肯尼亚萨苏木大坝修复项目坝体安全体系介绍

肯尼亚萨苏木大坝修复项目坝体安全体系介绍

郭怀光

中国电建市政建设集团有限公司天津市300382

摘要：肯尼亚萨苏木库区是首都内罗毕主要饮用水供给地之一，萨苏木大坝被冲毁后，严重影响到内罗毕的饮水问题，而大坝溢流堰安全支撑体系薄弱，有随时坍塌的可能，本文从溢流堰结构缺陷，薄弱部位等方面着手，采取合理科学的施工方法，成功对大坝安全体系进行补强，达到设计要求，给同类型项目施工提供了借鉴。

关键词：缺陷；大坝安全体系；大坝修复

一、工程概况

1、工程概述

萨苏木大坝项目位于肯尼亚首府内罗毕北100KM处，是一座向内罗毕提供用饮用水为目的的中小型水库。该大坝是以天然降水为主的蓄水建筑物，受季节影响显著。大坝始建于1956年，施工单位为美国公司。1960~1964年为扩大库容，进行了扩建，加高了土石坝体，坝顶高程2500米，增加了混凝土溢流坝，蓄水高程为2496.3米，蓄水量为1600万立方。

2003年，萨苏木大坝所在地NJIABINITOWN附近遭遇罕见洪水靠近山体侧因结合、支撑等问题造成一块溢流坝被冲毁，因资金等原因未进行修复，在溢流坝上游修建了临时围堰，在上游开挖了紧急溢洪道进行泄洪，使水库蓄水高程从2496.3米降至2488．0米，库容大为减少，直接威胁到首府的生活用水问题。

2005年，肯尼亚政府从法国申请到一批资金用于修复萨苏木大坝，对原结构进行加固，恢复到原设计库容，以解决日益紧张的供水问题。

2、主要工程量

3、施工介绍

本项目中标价为3200万美元，我方为主承包方，和当地的一家公司联合施工，工期24个月，保修期365天。

二、原坝体安全体系介绍

原坝体为一重力式混凝土挡水坝，坝高9.0米，因坝体坐落在土层中，土质为红色黏土，渗透系数小，表面遇水易发软，设计采用了∮60MM钢筋混凝土桩支撑，并于1960年增设了支撑梁，综上所述，原坝体安全支撑体系如下：

1、土体。土质为高液限塑性黏土，遇水易发软，承载力降低。因原设计的缺陷，坝体上游受到多年动态水冲击，在混凝土溢流坝基底形成多个贯通的洞穴，直接造成该部位支撑梁断裂，坝体发生变形。发生贯通洞穴后，造成坝下游连接板断裂、塌陷，支撑柱裸露。坝体下土体被冲刷，致使坝体多处悬空，承载力降低。

2、支撑梁。支撑梁为后续加强加固的钢筋混凝土结构，因梁下土体松软或空洞，部分梁断裂，致使支撑力达不到预期效果。

3、钢筋混凝土支撑柱。是溢流坝的支撑主体，为钢筋混凝土结构，单排平行4根布置，排、桩间距1.8~2.0米，直径60CM，根据坝体结构为斜支撑。支撑柱有如下缺陷：多处柱子有缩颈现象，柱体不完整，桩体为嵌岩桩，但入岩很少，沉淀厚度大（30~50CM），变成了实际上的摩擦桩，桩长一般为9米，摩擦力小，支撑力达不到设计要求。

三、原设计的结构缺陷

1、坝肩结构缺陷

新建坝体和原地质形体是非均质坝体，而两者的结合面是一个相对薄弱的环节，是受水力作用由强到弱的过渡部位，许多水库等挡水结构物的毁坏都是从坝肩开始的。萨苏木水库就是一个典型的案例，靠近山体侧的原混凝土溢流堰设计为扩大基础，没设计支撑柱（其他的溢流堰都有支撑柱），上游护坡抛石短，非洲汛期的特点是短期内雨量大且集中，如2003年萨苏木大坝坝肩处被水冲毁，直接造成溢流堰基础掏空、裸露，直到坍塌。水库不能正常工作，蓄水高程从2496.3米降至2488.0米，下游连接板和明渠被冲毁，加固较复杂，只好采用了开挖紧急溢洪道和在溢流堰上游修建了一条临时围堰挡水保护溢流坝。

2、溢流坝上游结构缺陷。坝上游设置了钢筋混凝土连接板，但没有明显齿墙和过渡段（一般是由钢筋混凝土→浆砌石（灌砌石）→抛石），使水可直接冲击连接板，造成水贯通，在坝体下形成洞穴，威胁到坝体安全。

3、下游溢洪道的结构缺陷。溢洪道是采用了30CM厚的素混凝土结构，为明渠，经年累月，由于基础形成贯通洞穴，板裂缝及受到其他侵蚀，断裂破损严重，造成2003年水库水位超过设计水位时，连接板全部被冲毁，形成了一道自然冲沟式的溢流明渠。

综合原因，2003年水库遭遇洪水时，坝体失稳倒塌，降低了水库的使用功能。

四、施工过程

我方中标此项目，比上一个投标报价低1400万美元，其中关键因素就是坝体的稳定风险。因此，项目成立了坝体安全科技攻关小组，重点研究施工阶段坝体不稳定因素可能造成的风险，提出可行性方案，防止出现建筑物本身可能出现的坍塌风险，制订应急预案，防止出现坍塌时损失的进一步扩大，通过采取各种措施，确保施工安全。项目主要采取了如下施工措施保证坝体稳定。

1、建立动态坝体安全监测体系，及时掌握坝体安全动态。

为严格掌握坝体安全数据，项目建立了安全监测网，定期对坝体进行安全监测。坝体未施工时三天观测一次，坝体施工时每天进行安全监测，当天整理出安全数据，上报攻关小组，，以便采取应对措施。购买了国内先进的震动测试仪，在冲击钻机进行防渗墙施工时对坝体进行动态观测，该仪器可以测出加速度、速度和位移量，每天早、中晚观测三次，及时整理出观测成果。

2、对缺陷桩柱进行加固补救，增加现有有效支撑。

坝体主要支撑是支撑柱，而支撑柱有许多缺陷如缩颈、不垂直、桩底沉淀厚度大、桩身蜂窝、麻面多等，我们采取了如下加固措施：蜂窝、残缺处先清理干净，用C20小石子混凝土找齐，达到设计桩径尺寸，对桩底沉淀把软弱土清理到原状土，用C20小石子混凝土填塞。开挖土方预留15CM厚土层，人工开挖到柱子切点位置，保证不超挖和坡上无附着物，使桩体的摩擦力不降低。

3、薄弱部位进行补强，增加支撑力。

在开挖过程中，薄弱部位如BLOCK9是首先开挖裸露面，是失稳的关键部位，该处支撑梁破碎，经过计算，我们采用新增了一根基础入岩50CM，钢筋直径为20MM的50CM*50CM截面的钢筋混凝土柱；UW18是第二开挖裸露面，增加了2根∮300MM的钢管混凝土支撑柱，倾斜角度和原桩柱相同并平行设置，基础入岩50CM。

增设的BLOCK9支撑柱

UW18新增的300CM的钢管混凝土支撑柱和变形的原支撑柱

4、对贯通洞穴在开挖到洞穴底部时，清理出洞穴内的松软土，浇筑C15混凝土，端头处混凝土塌落度较小，洞穴内混凝土塌落度较大，尽可能使混凝土充满洞穴，增加总体支撑力。对支撑梁悬空部位，采用浇筑混凝土和回填夯实同类别的土进行处理，保证开挖断面无残缺，确保整体支撑坝体。

5、科学、合理的施工方案是确保坝体稳定的关键，项目部制订了科学、详尽的施工方案并提交科技攻关小组研究，在经过室内模拟试验后付诸现场施工，此方案我们喻为“金端银边铜中间”方案，主要如下：

（1）、BLOCK10和翼墙施工，我们称为“金端”。原BLOCK10因基础被冲倒塌，新建的BLOCK10和翼墙处于溢流坝端头并开挖至基岩，这样会造成BLOCK9一端裸露深度达9~10米，BLOCK块体自重大，相互间有剪力盒相连，彼此间镶嵌，如果BLOCK9失稳，会造成连锁反应，整个溢流坝都有坍塌的可能，后果难以想象。翼墙和BLOCK10是项目成功与否的关键。项目集中全部力量和时间赛跑，翼墙和BLOCK10上下平行施工，雨天夜间不间断，当BLOCK10施工至BLOCK9基础高程时，我们紧绷的心才稍微放松几许。

翼墙和BLOCK10平行施工

（2）、当端头控制住后，UW两边施工就成了项目施工的重点。UW是英语UNDERWEIR的缩写，意思是指现有溢流坝下面的堰体，编号从UW12~UW18共计七块组成，UW12和UW13在拐角处并较小。仔细考虑安全、进度，我们决定先平行施工UW18和UW14，接着平行施工UW12和UW16，最后施工UW13、UW15、UW17，隔仓施工。我们预测在UW18、UW14、UW16施工完毕后，风险基本消除，因此UW18、UW14我们称为“银边”，做法是将UW18、UW14基槽开挖时尽量少扰动其他块体土方，保持现有支撑体系最大限度不变，并加快这两块的施工进度。施工时正值雨季，我们采取雨季施工措施，把雨季看做非雨季看待，时刻做好防雨准备，由于方法得当，施工进展顺利。

UW12、UW16施工是在UW18、UW14浇筑至2/3高度具备支撑能力时开始开挖基槽的，是风险仅次于UW18、UW14的重要部位，我们做到此处施工尽量少扰动其他块体，这两块施工进度正常。

（3）、剩余的UW13、UW15、UW17是和其他几块相比风险相对较小的施工作业面，但安全风险也很大，我们称为“铜中间”，此处施工时我们加强安全监测，加快施工进度，当它们施工到溢流坝基础高程时，我们那颗悬着的心终于放了下来，品尝到了经历刺激、紧张、汗水之后获得劳动成果的喜悦。

五、建成完工后现有坝体的安全体系。

1、溢流坝。在原有土体、支撑柱的基础上，增设了深入基岩的溢流坝混凝土下部堰体。坝体土层设置了梅花型、间距为2米长度为12米、直径为110MM的PVC排水管，土体中的水可以通过排水管流入廊道，使坝体基本不受水平水压力作用，溢流坝可长期处于相对稳定的安全状态。

2、坝肩处结构得以加强。坝肩处的BLOCK10和翼墙混凝土深入基岩，避免了基础被冲的隐患，受力结构大为提高。

3、上游。溢流坝上游增设了厚度为80CM的地下连续墙并伸入基岩1.0米，在上游形成了一道阻水屏障，由防渗墙首先承受水冲力，混凝土防渗墙的结构特点，只有很少的水会通过防渗墙渗入到坝基通过坝体排水管流至廊道，消除了坝体上游的安全隐患，最大限度的降低了溢流坝的安全风险。

4、下游。下游溢流坝基础全部至基岩，并浇筑了钢筋混凝土底板和边墙，溢洪道下游设置了消力和消能结构，安全状况大为提高。

5、安全监测。根据需要，在各种部位增设了渗压计、测缝计等安全监测仪器并统一汇入安全监测终端箱，可以全天候对坝体安全状态进行实时跟踪监测，大大提高了水库的安全系数。

结语

萨苏木大坝修复项目完工后，恢复了水库的设计蓄水量，安全体系大为改善，但本结构有如下缺陷未彻底根除。

1、溢流坝和防渗墙的连接。一般设计是在溢流坝和防渗墙之间用钢筋混凝土进行连接，可有效防冲和密封。本结构采用密封红黏土回填防止渗水，土体上设置了过渡料（0~20CM级配均匀的石子混合料）和抛石防冲，结构不甚严密。防渗墙一端采用灌浆和坝体相连，一端是密封土体回填，防渗墙和坝体并未真正闭气，形成结构上的缺憾。

2、溢洪道下游未处理。挑流坎下游为软弱岩石，易被水冲蚀，我们曾多次建议抛石和浇筑混凝土进行防冲处理，咨询均未同意，如果长期过流（几率很少）就会对下游造成冲刷，威胁到挑流结构和边墙安全。