下荆子水库运行40年来，坝体渗漏严重，溢流面老化剥蚀严重等问题威胁着水库大坝本身及下游的安全，水库效益难以发挥，2009年对其进行了除险加固，加固后的水库防洪效益、供水效益等非常显著。
《水利水运工程学报》(双月刊)创刊于1979年，由国家水利部主管，南京水利科学研究院主办，是面向国内外水利、水运工程行业公开发行的学术性刊物，并已加入《中国学术期刊(光盘版)》和“中国期刊网”;(ChinajournalNet).《水利水运工程学报》主要报道水利水电、水运、海洋和土木建筑等工程的规划、可行性研究、设计、科研、施工、监理和管理等众多方面的新理论、新技术、新方法和新成果。读者对象为从事水利、水运工程建设事业的广大科技工作者及有关院校的师生。
1、工程概况
下荆子水库座落在饮马河支流万家河上，坝址位于河北省秦皇岛市卢龙县刘田庄镇下荆子村东，坝址以上控制流域面积5.2km2，水库总库容161.93万m3，是一座以防洪为主，兼顾灌溉和养殖等综合利用的小(1)型水库。水库于1968年11月动工兴建，1969年5月建成投入使用。
水库枢纽工程主要包括大坝、溢洪道、放水洞等。大坝由拱坝段和左、右岸重力坝段组成，坝顶总长146m，现状坝顶高程111.0m(为假定高程系统，以下同);拱坝段位于主河槽部位，坝型为等半径圆弧型混凝土心墙浆砌石单拱坝，最大坝高23.8m;溢洪道位于主河槽部位的拱坝段，为无闸门控制的实用溢流堰，放水洞位于大坝右侧非溢流坝段，为φ500mm铸铁管。
2、水库除险加固的必要性
2007年秦皇岛市水利勘测设计处完成了《河北省下荆子水库大坝安全评价报告》，并通过大坝安全鉴定专家组核定，评定下荆子水库大坝为三类坝。
水库存在的主要问题是坝体渗漏严重，溢流堰堰面老化剥蚀严重，放水洞出口控制阀门锈蚀变形、不能正常运用以及工程管理设施不完善等问题，严重影响了工程安全及水库综合效益的发挥。
2007年12月，《秦皇岛下荆子水库除险加固工程初步设计报告》编制完成。2008年1月，省水利厅组织专家对初步设计报告进行了审查，根据审查会专家意见，完成了核定稿。为尽快消除工程隐患，2009年3月除险加固工程开工。
3、坝体加固设计
3.1坝体加固方案
坝体加固采用在坝体迎水面浇筑一层钢筋网混凝土防渗面板，混凝土面板既起到坝体防渗作用，又起到坝踵压重作用，增加坝体抗滑稳定和坝踵压应力。
混凝土面板在坝顶处厚50cm，坝基处厚度最大1.2m。并在上游坝基处设基础混凝土平台，兼作帷幕灌浆平台。面板与原坝体间采用Φ20锚筋连接，锚筋间距1.0m，梅花型布设，锚筋与面板钢筋网焊接。面板混凝土等级C25W6F200。为了防止面板产生裂缝，水平向采用分块浇筑，共分5块，设4道伸缩缝，缝内设紫铜片止水一道和贴2cm厚沥青木板，并在每道施工缝内设置遇水膨胀橡胶条，规格为40mm×30mm，以解决防渗面板混凝土浇筑过程中预留的施工缝渗水问题。
3.2拱坝段应力计算
坝体应力计算采用拱冠梁法，即考虑拱坝的整体作用，假定整个拱坝是由拱冠处的悬臂梁和支承在河谷两岸的拱圈系统联合组成，根据荷载作用下变形的连续条件，即拱和梁的交点处梁和拱的变位相等的条件，经试算把荷载分配给拱和梁，分别计算拱、梁的内力。
该工程拱坝坝址河谷不对称，基岩面高差较大，拱坝段全长72m，位于深槽处的溢流坝段坝基面高程为85.5m，非溢流坝段约有1/3坝基面高程在100m。根据这一特点，将拱坝分为两部分进行简化处理，即：○1拱坝溢流坝段，本部分选取40m长的溢流坝段为独立体进行分析，该段位于河谷深槽，拱圈中心半角28.3°，选取6层拱圈进行分析，拱圈分层高程分别为105.5m、102.5m、99.5m、96.5m、93.5m和90.5m;○2拱坝全拱坝段，本部分长72m，拱圈中心半角51.25°，选取3层拱圈进行分析，拱圈分层高程分别为105.5m、103.0m、100.5m。
表1加固后拱坝溢流坝段应力计算成果
工况分层高程
(m)径向变位(m)拱冠(Kg/cm2)拱端(Kg/cm2)拱冠梁(kg/cm2)
上游下游上游下游上游下游
校核水位105.50.0012.19-0.11-0.913.280.000.00
102.50.0012.06-0.48-1.083.170.510.62
99.50.0011.55-0.42-0.812.400.721.54
96.50.0001.04-0.31-0.521.600.562.74
93.50.0000.57-0.18-0.270.88-0.064.29
90.50.0000.19-0.06-0.070.29-1.105.36
设计水位105.50.0012.11-0.10-0.883.160.000.00
102.50.0011.98-0.46-1.043.060.520.60
99.50.0011.50-0.41-0.782.320.761.50
96.50.0001.00-0.30-0.501.550.632.67
93.50.0000.55-0.17-0.260.850.044.20
90.50.0000.19-0.06-0.070.28-1.025.28
正常蓄水地震105.50.0013.06-0.15-1.274.580.000.00
102.50.0012.85-0.66-1.494.390.330.8
99.50.0002.13-0.58-1.113.290.311.96
96.50.0001.41-0.42-0.72.17-0.153.45
93.50.0000.77-0.24-0.361.18-1.085.32
90.50.0000.26-008-0.090.39-1.966.22
表2加固后拱坝全坝段应力计算成果
工况分层高程
(m)径向变位(m)拱端(Kg/cm2)拱冠梁(kg/cm2)
上游下游上游下游上游下游
校核水位105.50.0000.180.100.050.240.000.00
102.50.0000.110.040.010.160.370.57
99.50.0000.030.010.000.040.191.73
设计水位105.50.0000.170.090.050.230.000.00
102.50.0000.110.040.010.150.390.56
99.50.0000.030.010.000.040.241.68
正常蓄水地震105.50.0000.20.110.060.270.000.00
注：1、压应力为+，拉应力为-
2、大坝上游面采用混凝土应力允许值，下游面为浆砌石的应力允许值。
3、浆砌石允许拉应力：6kg/cm2，压应力：42kg/cm2
4、混凝土允许拉应力：15kg/cm2，压应力：56kg/cm2
坝体加固后的拱坝段坝体应力各种荷载组合的工况下，均满足规范要求。
4、坝基帷幕灌浆处理
坝址区工程地质条件不良，坝基岩石为斑状花岗岩，节理裂隙相当发育，互相切割，岩石破碎，完整性较差，在左重力坝段坝基基岩节理裂隙连通性较好，并有F1断层通过，易形成渗漏通道，会影响大坝的安全稳定。左、右岸重力坝段坝基基岩表层有强风化层2～3m，岩石比较破碎，透水率较大，为了降低坝基扬压力，保证重力坝段坝体稳定和安全，减少坝基渗漏，对左、右岸重力坝段坝基进行帷幕灌浆处理。
①帷幕灌浆轴线距重力坝段贴坡压重平台上游边缘1.5m。
②灌浆孔采用单排直孔，孔间距2.0m，孔深11～13m，基岩面以下孔深不小于8m。灌浆时逐次加密的施灌，灌浆压力0.3～0.4MPa，施工中根据地质条件变化和实际吃浆量调整灌浆压力。
5、溢流坝段溢流堰堰面加固
溢流堰面加固处理采用浇筑聚丙烯纤维混凝土方案。聚丙烯纤维混凝土是一种合成纤维混凝土，其特点是具有纤维掺量少、成本低、耐化学腐蚀性好等特点。在C30W6F200混凝土中掺入聚丙烯纤维可提高混凝土的强度和韧性，对混凝早期裂缝的限制作用和抗渗能力会有很大提高，因此对溢流堰堰面的加固处理，采用聚丙烯纤维C30混凝土方案，并在顶面设φ12○a200钢筋网。
在溢流堰堰面浇筑聚丙烯纤维混凝土之前，首先将堰体浆砌石和水泥砂浆抹面全部凿除，平均厚度75cm，将浮渣清理后用水冲洗干净，然后再浇筑聚丙烯纤维混凝土，聚丙烯纤维掺入量1kg/m3，待聚丙烯混凝土初凝后洒水养护，确保工程质量。
6、放水洞加固
放水洞进口底高程为94.80m，未设闸门槽，只在出口设有阀门控制，这对放水洞和出口阀门检修相当不方便，为解解决此问题，在放水洞进口设闸门槽。门槽的结构型式采用槽钢，门槽从底高程94.7m到高程109.3m。
放水洞出口原DN500阀门已破坏不能运用，需要更新阀门，采用DN500蝶阀1个，DN500伸缩节1个。
7、左岸上坝路改建
针对左岸上坝路存在的问题，为满足水库防洪度汛要求，需对水库左岸上坝路进行改建。本次加固左岸上坝路改建段长320m，路面宽4.0m，采用泥结碎石路面，厚20cm，采用两侧排水，路拱坡度1%。靠山一侧设排水沟，底宽和深度均为0.5m，另一侧设浆砌石防护墩。
8、管理房设计
下荆子水库无管理室，管理人员无法管理，本次加固，在大坝右坝头北侧平缓阶地新建水库管理房。管理房长14.9m，宽7.1m，建筑面积为106m2，采用砖混结构。
9、观测设计
大坝无安全监测设备，无法进行正常管理。本次加固在大坝左岸山坡布设1个、右岸山坡布设2个基准点，坝顶设变形观测点3个，分别布置在左侧非溢流坝接近拱脚处，右侧非溢流坝拱坝段与溢流坝接近处及右侧重力墩与拱端接近处。另外在大坝下游侧设测压管5个，其中左、右非溢流坝段各2个，溢流坝段1个，测压管钻孔直径110mm，镀锌钢管DN50mm。
10结语
下荆子水库除险加固工程于2009年10月完工，水库存在的问题得到了解决，工程经过了近2年的运行，大大提高了下游防洪标准，缓解了水资源缺乏矛盾，水库的防洪、供水及养殖等效益非常显著。
