一、工程地质概况

红山水库设计库容25.6亿立方米，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、发电、养殖等综合利用的大型水利枢纽。

拦河主坝为Ⅰ级水工建筑物，按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核。坝址为U型河床，河床宽1090米，地面高程416.70米，主槽高程415.50米。地质条件比较复杂，基岩为蒙古花岗岩、花岗片麻岩，岩床完整坚硬，埋深达60余米。岩床上面为第四纪覆盖层，主要由极细沙、细沙、沙砾、亚黏土及薄层黏土等组成，层次繁多，构造复杂。表层5～8米是饱和极细沙；往下6～10米细沙层中夹有0.5～3.0米厚的黑泥凸镜体，部分属淤泥。

副坝修建在主坝右端的二级台地上，台地本身呈均质土坝型的薄型山脊，在台地上修建6.4米高的子堤，原为一座无下游排水设施的拦水坝。1980年处理副坝滑坡时设置了排水暗管。该台地是河流冲淤沉积而成，其地质特点是层次分明、地质复杂、透水性强。

二、红山水库除险加固前主要存在如下问题

（一）由于主坝坝基为深层软基，表层又是饱和细沙层，渗漏压力存在问题，在地震时，可能产生液化，使坝基失稳。

（二）水库运用期间，在库水位不高的情况下，坝下排水沟就发生沙沸现象，如果库水位升高，大坝坝基渗透难以保持稳定安全。

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（三）副坝下游台地，出现渗流溢和坍滑现象。

（四）由于水库建在多泥沙河流上，水库淤积严重，到1985年底，水库淤积总量达到6.5亿立方米，总库容降至19.1亿立方米。已不能防御p=0.05%的设计防洪标准。

（五）1986年红山水库被水利电力部列为全国43座大、中型病险水库之一，并指示须进行除险加固。

三、加固筹划

为了消除工程隐患，恢复水库防洪能力，充分发挥水库兴利效益，内蒙古水利厅和红山水库管理局，在1983年以前就开始筹划红山水库工程除险加固。

内蒙古自治区水利厅于1983年8月，向国家水利电力部提交了由内蒙古水利电力勘测设计院编制的《红山水库除险加固方案》文件。

1984年8月，由国家水电部水利水电规划设计院、内蒙古自治区水利厅共同主持，在红山水库召开了有松辽委、东北院、华北院、西北院、内蒙古水利勘测设计院参加的“红山水库除险加固学术讨论会”。会议认为：主坝坝基下的细沙、极细沙层，在地震时可能产生液化，使坝基失稳；水库运用期间，在库水位不高的情况下，即发生了局部渗透破坏——沙沸，如库水位升高，大坝坝基渗透难以保持稳定安全。鉴于上述情况，会议认为，红山水库主坝应进行抗震和防渗复核，尽早提出加固设计，安排施工。

1988年8月，由内蒙古水利勘测设计院提出《红山水库加固工程初步设计》报告。

1988年9月21日，国家水利电力部水电规划总院以水规〔1988〕38号文件形式，对该报告进行了批复。

四、红山水库加固工程设计要点

本次红山水库一期加固工程，主要解决以下问题：

1.主坝渗透稳定问题；

2.主坝坝基液化问题；

3.副坝防渗处理问题。

（一）主坝下游防渗加固工程设计

1.减压工程

采取在坝脚处及下游增设减压井的措施，释放渗水减轻渗压，保证坝脚及下游滩地渗流稳定，不危及坝的安全，从而使水库不必低水位运行而影响其综合效益。

为此，考虑施工和投资，模拟试验结果，在原减压井下游12米处，新打一排释放第一层透水层的“浅井”，井底至404.7米左右，井距约20米，共55眼。井内径20厘米，虑水孔D-1.5厘米，排距4.4厘米、间距3.0厘米。

井管采用土工布代替过滤层，土工织物选择准则如下：

孔径选择：

η＜5

O90＜2.5d50

O90＜2.5d90

透水性选择：

Kg＞10Ks

为保证畅流：

090＞d15

按颗粒级配资料，对所选土工织物是否满足井管和表层沙的反滤要求进行校核。

井管与井孔间，按地层与反滤料间系数准则，选定反滤料级配。

D15=0.09mm

D50=1.2mm

D60=2.0mm

经分析，采用中、粗砂混合料充填即可。

在“浅井”下游54米处，布置一排“深井”，计55眼。

此排减压井，是为释放第一、第二层透水层的水，可防止下游滩地沼泽化；在原有减压井逐年失效时，此“深井”可释放第二层透水层的水。

井底高程约394.0米。

如果花管所处位置地层为砂卵石时，可采用碎石作为反滤填料。

此外，在加固施工时，还要对原有47眼减压井进行清洗，恢复其减压排水能力。2.压渗工程

原设计减压井花管高程在396.0～404.0米之间，对坝基表层沙起不到减压作业。原设计在坝脚处布置6.5米厚堆石压重，有利于抗震，亦有利于压渗，但其下没有设反滤层，在初设审批会议上，有专家提出应拆除此压重加铺反滤，以保护渗流出口。

本次设计，考虑到翻修原压重方案工程量过大，只按抗震要求加厚原压重。而在通过此压重排出的渗流出口处，铺设土工织物保护，以阻止压重中细颗粒随水流带走。

坝脚之下近处滩地，将抗震与防渗加固结合在一起，采用了反滤盖重压渗。

下游滩地原有坑塘及鱼池，并已出现沼泽化，是防渗薄弱环节，亦是液化砂之出口，本次加固设计时，根据工程运用经验，在距坝址230米范围内采用回填壤土、砂壤土的措施，处理渗流出口，确保此处在高水位运行及遭遇地震时，不会发生失稳现象。

压渗土料干容重应不小于1.55吨/立方米。

3.集、排水工程

为汇集原减压井、主坝排水棱体及主坝浅井的渗水，在原排水沟处布置直径为1.0米的预制钢筋混凝土排水暗管。

为将集水暗管中的渗水排出，沿坝长布置了三处排水暗管，管身结构亦为预制钢筋混凝土圆管。(www.daowen.com)

为排泄减压“深井”以上各种渗水，在该井群中心线下游6.0米处设置第一排水干沟，该沟汇集：

原47眼减压井渗流量

坝体棱体及地层渗流量

55眼主坝减压“浅井”渗流量

55眼主坝减压“深井”渗流量

第一排水干沟下游，设第二排水干沟，该沟除汇集第一排水干沟来水外，还将汇集下游滩地渗水及副坝排水沟的水量。

两沟之间，设三条排水支沟将其连接。排水沟的作用，除排泄第一排水干沟的来水外，还要排泄下游滩地的渗水。

排水沟底、侧铺混凝土预制板，采用有纺反滤土工布代替天然滤料，其上铺碎石垫层。

（二）主坝抗震加固设计

1.下游坝坡稳定分析

按部颁SDJ10-78建议，采用拟静力法按圆弧滑动分析，分析时采用瑞典条分法。电算程序为根据“水工建筑物抗震设计规范”和“碾压式土石坝设计规范”编制之PC-1500程序。

2.震冲加固设计

为加大砂层相对密度，提高其抗液化能力，在不增加坝脚扬压力及有利于排水减压的原则下，将震冲区第一排震冲桩，布置在距坝轴线114.5米处。震冲桩呈梅花形布置，排距2.6米（共12排），孔距3.0米。由于初设批文规定，地震设防烈度为7度，根据SDJ10-78附表1的规定，震冲后地基砂土相对密度不得小于0.7。

震冲加密砂层后，其抗震稳定能力亦将提高。

3.坝脚压重及下游反滤盖重

原坝脚处之压重，其厚度满足不了压重之下砂基受震不发生液化的要求，根据滑弧稳定分析、北科院动力反应分析成果，其厚度加大至8.0米。

北科院动力反应分析成果，震冲区上部尚需4.0米堆石压重。按初设对反滤盖重设计分析成果，其布置范围距坝脚60.0米范围内，其厚度按抗震要求。

施工图设计时，反滤盖重范围，按抗震加固控制范围1.5倍坝高及震冲区、减压井系、反滤盖重布置尺寸综合考虑，垂直坝轴线方向长45.0米。上游侧15.0米范围内，盖重下铺400克/平方米无纺布，中间15米范围内，盖重下铺350克/平方米无纺布，下游侧15米范围内，盖重下铺有纺反滤布。反滤盖重厚度4.0米。

（三）主坝坝基灌浆工程设计

在主坝施工期清基时，为挤掉淤泥，曾大量抛石，抛石大坑中石块间形成架空现象，从而成为渗流通道，对这些通道采取水泥黏土浆液灌注的方法。灌注孔距、排距均为5.0米。为保证施工安全与施工质量，灌注压力采用两个指标加以控制：

压力值不得超过灌浆层上的坝重；

压力值不得超过灌浆的坝前水头的1.5～2.0倍。

灌浆结束条件，单位吸水量≤0.03升/分·米·米；

灌浆后，坝基灌浆处的渗透系数＜10-4-10-5厘米/秒。

（四）主坝上游防渗加固工程设计

原铺盖施工范围，在右岸只铺设到0+050米处，其右侧没有水平防护，形成了渗流防护薄弱地区。

加固设计施工图阶段，考虑增设联机主副坝的防渗铺盖，施工方法的可比方案为：

（1）放空水库方案（存在一系列社会和经济问题）

（2）低水筑围堰方案（围堰最低也将高达8.0米）

（3）冰上冻土施工方案（整体性及与原铺盖连接可能有问题）

其中，经分析最有可能被采用的方案，即是冰上冻土施工方案。

此外，还针对上述三个方案，研究了垂直造防渗墙方案，存在的主要问题是：板墙过浅防渗效果差，板墙过深则施工难度大。

（五）副坝加固工程设计

1.坡面处理

主副坝结合部副坝一侧坡脚处，曾发生渗水现象。

结合增打减压井和设置排水沟，在此处采取按1∶2修整边坡，然后铺15厘米碎石垫层再砌30厘米块石的处理方案。

副坝原滑坡段（桩号1+330-1+568），根据稳定分析，坡面为1∶3.5，加固时保留原排水棱体及坡顶排水槽，按渗流计算结果，新增顶高程为425.2米的贴坡排水，贴坡排水厚度按防冻要求不小于1.0米。

425.0米高程以上，用最小厚度30厘米的石渣保护坡面。

整个坡段石渣下部，均铺设单层无纺布。

在副坝1+600下部，有一冲沟，不断向上发展，为此，在冲沟顶部，按1∶2削平整理坡面后，坡面坡底均堆石渣保护。

2.减压排水工程设计

根据水规〔1988〕38号文批示意见，在主副坝结合部副坝一侧，增打10眼减压井。

按1989年钻探资料，井深选定为15.0米，井距为12.0米。

其井管构造及反滤设计原则，基本同主坝。

为防渗水，减压井出水管接排水沟，排水沟结构亦基本同主坝。

（六）施工中的重大变更

施工中的重大变更来自两个方面：一是项目主管单位对施工设计的批复意见，二是设计变更。

1.减压井工程设计变更

1990年9月，内蒙古水利局〔90〕内水字第36号文批复：主坝下游减压井工程，取消反滤盖重后的深井，将前排浅井改为深井，37号井以北已打成的浅井不再变动。按照批复意见，施工单位进行施工，1991年完成全部减压井工程。经几年运行，发现减压井出水量达不到设计要求，并且井内淤积较为严重，查明原因是施工单位未按设计和规范严格执行，致使产生上述问题。内蒙古自治区水利厅决定对新井进行处理，并在内水建字〔1999〕23号文中要求内蒙古水利勘测设计院对减压井淤堵问题做出淤堵处理的补充设计。内蒙古水利勘测设计院和红山水库管理局共同于1999年4月23日至6月16日进行了减压井清淤及试验工作，在此基础上做了减压井修复及改造工程初步设计，该设计为：对新增减压井进行充分洗井，增加其透水性的基础上再下108内管，其虑水管的滤网，依据原管内淤积物的颗分进行选取。

2.主坝上游防渗加固工程设计变更

初设中，坝基防渗设计为主坝右坝头做包山铺盖，提出了四个施工方法的可比方案：放空水库方案、低水筑围堰方案、冰上冻土施工方案、垂直造防渗墙方案。以上方案都有其较大的缺点：放空水库方案，存在一系列的社会和经济问题；低水筑围堰方案，围堰最低也将筑高8.0米；冰上冻土施工方案，可能整体性及与原铺盖连接有问题；垂直造防渗墙方案存在的问题是板墙过浅防渗效果差，板墙过深则施工难度大。因此，对初设中的主坝上游防渗加固工程进行了重新设计，即把初设中的包山铺盖防渗改为高喷灌浆和帷幕灌浆防渗。

内蒙古水利厅在内水建〔1992〕第68号文中，对该设计进行了批复。