安徽省中小型水庫存在的問題及除險(xiǎn)加固對策探討

黃林霞 黃靈敏

一、引言

新中國成立以來，安徽省十分重視防洪、蓄水工程建設(shè)，利用山區(qū)、丘陵有利的地形、地質(zhì)和水資源條件，興建了近4800座各類中小型水庫。總庫容27.0億m3，興利庫容15.3億m3。

中小型水庫為數(shù)眾多，壩型多樣，但大多為就地取材而建的土石壩。這些水庫在防洪、灌溉、供水、發(fā)電、養(yǎng)殖等方面發(fā)揮了顯著效益，為抗御水旱災(zāi)害、改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收、發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)、改善生態(tài)環(huán)境、保障社會(huì)穩(wěn)定作出了重大貢獻(xiàn)。然而由于各種原因，許多水庫都不同程度存在一些病險(xiǎn)問題，特別是上世紀(jì)六七十年代民工投勞建成的水庫問題更為突出，成為安徽省水庫除險(xiǎn)加固工作的重點(diǎn)對象。

二、水庫存在的問題

1.工程原規(guī)劃設(shè)計(jì)先天不足

安徽省現(xiàn)有的中小型水庫大多在“大躍進(jìn)”時(shí)期開工建設(shè)，沒有嚴(yán)格而又完整的設(shè)計(jì)報(bào)告和圖紙。防洪標(biāo)準(zhǔn)不明確，水庫調(diào)洪演算成果欠缺，調(diào)度運(yùn)用方式單一；大壩及其他建筑物未能按有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，甚至一些大壩的壩頂高程和寬度、坡面的坡比等基本參數(shù)都達(dá)不到現(xiàn)行規(guī)范的最低要求。經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，很多水庫都暴露出了因原規(guī)劃設(shè)計(jì)先天不足而引起的安全隱患問題。

2.土石壩施工質(zhì)量缺乏控制

安徽省很多水庫土石壩都是采用人工挑抬土方填筑而成，施工期間為追求施工進(jìn)度，壩體填筑時(shí)填土分層厚度較大，碾壓夯實(shí)過于簡單，填筑質(zhì)量靠人工目測控制。另據(jù)調(diào)查，一些大壩施工時(shí)，每一個(gè)生產(chǎn)隊(duì)填筑一個(gè)壩段，在相鄰的施工壩段接頭處基本不夯實(shí)，接頭處理不好，造成水庫運(yùn)行一段時(shí)間后壩頂高程高低不平。上述諸多施工質(zhì)量問題也是大壩產(chǎn)生滲漏的主要原因，甚至有的大壩內(nèi)外邊坡抗滑穩(wěn)定性經(jīng)安全復(fù)核都不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3.壩基地質(zhì)條件復(fù)雜，防滲處理不到位，大壩滲漏嚴(yán)重

大壩填筑土料的密實(shí)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，壩體在高水位運(yùn)行時(shí)，壩坡及壩頂多次發(fā)生凹陷、裂縫。壩身填筑時(shí)，未進(jìn)行清基，甚至連原地面草皮及淤泥都沒有清除，更未做任何防滲處理。壩身填筑土料土體中含有碎石、植物根莖等雜質(zhì)，孔隙比較大，級(jí)配不合理，結(jié)構(gòu)松散，背水坡坡身及壩腳有多處散浸、滲漏。

大壩兩端與岸坡接觸面未作處理，導(dǎo)致壩肩繞滲現(xiàn)象普遍；一些水庫大壩存在嚴(yán)重蟻害，威脅大壩的防滲安全；大壩下游無反濾排水設(shè)施，壩腳局部產(chǎn)生坍塌和存在陡坎。

4.大壩迎水面護(hù)砌不完善，浪坎普遍

很多水庫大壩上游坡未護(hù)砌，風(fēng)浪淘刷破壞嚴(yán)重，局部已護(hù)砌壩段混凝土護(hù)坡板或砌石變形、破損嚴(yán)重，有的在壩腳設(shè)置漿砌石擋浪墻，因其砂漿強(qiáng)度偏低，墻體抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，外傾變形嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)塌陷、壩坡脫落、混凝土護(hù)坡塌陷斷裂、擋浪墻后淘空、墻體發(fā)生裂縫倒塌等現(xiàn)象。隨著大壩迎水坡面損壞急劇增加，大壩坡面浪坎到處可見，影響壩坡安全穩(wěn)定。

5.建筑物施工質(zhì)量差，影響工程效益發(fā)揮

安徽省中小型土石壩水庫大部分建有泄洪涵、放水涵和溢洪道等建筑物。

泄洪涵和放水涵多為漿砌石圬工結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)老化、破損，涵身多處出現(xiàn)裂縫，滲漏嚴(yán)重；出口消能部分沖刷淘空；無啟閉房，閘門、啟閉設(shè)備銹蝕嚴(yán)重，不能正常安全運(yùn)用。

溢洪道底板及側(cè)墻也多為圬工結(jié)構(gòu)，底板多被水流淘空，形成多處沖坑；底板下無任何防滲設(shè)施，存在明顯水流的通道；下游消能防沖設(shè)施破壞嚴(yán)重；有的水庫溢洪道下游回水淘刷附近大壩背水側(cè)壩腳，影響水庫安全泄洪。

6.管理設(shè)施落后

進(jìn)庫道路質(zhì)量較差，影響防汛搶險(xiǎn)物資的及時(shí)調(diào)入，影響防汛搶險(xiǎn)；缺少必要的安全監(jiān)測設(shè)施及水情觀測設(shè)施；管理設(shè)施陳舊、落后。

三、常規(guī)加固處理措施

1.洪水標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核

根據(jù)水庫所在河流的基本情況、功能、集水面積、灌溉面積、水文氣象資料，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）確定水庫洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和校核標(biāo)準(zhǔn)、水庫工程等別、各水工建筑物級(jí)別等。

安徽省很多中小型土石壩水庫無整編水位和雨量觀測資料，所在流域的上游地區(qū)無完整連續(xù)的實(shí)測流量資料，因此，水庫設(shè)計(jì)洪水復(fù)核一般采用《安徽省暴雨參數(shù)等值線圖、山丘區(qū)產(chǎn)匯流分析成果和山丘區(qū)中、小面積設(shè)計(jì)洪水計(jì)算辦法》，同時(shí)參考經(jīng)審批的附近流域相關(guān)水庫工程設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行綜合分析，推算水庫的各項(xiàng)特征水位、庫容、流量等，同時(shí)提出水庫的調(diào)度運(yùn)用方式。

2.壩頂高程復(fù)核

按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）的規(guī)定，壩頂高程分別按以下三種情況進(jìn)行計(jì)算，取其最大值。

（1）設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用情況的壩頂超高。

（2）校核洪水位加正常運(yùn)用情況的壩頂超高。

（3）正常蓄水位加非常運(yùn)用情況的壩頂超高加地震涌浪高（當(dāng)?shù)卣鹪O(shè)防烈度超過7度時(shí)）。

壩頂在水庫靜水位以上的超高由三部分組成，即波浪爬高、風(fēng)雍水面高度和安全加高。

計(jì)算得出的最小壩頂高程與現(xiàn)狀壩頂高程進(jìn)行比較，若前者較大，則大壩需要加高，否則維持現(xiàn)狀壩頂高程。

3.大壩防滲加固設(shè)計(jì)

（1）滲透破壞類型判別和臨界坡降的計(jì)算。根據(jù)在壩基、壩身中取土進(jìn)行的土工試驗(yàn)成果，利用規(guī)范推薦的方法，對壩身填土和壩基土的滲透變形類型及滲透破壞可能性進(jìn)行判別。按照《水利水電工程地質(zhì)勘探規(guī)范化》（GB50287-99）附錄M《土的滲透變形判別方法》來判斷是流土破壞還是管涌破壞。

（2）滲流穩(wěn)定計(jì)算分析。大壩滲流計(jì)算主要內(nèi)容為：確定壩體浸潤線有其出逸點(diǎn)位置，繪制壩體及壩基的流網(wǎng)圖；確定壩體及壩基的滲流量；確定壩體及壩基的滲透坡降和出逸坡降，并判斷其滲透穩(wěn)定性。

（3）防滲處理方案的選擇。大壩壩身垂直防滲形式很多，目前省內(nèi)常用的有塑性混凝土防滲墻、高壓定噴防滲墻、粘土劈裂灌漿防滲墻和多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻等。塑性混凝土防滲墻技術(shù)比較成熟，建造的墻體厚度和質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求，但工程投資較大。高壓定噴防滲造墻墻體較薄，工程量較省，但鉆孔易發(fā)生偏斜而造成搭接厚度不足，接頭防滲質(zhì)量可靠性較差。粘土劈裂灌漿防滲墻工程投資較小，但對壩體可能造成損傷。在實(shí)際工作中，安徽省中小型土石壩通常采用以下兩種壩體防滲加固措施：

多頭小直徑深層攪拌樁截滲墻：該技術(shù)是運(yùn)用特制的多頭小直徑深層攪拌樁機(jī)，把水泥漿噴入土體并攪拌形成水泥土墻，用水泥土墻作為防滲墻達(dá)到截滲的目的。

沖抓套井回填粘土：沿大壩壩軸線布置粘土井柱防滲墻，采用單排孔造墻，沖抓孔孔徑1.2m，孔距0.8m，有效厚度0.893m，造孔底高程深入不透水層下1.0m左右。

（4）加固后滲流穩(wěn)定復(fù)核。為了便于比較，采用與加固前對應(yīng)的典型斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果可看出，通過防滲加固處理后，典型斷面的滲透坡降及壩腳出逸坡降較加固前明顯減小（且要小于規(guī)范容許值），出逸點(diǎn)高程也明顯降低。

4.大壩結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)

（1）大壩現(xiàn)狀抗滑穩(wěn)定分析。水庫壩坡穩(wěn)定復(fù)核分為穩(wěn)定滲流期和水庫水位降落期兩種工況，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001），水庫大壩抗滑穩(wěn)定分析包括如下內(nèi)容：

①大壩穩(wěn)定滲流期的上、下游坡，庫水位分別為校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位、設(shè)計(jì)蓄水位，下游分為有水和無水兩種狀況；

②大壩水庫水位降落期的上游坡，其中第一種為校核洪水位降至死水位與蓄水位間的1/3處，第二種為設(shè)計(jì)蓄水位降至死水位；下游分為有水和無水兩種狀況。

根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果，若大壩上、下游坡幾種工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足要求，則大壩邊坡無需處理，否則要進(jìn)行放緩邊坡或加培處理。壩坡加培時(shí)必須清基，鏟除表面雜物。現(xiàn)場查勘發(fā)現(xiàn)，清基面應(yīng)修成緩坡狀，再填筑粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)壤土（或中粉質(zhì)壤土），分層碾壓夯實(shí)，嚴(yán)格控制含水量，壩身壓實(shí)度不低于規(guī)范要求。

（2）壩坡抗震安全復(fù)核。當(dāng)?shù)卣鸹玖叶榷á鞫?，根?jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203-97）規(guī)定，大壩除險(xiǎn)加固應(yīng)考慮地震影響。

大壩抗震穩(wěn)定計(jì)算主要對正常運(yùn)用條件下地震時(shí)上、下游壩坡的抗滑穩(wěn)定性。采用《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203—97）附錄 A《土石壩擬靜力法抗震穩(wěn)定計(jì)算方法》，確定壩坡抗震穩(wěn)定的作用效應(yīng)和抗力的代表值，壩身和壩基土層抗剪強(qiáng)度原則應(yīng)取動(dòng)力試驗(yàn)指標(biāo)。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99）附錄 N，還要分析地震作用下飽和無粘性土和少粘性土存在液化破壞的可能。

（3）壩坡護(hù)坡加固處理。常見的護(hù)坡類型有草皮、干砌塊石、漿砌塊石、混凝土等。

草皮護(hù)坡造價(jià)低廉，但易受人畜破壞，且抗沖刷能力差，大壩背水側(cè)無水流沖刷之憂，適合種植草皮護(hù)坡。干砌塊石護(hù)坡造價(jià)較低，并且能很好地適應(yīng)地基變形，但容易遭到破壞；漿砌塊石造價(jià)相對較高，但抵抗波浪沖擊的能力強(qiáng)?；炷磷o(hù)坡整體性好，且能機(jī)械化施工，縮短工期，其造價(jià)與干砌石相近，但對堤坡變形適應(yīng)能力差，考慮到現(xiàn)有堤防已經(jīng)過幾十年的固結(jié)沉降，堤身變形小，不致造成破壞。隨著科技進(jìn)步，近幾年很多大壩采用生態(tài)混凝土護(hù)坡型式。

（4）拆除重建放水和泄洪建筑物。安徽省大部分中小型土石壩水庫的放水涵、泄洪涵及溢洪道都為漿砌石圬工結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)性差，勾縫及砌筑砂漿脫落、空洞、滲漏。邊墻側(cè)填土不密實(shí)，引起周邊大壩滲漏，影響水庫大壩及泄洪涵本身安全。在大壩加固過程中，對這些水工建筑物進(jìn)行拆除重建，重建原則為在原址按原規(guī)模做成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

（5）完善管理和觀測設(shè)施。在大壩加固過程中，按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）的規(guī)定，改建或重建管理房、進(jìn)出水庫管理所的防汛道路和壩頂?shù)缆?。設(shè)置一定數(shù)量的沉降標(biāo)點(diǎn)、測壓管和水位標(biāo)尺等。

四、結(jié)語

安徽省大部分中小型土石壩水庫都是以灌溉為主，兼有防洪和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益的水庫，壩體結(jié)構(gòu)型式和存在的問題大同小異。認(rèn)真分析存在問題的原因，提出科學(xué)合理的除險(xiǎn)加固措施，可以為各中小型水庫加固后能正常的安全運(yùn)行提供一定的技術(shù)支撐，確保水庫發(fā)揮應(yīng)有的綜合效益■