淺談小 (Ⅱ)型土石壩水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)思路

王長(zhǎng)金

(江西省玉山縣水利局,江西 玉山 334700)

中共中央、國(guó)務(wù)院 《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》中提出加快小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固步伐,小(Ⅱ)型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作已提上議事日程。由于小 (Ⅱ)型水庫(kù)數(shù)量大、分布廣,要在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上按要求完成除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)工作,即能保證設(shè)計(jì)質(zhì)量,又能使設(shè)計(jì)方案比較符合水庫(kù)工程實(shí)際,達(dá)到投資合理并能提高投資效益,因而就有必要對(duì)小(Ⅱ)型水庫(kù)的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)思路進(jìn)行探討。

1 土石壩小 (Ⅱ)型水庫(kù)病情概述

小 (Ⅱ)型水庫(kù)大多建于20世紀(jì)50～60年代,大壩壩體基本為土石壩。由于受當(dāng)時(shí)歷史條件限制,技術(shù)上不成熟,建設(shè)資金短缺,施工工藝落后,工程施工質(zhì)量差,導(dǎo)致這些土石壩小 (Ⅱ)型水庫(kù)先天不足,再加上已運(yùn)行了40～50年,平時(shí)管理又不善,因而水庫(kù)大壩、溢洪道、輸水涵管等工程設(shè)施普遍存在破損、斷裂、老化等質(zhì)量問(wèn)題。影響了水庫(kù)的安全和效益的發(fā)揮,甚至成為防洪安全的最大隱患。

江西玉山縣與全國(guó)各地一樣,雖然在20世紀(jì)70年代末至80年代初開(kāi)展了一些加固擴(kuò)建,但受當(dāng)時(shí)資金投入的限制,小 (Ⅱ)型水庫(kù)很多問(wèn)題未得到徹底解決。

2010年5、6月份江西宜春市宜豐縣何塘水庫(kù)和銅鼓縣楓槎水庫(kù)連續(xù)兩座土石壩小 (Ⅱ)型水庫(kù)垮壩,教訓(xùn)是深刻的。

通過(guò)分析導(dǎo)致這兩座水庫(kù)垮壩的原因,土石壩小 (Ⅱ)型水庫(kù)普遍存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1.1 大壩

(1)壩頂高程不夠。當(dāng)時(shí)技術(shù)力量薄弱,有的沒(méi)有通過(guò)洪水計(jì)算,有的僅憑經(jīng)驗(yàn)確定壩頂高程,有的擅自改變運(yùn)行方式,因而達(dá)不到部頒近期非常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)。如江西玉山縣東弄水庫(kù)在1985年6月一場(chǎng)大雨之后,庫(kù)水位接近壩頂,不得不臨時(shí)新開(kāi)一條非常溢洪道,才避免水庫(kù)漫壩。江西銅鼓縣楓槎水庫(kù)2010年6月主要因水庫(kù)漫壩而導(dǎo)致垮壩。

(2)壩體滲漏嚴(yán)重。當(dāng)時(shí)施工工藝落后,筑壩土料質(zhì)量控制差,背水坡壩腳沒(méi)有反濾體或反濾體運(yùn)行多年堵塞失效,平時(shí)又管護(hù)不善,螞蟻、老鼠、蛇等在壩體中打洞、筑窩,導(dǎo)致壩體多處嚴(yán)重漏水或壩坡大面積散浸。1987年7月江西玉山縣楓樹(shù)灣水庫(kù)因多年滲漏未得到處理而突然滑坡并導(dǎo)致垮壩。江西宜豐縣何塘水庫(kù)垮壩的原因之一也是壩體滲漏多年沒(méi)得到處理。

(3)壩體單薄。當(dāng)時(shí)大多憑經(jīng)驗(yàn)土法上馬,存在壩體橫斷面尺寸不足,壩體不完整,壩頂寬度不足;又因建壩資金短缺而大壩迎水坡基本沒(méi)有砌護(hù),運(yùn)行多年受風(fēng)浪沖刷嚴(yán)重,導(dǎo)致大壩單薄而穩(wěn)定性差。

1.2 溢洪道

(1)無(wú)襯護(hù)。當(dāng)時(shí)資金短缺,溢洪道邊坡及底板基本沒(méi)有襯護(hù),有的容易塌方,有的雜草叢生,導(dǎo)致泄洪能力差。1989年6月江西玉山縣玉東水庫(kù)溢洪道邊坡因未襯護(hù)發(fā)生大面積塌方,當(dāng)?shù)卣M織100多人及時(shí)進(jìn)行了清理,當(dāng)時(shí)塌方時(shí)庫(kù)水位已接近溢洪道底板,如再遭遇一場(chǎng)大雨,后果不堪設(shè)想。

(2)過(guò)水?dāng)嗝娉叽绮粔颉＜夹g(shù)上未及時(shí)跟上,沒(méi)有通過(guò)調(diào)洪演算,隨地形憑經(jīng)驗(yàn)開(kāi)挖,斷面尺寸不足,沒(méi)有消能設(shè)施,過(guò)水能力差。

(3)建筑物老化損壞。經(jīng)過(guò)幾十年運(yùn)行,溢洪道泄水建筑物不同程度存在老化、破損、失穩(wěn)、沖刷嚴(yán)重,影響泄洪能力。

1.3 輸水涵管

絕大多數(shù)土石壩小 (Ⅱ)型水庫(kù)由于當(dāng)時(shí)技術(shù)、資金等諸多原因,都采用壩下埋管形式,并且涵管管身材料一般較差,大部分采用土燒的瓦管,有的采用石灰砂漿砌石涵洞或素混凝土預(yù)制涵管,經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行,存在老化、斷裂、破損、錯(cuò)位,庫(kù)水很容易通過(guò)壩體在壩下涵管存在隱患處擊穿流出,壩體與涵管接觸部位容易形成滲漏通道,進(jìn)而帶走壩體土料,造成壩體坍塌直至垮壩質(zhì)量事故,嚴(yán)重威脅下游安全。

2003年6月江西玉山縣內(nèi)塢及石爬弄兩座山塘水庫(kù)垮壩就是壩下涵管老化破損造成,大壩缺口處就在涵管位置。

1.4 其它

小 (Ⅱ)型水庫(kù)基本沒(méi)有水情測(cè)報(bào),沒(méi)有防汛道路或防汛道路標(biāo)準(zhǔn)低,沒(méi)有管理設(shè)施或設(shè)施陳舊落后,對(duì)做好水庫(kù)防汛工作非常不利。

2 土石壩小 (Ⅱ)型水庫(kù)除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)思路

本文主要針對(duì)土石壩的水庫(kù)進(jìn)行探討,其各建筑物除險(xiǎn)加固處理的設(shè)計(jì)技術(shù)方案應(yīng)根據(jù)水庫(kù)具體病情情況,按照下列設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 擋水建筑物除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

(1)壩體加高培厚設(shè)計(jì):現(xiàn)狀壩體單薄,壩高不夠,需進(jìn)行加高培厚時(shí),由于歷史原因,下游壩腳多是農(nóng)田,甚至有的還緊靠農(nóng)民房子,有的緊靠近后來(lái)新開(kāi)通的高速公路、鐵路,如江西省玉山縣120座小 (Ⅱ)型水庫(kù)就有 20座靠近農(nóng)民房子,有5座靠近高速公路,有3座靠近鐵路,其它多是農(nóng)田。設(shè)計(jì)時(shí)考慮盡量不征用耕田,不拆遷房子,不影響交通,原則上設(shè)計(jì)在大壩上游坡進(jìn)行培厚、加高,并盡可能與壩體防滲相結(jié)合。

(2)大壩防滲加固設(shè)計(jì):對(duì)于土石壩壩體防滲加固,有多種方案,比如混凝土防滲墻方案,江西玉山縣的毛宅水庫(kù)、東弄水庫(kù)分別采用液壓開(kāi)槽機(jī)、射水機(jī)在壩體中建造槽型孔,然后以直升導(dǎo)管向槽孔內(nèi)澆筑混凝土,形成連續(xù)的混凝土墻,以達(dá)到防滲目的,該方案造價(jià)較高且需要功力較大的電源;比如土工膜、塑料薄膜防滲方案,江西玉山縣的西村水庫(kù)、江家塢水庫(kù)分別在上游壩面鋪設(shè)土工膜、塑料薄膜加固,以達(dá)到防滲目的,該方案工藝要求高,膜易老化且壽命不長(zhǎng) (上述西村水庫(kù)1988年實(shí)施的薄膜防滲,現(xiàn)在下游壩坡又出現(xiàn)局部散浸)。小 (Ⅱ)型水庫(kù)大多在山壟里,遠(yuǎn)離電源,但附近粘土豐富,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮上游坡設(shè)置粘土斜墻、粘土鋪蓋及壩基截水槽的防滲方案,該方案比混凝土防滲墻方案造價(jià)低,又比土工薄膜方案施工工藝簡(jiǎn)單,易控制質(zhì)量。少量水庫(kù)大壩相對(duì)較高,壩坡又符合規(guī)范要求,但滲漏嚴(yán)重的,可設(shè)計(jì)沖抓粘土心墻防滲處理方案,即利用沖抓式打井機(jī),在壩體中造孔,用粘土在孔中分層回填夯實(shí),形成一個(gè)連續(xù)的粘土防滲墻。對(duì)于壩基 (含兩岸壩肩),一般不考慮設(shè)計(jì)防滲帷幕灌漿措施。

(3)大壩下游反濾體加固設(shè)計(jì):考慮小 (Ⅱ)型水庫(kù)壩體不高,,為節(jié)省造價(jià),現(xiàn)狀無(wú)反濾排水設(shè)施的,優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)貼坡反濾體,如江西玉山縣10座小型水庫(kù)均采用該形式貼坡反濾體,排水效果很好;現(xiàn)狀有反濾排水設(shè)施的,應(yīng)優(yōu)先考慮翻修利用原反濾設(shè)施,并在順壩軸線方向適當(dāng)位置設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)經(jīng)過(guò)抽槽后新建的反濾陵體;現(xiàn)狀反濾排水設(shè)施失去翻修價(jià)值的,方可考慮設(shè)計(jì)拆除重建,但重建的反濾排水設(shè)施形式還應(yīng)設(shè)計(jì)為貼坡反濾體形式。設(shè)計(jì)貼坡反濾體時(shí),反濾層每層的厚度應(yīng)根據(jù)材料的級(jí)配、料源、用途、施工方法等綜合確定,一般小 (Ⅱ)型水庫(kù)貼坡反濾體多采用人工施工,水平反濾層的最小厚度可設(shè)計(jì)0.3m,采用土工織物做反濾層時(shí),則按 《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)。

(4)上下游護(hù)坡加固設(shè)計(jì):土石壩上、下游已有護(hù)坡的,應(yīng)充分利用現(xiàn)有護(hù)坡材料,上游坡整修原護(hù)坡并在上面澆筑10cm厚素混凝土,下游坡采用護(hù)坡修補(bǔ)加固方案;土石壩上、下游沒(méi)有護(hù)坡的,上游坡設(shè)計(jì)洪水位以下應(yīng)優(yōu)先設(shè)計(jì)選用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡,混凝土預(yù)制塊形狀為六邊型,厚度為10cm,為防止壩頂行人不慎沿著光滑的混凝土預(yù)制塊護(hù)坡滑下水庫(kù)造成安全事故,上游坡設(shè)計(jì)洪水位以上至壩頂不采用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡,而采用草皮護(hù)坡。為節(jié)省造價(jià),下游護(hù)坡一般設(shè)計(jì)采用草皮護(hù)坡。大壩下游壩坡應(yīng)設(shè)置排水系統(tǒng)。

(5)壩頂加固設(shè)計(jì):壩頂一般設(shè)計(jì)采用混凝土結(jié)構(gòu)路面,路面寬一般設(shè)計(jì)為4m,可滿足防汛管理要求。

2.2 輸水建筑物除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

2.2.1 壩下涵管加固設(shè)計(jì)

小 (Ⅱ)型土石壩水庫(kù)壩下埋設(shè)的涵管多為瓦管、石灰砂漿砌石涵洞或素混凝土預(yù)制管結(jié)構(gòu)。

(1)對(duì)于壩高大于15m,且大壩兩岸山體地質(zhì)條件適應(yīng)新建隧洞的,優(yōu)先設(shè)計(jì)采用廢堵老涵管新建灌溉隧洞的處理方案。

(2)對(duì)于壩高小于15m,且壩頂長(zhǎng)度較長(zhǎng)的,優(yōu)先設(shè)計(jì)采用開(kāi)挖壩體拆除老涵管,原址重建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)涵洞的處理方案。

(3)對(duì)于壩高大于15m而大壩兩岸山體地質(zhì)條件不適應(yīng)打隧洞的,以及壩高小于15m而壩頂長(zhǎng)度短,拆除老涵管會(huì)將整個(gè)大壩壩體挖掉的,可以設(shè)計(jì)采用涵管內(nèi)套管后再在內(nèi)套管外壁與老涵管內(nèi)壁間回填灌漿的加固處理方案,內(nèi)套管材料可以采用鋼管,也可以采用具有較好抗沖擊性能和長(zhǎng)期蠕變性能的PP-R管。

(4)對(duì)于10m以下低壩,也可考慮廢堵老涵管,從庫(kù)內(nèi)到庫(kù)外新架設(shè)虹吸管處理方案,虹吸管管材可以采用鋼管,也可以采用具有較好抗沖擊性能和長(zhǎng)期蠕變性能的PP-R管。

(5)對(duì)保留繼續(xù)使用的壩下涵管,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮接觸滲漏隱患,根據(jù)實(shí)際情況采用接觸灌漿、回填灌漿或劈裂灌漿處理。

(6)涵管進(jìn)口一般采用斜臥式,斜臥在水庫(kù)大壩附近左岸或右岸山體上,斜臥式進(jìn)水口取水設(shè)施采用廠家成套定型的放水活門(mén)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝。

2.2.2 輸水隧洞加固設(shè)計(jì)

現(xiàn)狀已有隧洞,已襯護(hù)的由于運(yùn)行多年老化、失穩(wěn)、沖蝕嚴(yán)重等存在病險(xiǎn)問(wèn)題,只對(duì)影響水庫(kù)蓄水安全的進(jìn)口閘室、洞身裂縫等進(jìn)行設(shè)計(jì)加固處理;由于當(dāng)時(shí)資金問(wèn)題沒(méi)襯護(hù)的,只對(duì)隧洞進(jìn)出口適當(dāng)距離進(jìn)行鋼筋混凝土襯護(hù)。原則上不再設(shè)計(jì)新建隧洞。

2.2.3 輸水建筑物后引水灌溉工程

輸水建筑物后的渠首、渠道、渡槽、倒虹吸等引水灌溉工程屬于小農(nóng)水工程,不納入水庫(kù)的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮輸水建筑物與引水灌溉工程銜接。

2.3 泄水建筑物加固設(shè)計(jì)

(1)為方便管理,土石壩的泄水建筑物應(yīng)優(yōu)先設(shè)計(jì)選用下泄能力較大的且運(yùn)行管理較為方便的岸邊開(kāi)敞式無(wú)閘控制溢洪道。

(2)為了提高泄洪能力,經(jīng)過(guò)洪水計(jì)算,可在原溢洪道上擴(kuò)寬或加深,原則上不考慮新建溢洪道。

(3)溢洪道襯護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在滿足安全,耐久的前提下,選用經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。溢洪道進(jìn)水渠、泄槽、出水渠在較好的巖基上,其底板、邊坡一般考慮不作襯護(hù)設(shè)計(jì);溢洪道進(jìn)水渠、泄槽在土基上,其底板及邊坡考慮僅只對(duì)影響泄洪安全的部位進(jìn)行除險(xiǎn)加固襯護(hù)設(shè)計(jì)。出水渠一般不作襯護(hù)設(shè)計(jì)。

2.4 交通工程設(shè)計(jì)

由于歷史原因,小 (Ⅱ)型水庫(kù)普遍地理位置相對(duì)偏僻,對(duì)于無(wú)上壩公路、無(wú)進(jìn)庫(kù)公路的;或者上壩、進(jìn)庫(kù)道路條件很差的,為方便以后防汛管理,完善水庫(kù)防汛 “三通”,應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)進(jìn)庫(kù)及上壩公路。水庫(kù)坐落在村莊中且進(jìn)庫(kù)公路短,可結(jié)合新農(nóng)村建設(shè)考慮設(shè)計(jì)硬質(zhì)化混凝土路面,水庫(kù)離村莊遠(yuǎn)且進(jìn)庫(kù)路長(zhǎng),一般不作混凝土路面設(shè)計(jì)。

2.5 安全運(yùn)行及管理設(shè)施設(shè)計(jì)

根據(jù)多年小 (Ⅱ)型水庫(kù)管理經(jīng)驗(yàn)以及工程運(yùn)行實(shí)際狀況,設(shè)計(jì)時(shí)可僅考慮兩種情況。

(1)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施:為正確制定度汛方案及正確調(diào)度水庫(kù)運(yùn)行,應(yīng)設(shè)置水庫(kù)水位標(biāo)尺,其他監(jiān)測(cè)設(shè)施可不予考慮。

(2)管理設(shè)施:在汛期方便管理人員值守,應(yīng)設(shè)計(jì)一座值班房,根據(jù)地形布置,面積控制在30m2以內(nèi),其他管理設(shè)施可不予考慮。

3 結(jié) 語(yǔ)

小 (Ⅱ)型水庫(kù)規(guī)模雖然沒(méi)有大中型水庫(kù)大,但麻雀雖小,五臟俱全,本文提出五個(gè)方面的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)思路,目的是為小 (Ⅱ)型土石壩水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供參考,既能保證設(shè)計(jì)質(zhì)量,達(dá)到除險(xiǎn)加固效果;又能控制投資規(guī)模,提高投資效益。