积空洞出现，且部分砌体间无胶凝材料充填，坝体质量和容重均难以保证；另外在0+097.00m~0+102.10m范围坝基有渗水出现，其中桩号0+099.23m，高程238.24m处渗水较严重，其次坝体砌石与基岩间未做混凝土垫层。

基于以上问题和设计布置要求，为保证大坝加高基础的安全性和可靠性，进一步搞清坝体和基础面质量，对左坝头这一段老坝体及上游平台进行了拆除。

另外，右岸坝段0+467~0+490段，老坝体有一后戗，高10余m，宽7~8m，外观质量较好，但戗体内质量稍差，鉴于以上情况，对坝体未进行拆除，采用坝体注浆密实加固。

2.2大坝加高形式的设计

由于本工程属改、扩建工程，因已建大坝（91m高）的坝体为浆砌石重力坝，故上部坝体仍宜采用重力坝坝型。

根据宝泉下水库大坝为浆砌石结构，原设计就曾考虑后期加高，挡水坝段在背水坡212.00m高程，溢流坝段在前坡218.8m高程均预留有二期加高的平台位置，本次即在原平台位置上进行加高。

另外两坝肩由于坝顶加高后，坝肩向两侧加长，其中左岸坝身加长50m，右岸坝身加长78.8m，加长部分全是在新岩石基础上重新砌筑坝体。

根据现场实际情况，采用直接加高式，对加高坝型主要选择了浆砌石坝、混凝土重力坝和碾压混凝土重力坝三种坝型。

由于原老坝就是浆砌石重力坝，且当地有丰富的天然砂石料以及熟练的砌石工人，料场距大坝很近，开采运输方便，浆砌块石造价低，施工方便，需要机械设备少。

经综合比较，加高坝型仍采用浆砌石重力坝。

除新建坝段外均需在已建浆砌石重力坝基础上进行坝体的加高，挡水坝段采用与下游坝面平行加高方式，溢流坝段采用与上游坝面平行加高方式。

为确保新、老坝体的紧密结合，使其成为一个整体发挥作用，设计时采取了如下措施：

1）所有结合面均设22锚固结合钢筋；2）对老坝体原留伸缩缝弃而不用者以及251.85m高程已建大坝坝顶下游侧与新砌坝体结合处均设置25@200三层并缝钢筋加固。

2.3坝体防渗方案的论证

由于宝泉水库改、扩建后将作为宝泉抽水蓄能电站的下水库，水量比较宝贵，同时大坝为1级建筑物，且加高后最大坝高达107.5m，为国内最高的浆砌石重力坝，其防渗及安全可靠性应放在第一位，加之已建大坝防渗体存在渗漏隐患，因此坝体防渗设计尤为重要。

对原坝体防渗共比较了3个防渗设计方案，对新加高坝体挡水坝段252.1m高程以上和溢流坝段上游218.8m高程以上坝体，根据大坝的重要性和级别，按一般常规要求是直接采用钢筋混凝土面板进行防渗，不再进行方案比较。

2.3.1方案一：

上游坝面挂网喷混凝土防渗方案

该方案是在原坝体上游坝面190m高程以上至原坝顶范围内作15cm厚的钢筋网喷混凝土防渗层，钢筋网直径8，网格为20cm×20cm。

对190m以下至坝下174m高程混凝土平台由于考虑不放空水库，是在水下施工，则是考虑两种处理办法，一是浇水下不分散混凝土板，一是从坝顶做帷幕灌浆一直到170m高程。

采用喷混凝土质量相对开挖岩面较容易得到保证，不需模板，施工简便。

但喷混凝土很难避免产生裂缝，在高水头作用下防渗效果如何，尚未有工程实例可验证。

因此该方案存在风险较大，综合考虑未作推荐。

2.3.2方案二：

坝体灌浆方案

该方案曾考虑了两种形式，一是混凝土隔墙上游灌浆形式，二是混凝土隔墙下游灌浆形式。

混凝土隔墙上游灌浆形式，是利用距老坝上游约2~4m范围有一条混凝土隔墙，在混凝土隔墙与老坝上游面的浆砌粗料石之间进行坝体灌浆，通过灌浆加密上游坝体密实性，提高防渗性能。

这种形式优点是施工方便，节省投资，同时可利用坝上游水压力而加大灌浆压力。

缺点是由于钻孔仅距上游坝面1.25m，钻孔最大深度80余m，要求钻孔精度很高，否则会打穿上游防渗体，同时防渗体是砌筑而成，整体性差，灌浆压力低了，达不到防渗效果，压力高了，担心抬动砌石，或者浆体防渗体进入库内。

形式二是在混凝土隔墙下游灌浆，即在混凝土隔墙下游约1.5m的坝体排水管内进行灌浆，灌浆结束后再重打排水孔。

该方案成孔容易，即使跑浆也只能跑到坝体下游，因有混凝土隔墙阻隔，不易抬动上游砌石。

缺点是因在混凝土隔墙下游灌浆防渗体得不到补强；其次由于排水管向下流移动，坝体扬压力增加；其三在进行灌浆时往下游跑浆过多，增加很多灌浆量。

综合上述，灌浆方案也未考虑推荐。

2.3.3现浇混凝土面板方案

该方案是在上游坝面作钢筋混凝土面板，面板在174m~190m高程范围厚1.4m，190m高程以上厚1.0m，采用锚筋固定在原坝面上，190m高程以下由于水库无法放空，采用水下不分散混凝土，190m高程以上为普通混凝土，该方案为常规的防渗措施，安全可靠。

但水下部分模板安装，止水埋设等施工较困难，投资最大。

上述三个方案均属可行方案，现浇混凝土面板方案造价最高，但防渗效果最好，耐久性强，坝体实际承受的扬压力最小。

喷混凝土方案造价适中，施工便利，但在50m水头作用下喷混凝土防渗效果未经实验，无确切把握。

灌浆方案造价最低，但耐久性及可靠性不如现浇混凝土面板方案。

宝泉水库作为抽水蓄能电站下库，是极为重要的一级水工建筑物，就浆砌石坝而言，最终坝高为107.5m，为国内最高的浆砌石重力坝，其安全可靠应是第一位的。

因此综合比较推荐混凝土面板方案。

3钢筋混凝土面板防渗方案的设计与施工

下水库大坝上游防渗面板的设计根据各坝段的布置共分成44块面板，伸缩缝间距一般为12m，最大块面板间距12m，最小块面板间距8m。

分布左岸（右岸、河床）。

其中1#~7#面板布置在新建左岸挡水坝段上游坝面，8#~19#面板布置在已建左岸挡水坝段上游坝面，20#~29#面板布置在溢流坝段上游坝面，30#~41#面板布置在已建右岸挡水坝段上游坝面，42#~44#面板布置在新建右岸挡水坝段上游坝面。

防渗面板底部厚度按最大水头的1/60控制，底部174m高程面板厚1.4m，174m~190m高程间面板厚度由1.4m渐变为1.2m，190m~220m高程间面板厚度由1.2m渐变为1m，220m高程以上面板厚度均为1m。

新建坝段防渗面板嵌入建基面1.5m，并与坝基防渗设施连成整体。

防渗面板采用C25混凝土，并掺加聚丙烯纤维，抗渗标号按照规范要求采用W8，死水位以上抗冻标号采用F200，以下采用F100。

面板伸缩缝内埋设止水，正常蓄水位以下设两道止水，以上设一道止水。

防渗面板内布设单层14@150钢筋网。

面板与坝体间采用锚筋连接，锚筋直径22，间排距1m，单根长2.7m~3m，伸入砌石坝体1.5m，并与面板表层钢筋网焊接连接。

大坝上游防渗面板采用旱地施工，施工条件得到改善，施工质量也将得到充分保证。

招标设计阶段对水库放空的可能性，曾比较了三个方案：

（1）打开原水库导流底孔方案。

导流底孔设在0+220m桩号处，洞径1m，进口底板高程172m。

此方案较为理想，但考虑底孔可能已淤塞，能否打开并无把握。

（2）在右岸打一导流洞。

导流洞从后面向前挖进施工，打通前预留5m长，再采用一次性爆破贯通全洞。

此方案风险较大，施工费用较高。

（3）强行抽排方案。

宝泉水库上游有一个小电站，尾水渠的流量可不直接进入库区，约可截堵4m3/s，能保证工地非汛期（9月份后）施工期入库流量不大于1~2m3/s。

施工时，拟设置几个抽水泵，强行抽排，创造旱地施工条件。

经比较，推荐打通导流底孔方案，若不能实施，则执行强行抽排方案。

枯水期，承包商进入工地，进行清淤，打开了导流底孔的检修门，底孔慢慢被水冲开，非常顺利地实施了水库放空方案。

水库放空进行上游防渗面板施工时，左右岸挡水坝段大坝基本断面以外坝体底部向上游突出坝面砌成台阶状，台阶由浆砌粗料石砌筑，突出坝面宽度2m~4m，台阶高度最大达17m。

为此上游防渗面板底部施工时进行延伸，并将浆砌石台阶外表面覆盖后深入基岩。

为保证坝体防渗与坝基防渗连成整体，台阶顶面布设固结灌浆孔，孔间距2m，孔伸入基岩8m。

4主要结论

（1）宝泉抽水蓄能电站下水库大坝为加高改建工程，坝型为整体式浆砌石重力坝，采用坝体上游面钢筋混凝土面板防渗形式。

改建后的大坝坝顶高程268.5m，最大坝高107.5m，坝顶长度508.3m。

溢流坝堰顶高程257.5m，溢流堰净宽109m。

为扩大兴利库容，在堰顶加设3.0m高的橡胶坝，正常蓄水位为260.0m，总库容6850万m3，有效库容5509万m3。

作为宝泉抽水蓄能电站下水库库容完全能满足抽水蓄能电站的需要。

（2）下水库大坝改、扩建工程设计采用的设计依据是合理的，基本设计参数是可靠的，稳定应力计算满足规范要求，泄流能力和下游消能防冲经过模型实验验证均能满足规范要求，因此下水库大坝的安全是有保证的。

（3）下水库大坝坝体防渗采用上游现浇钢筋混凝土面板防渗方案是可靠的。

可行性研究阶段上游钢筋混凝土防渗面板设计为水上和水下两部分施工，采用水下不分散混凝土面板施工，施工时模板安装、止水埋设等均需在水下作业，施工难度较大，且在高水头下防渗效果无实例可验证。

宝泉下水库大坝加高改建工程在综合考虑施工质量、施工难度、施工工期、水库清淤、导流以及水库回蓄可行性等各种影响因素后，确定大坝上游面以现浇混凝土面板取代水下不分散混凝土面板，面板采用放空水库旱地施工方式，施工实践表明是成功的，并为类似工程防渗加高加固提供了宝贵的经验。

[作者简介：

王国秉，男，1936年生，1960年毕业于莫斯科水利工程学院，教授级高级工程师，研究生导师。

]

TheHeighteningReinforcementEngineeringExperiencefortheLowerReservoirDamoftheBaoquanPumpedStoragePowerStationinHenanProvince

WANGGuo-bingLUYi-huiLIUZhi-bingZHANGJia-hongHUPeng

Abstract:

TheChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearchhastakenontheworkingofthelong-termsafetyevaluationoftheFengmandam,whichisinvolvedintheFeasibilityResearchoftheAll-roundTreatmentSchedulefortheFengmanDam.InordertostudyontheexperiencesofrehabilitationofdamsinChinaandothercountries,thispapersummarizestheheighteningreinforcementengineeringexperienceforthelowerreservoirdamoftheBaoquanpumpedstoragepowerstationinHenanprovince,soastobereferredbythesimilarprojects.

Keywords:

lowerreservoirdam,heighteningreinforcement,experiencesummarization

[收稿日期：

2009-03-19]