江西省塘壩除險(xiǎn)整治設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

鄭 勇，余 雷，王萱子

(江西省水利科學(xué)研究院，南昌 330029)

塘壩是山區(qū)、丘陵地區(qū)重要的水利工程設(shè)施，在農(nóng)村飲水、農(nóng)業(yè)灌溉、養(yǎng)殖、改善農(nóng)村水土環(huán)境等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。根據(jù)江西省第一次全國(guó)水利普查塘壩統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該省現(xiàn)有塘壩22.97萬(wàn)處，總?cè)莘e28.91億m3，其中容積在1萬(wàn)(含)～10萬(wàn)m3的塘壩有6.44萬(wàn)處，容積總計(jì)22.37億m3。全省塘壩分布廣、數(shù)量多，運(yùn)行多年普遍存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、隱患多、投入少、管理弱等諸多問(wèn)題。全省許多塘壩屬病險(xiǎn)塘壩，需進(jìn)行除險(xiǎn)整治。

塘壩除險(xiǎn)整治設(shè)計(jì)目前缺少統(tǒng)一的國(guó)頒或部頒建設(shè)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。為規(guī)范全省塘壩除險(xiǎn)整治工程設(shè)計(jì)、施工和建設(shè)管理，通過(guò)對(duì)全省現(xiàn)有塘壩情況的典型調(diào)研，參考國(guó)外和省內(nèi)外小型水庫(kù)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，編制完成了《江西省塘壩除險(xiǎn)整治技術(shù)指南》(以下簡(jiǎn)稱指南)。指南通過(guò)近一年的工程建設(shè)實(shí)踐和檢驗(yàn)，取得了良好的效果，現(xiàn)將其設(shè)計(jì)要點(diǎn)及創(chuàng)新之處進(jìn)行總結(jié)分析。

1 塘壩大壩除險(xiǎn)整治技術(shù)要點(diǎn)

該省塘壩除險(xiǎn)整治原則上不加高大壩，如防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足規(guī)定要求的，優(yōu)先采用加大泄洪能力等工程措施。確需加高大壩的，須經(jīng)縣級(jí)水行政主管部門(mén)批準(zhǔn)。塘壩大壩除險(xiǎn)整治技術(shù)要點(diǎn)主要從一般構(gòu)造要求、防滲處理技術(shù)要求、反濾排水技術(shù)要求三方面進(jìn)行闡述分析。

1.1 壩體一般構(gòu)造要求

1.1.1 壩頂超高

壩頂高程應(yīng)不低于塘壩靜水位與壩頂超高之和。按設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用條件的壩頂超高和校核洪水位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高兩種情況計(jì)算，取最大值。

壩頂超高:Y=R5%+A

式中 Y——壩頂超高;

R5%——累計(jì)頻率5%的波浪爬高，可按指南附錄D查算，也可采用當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù);

A——安全加高，設(shè)計(jì)洪水位取0.5m，校核洪水位取0.3m。

由于塘壩除險(xiǎn)整治原則上不加高大壩，故設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位可按下列公式進(jìn)行反算:

塘壩的設(shè)計(jì)洪水位=塘壩的壩頂高程－0.5－R5%

塘壩的校核洪水位=塘壩的壩頂高程－0.3－R5%

1.1.2 壩頂構(gòu)造及壩坡

考慮到塘壩壩頂?shù)慕煌?、防汛搶險(xiǎn)的需要，重點(diǎn)塘壩壩頂寬度宜不小于4.0m，其余塘壩壩頂寬度宜不小于3.0m。其中，重點(diǎn)塘壩是指壩高超過(guò)10m、串聯(lián)型塘壩的最上級(jí)，位于高暴雨區(qū)、人口居住密集地或重要設(shè)施(如公路、鐵路等設(shè)施)上游500m以內(nèi)，如失事可能直接造成下游人員傷亡或設(shè)施損毀的塘壩。

通過(guò)對(duì)黏土、壤土、砂壤土三類土質(zhì)類型，壩高20m以下塘壩各種運(yùn)行工況的滲流穩(wěn)定模擬計(jì)算，偏于安全考慮，要求塘壩上、下游壩坡坡比(若有多級(jí)壩坡，指平均坡比)宜不小于表1要求。壩高超過(guò)20m時(shí)，上、下游壩坡坡比應(yīng)按相關(guān)規(guī)范要求計(jì)算確定。

表1 不同土質(zhì)類型的塘壩壩坡坡比的要求

1.2 壩體防滲技術(shù)要求

部分壩體單薄，需進(jìn)行培厚。對(duì)于可放空的塘壩，原則上要求在大壩上游坡進(jìn)行培厚，并盡可能與壩體防滲處理相結(jié)合。對(duì)于不能放空的塘壩，可在大壩下游坡進(jìn)行培厚，培厚土體應(yīng)采用透水性較好的材料。新設(shè)置的土質(zhì)心墻、斜墻等防滲體及壩基截水槽，其滲透系數(shù)應(yīng)不大于1×10－5cm/s;均質(zhì)土壩壩體滲透系數(shù)宜不大于1 ×10－4cm/s。

塘壩壩體或心墻等防滲體不能滿足防滲要求的，可以采用增設(shè)黏土斜墻結(jié)合壩基截水槽的防滲處理或采用沖抓套井回填黏土心墻進(jìn)行防滲處理，優(yōu)先采用增設(shè)黏土斜墻結(jié)合壩基截水槽的防滲處理方案。

1.2.1 斜墻防滲體技術(shù)要求

斜墻上薄下厚，頂部厚度一般不應(yīng)小于1.0m，底部厚度不小于壩前水頭的1/4～1/6、并且不小于2m，斜墻頂不應(yīng)低于校核洪水位。斜墻與兩岸山坡接觸部位一般應(yīng)放寬1倍。斜墻黏土的滲透系數(shù)不大于1×10－5cm/s，水溶鹽含量不大于3%，有機(jī)質(zhì)含量不大于2%。截水槽底寬一般不小于2.0m，且應(yīng)深入至基巖或相對(duì)不透水層以下不小于0.5m。

1.2.2 沖抓套井回填黏土心墻技術(shù)要求

沖抓套井回填黏土防滲心墻一般設(shè)置為單排，有效防滲厚度0.8m。土料應(yīng)采用黏土，滲透系數(shù)不大于1.0×10－5cm/s，黏粒含量以15% ～40%為宜，塑性指數(shù)為7～20，水溶鹽含量不大于3%，有機(jī)質(zhì)含量不大于2%，且應(yīng)有較好的塑性和滲透穩(wěn)定性。墻底部至基巖或覆蓋層以下不小于0.5m。

1.3 反濾排水技術(shù)要求

新填筑的壩體土料與相鄰?fù)翆娱g如不滿足層間關(guān)系，應(yīng)設(shè)置合理的反濾層和過(guò)渡層。土質(zhì)防滲體與壩殼排水體或壩基透水層之間應(yīng)滿足反濾原則，否則應(yīng)設(shè)置反濾層或同時(shí)設(shè)置反濾層和過(guò)渡層。對(duì)反濾層過(guò)渡層的設(shè)計(jì)及要求可參見(jiàn)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)。

下游壩面宜設(shè)置壩體排水設(shè)施，排水設(shè)施應(yīng)具有充分的排水能力，同時(shí)應(yīng)滿足反濾要求，保證滲透穩(wěn)定。壩體排水一般有貼坡排水和棱體排水兩種。

貼坡排水:推薦修建貼坡排水。排水體厚度(含反濾厚度)不小于0.6m，排水體高度取(1/3～1/4)H壩高。

棱體排水:在塘壩整治中一般不推薦新建，翻修的棱體排水體頂部寬度不小于0.8m，排水體頂高程應(yīng)超過(guò)壩腳最高水位和地面1.0m，排水棱體的高度一般為壩高的1/4～1/5，棱體內(nèi)坡可采用1∶1，外坡可采用1∶1.5。

2 塘壩溢洪道除險(xiǎn)整治技術(shù)要點(diǎn)

應(yīng)優(yōu)先選用泄洪能力大、運(yùn)行管理方便的開(kāi)敞式無(wú)閘控制溢洪道。溢洪道布置一般包括進(jìn)水渠、控制段、泄槽段、消能段及出水渠段。

2.1 進(jìn)水渠

進(jìn)水渠進(jìn)口型式可根據(jù)進(jìn)水口地形選擇布置，因地制宜采用對(duì)稱或基本對(duì)稱的八字形或弧形，八字形進(jìn)口施工更簡(jiǎn)單，弧形進(jìn)口水流條件更好。進(jìn)水渠底寬順?biāo)鞣较蚴湛s時(shí)，進(jìn)水渠首、末端底寬之比宜在1.5～3之間，在與控制段連接處應(yīng)與溢流前緣等寬。底板宜為平底或不大的反坡。進(jìn)水渠的導(dǎo)墻應(yīng)使水流平順，且應(yīng)高于泄洪時(shí)的最高水位。

2.2 控制段

控制段堰型可采用寬頂堰、折線堰、薄壁堰等型式。各堰型的適用條件及設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 寬頂堰、折線堰、薄壁堰適用條件及設(shè)計(jì)對(duì)比

式中 b——每孔凈寬度，m;

m——流量系數(shù)，直角形翼墻無(wú)坎寬頂堰，偏安全考慮認(rèn)為B=b;

H0——包括行進(jìn)流速水頭的堰前水頭，認(rèn)為H0=H。

舉例:興國(guó)縣××鄉(xiāng)××村××塘壩，集雨面積為0.4km2，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，河谷形狀為峽谷形，河流縱坡比較平順，滿庫(kù)時(shí)壩前水面寬度(B)經(jīng)測(cè)量為200m，溢洪道堰頂至壩頂水深(H)為1.5m，滿庫(kù)時(shí)水面長(zhǎng)度(L)經(jīng)測(cè)量為200m。設(shè)計(jì):溢洪道的溢流凈寬。

計(jì)算步驟:

a.確定塘壩所在分區(qū):根據(jù)指南查計(jì)算水文分區(qū)圖，知在Ⅰ區(qū)。

b.集雨面積為0.4km2，洪水頻率2.0%，查指南附錄C.2表可得洪峰流量Qm=16.87m3/s和洪水總量Wi=3.6×104m3。

溢洪道的溢流凈寬可按下式計(jì)算:

c.V滯= θ·B·H滯·L=0.3×200×200×1.5=1.8×104m3;

參照武漢水利電力學(xué)院農(nóng)水系編的《小型水庫(kù)工程》，利用公式進(jìn)行容積估算，亦可查指南附錄B。

e.溢洪道的溢流凈寬:

設(shè)計(jì)溢洪道的寬取為3.5m。

對(duì)位于高暴雨區(qū)或有特殊要求的塘壩，也可挖深溢洪道，使溢洪道的底板高程低于正常水位50～100cm，在底板上設(shè)一厚10～15cm的擋水板，擋水板頂部高程與正常水位平齊，當(dāng)遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，開(kāi)啟擋水板加大泄洪能力。

2.3 泄槽段

泄槽底板根據(jù)基礎(chǔ)情況，可采用混凝土或漿砌石襯砌，混凝土襯砌厚度不小于20cm，強(qiáng)度等級(jí)據(jù)水流速度大小一般為C20～C25，漿砌塊石襯砌厚度不小于30cm。若基礎(chǔ)為堅(jiān)硬巖體，也可不做襯砌保護(hù)。

2.4 消能段

出口消能的方式主要有挑流消能和底流消能兩種方式。挑流消能適用于出口為高陡山谷、基礎(chǔ)抗沖性能滿足要求時(shí)，底流消能適用于出口底板基礎(chǔ)條件差、抗沖性能不滿足要求時(shí)。

3 塘壩壩下涵管除險(xiǎn)整治技術(shù)要點(diǎn)

對(duì)于需整治處理的壩下涵管，加固方案有拆除重建和維修加固兩種方式。拆除重建方式中可采用原址或異址重建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)涵管或小管徑頂管法等處理方案。維修加固方式中可采用保留原管身段、對(duì)涵管進(jìn)行接長(zhǎng)、并重建進(jìn)出口段，或采用內(nèi)襯PE管法進(jìn)行處理，但均需注意其適用條件，經(jīng)多方案比較后確定。

3.1 拆除重建

對(duì)于原結(jié)構(gòu)形式為瓦、素混凝土、鋼絲網(wǎng)薄殼等的壩下涵管，或結(jié)構(gòu)已遭破壞的壩下涵管，原則上應(yīng)拆除重建。

3.1.1 原址或異址重建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)涵管

重建的壩下涵管一般由進(jìn)口段、管身段及出口段三部分組成。

3.1.1.1 進(jìn)口段

塘壩的涵管進(jìn)水口型式主要有分級(jí)臥管式進(jìn)水口(斜涵)、斜拉閘門(mén)式進(jìn)水口兩類。

a.分級(jí)臥管式進(jìn)水口。適用于引水流量小、水頭在30m以下的情況，此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，且便于引取表層水，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)有利。

b.斜拉閘門(mén)式進(jìn)水口。適用于基礎(chǔ)穩(wěn)定的情況，施工方便，造價(jià)低。

3.1.1.2 管身段

管身斷面型式主要有圓形、矩形和城門(mén)洞形。管身四周設(shè)C25混凝土結(jié)構(gòu)的截水環(huán)，用以防止管身外圍產(chǎn)生集中滲流?；炷两Y(jié)構(gòu)分縫寬20mm，縫內(nèi)設(shè)止水銅片(紫銅)，瀝青杉板填縫。

a.對(duì)于壩高≥10m的塘壩，為滿足檢修要求，管身推薦采用尺寸為80cm寬(B)×120cm高(H)的鋼筋混凝土平涵。

b.對(duì)于壩高＜10m的塘壩，管身結(jié)構(gòu)仍采用鋼筋混凝土，結(jié)構(gòu)以滿足灌溉要求而確定。

3.1.1.3 出口段

出口段一般距壩腳較近，若出口流速較大，可設(shè)消力池以減小流速，使水流平順而均勻地進(jìn)入渠道。

對(duì)于異址重建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)涵管，原涵管應(yīng)進(jìn)行可靠的封堵，封堵長(zhǎng)度可取涵管長(zhǎng)的1/3。

3.1.2 小管徑頂管法

小管徑頂管法不需破壩，主要適用于管徑小于50cm的壩下涵管重建工程，工程量少，施工期短，節(jié)約勞力，節(jié)約鋼材、水泥和資金，工程質(zhì)量可以得到保證，對(duì)塘壩蓄水影響小。

重建的涵管中心線應(yīng)通過(guò)土壩填土部分的壩體，避開(kāi)兩壩肩的山坡，以免碰到堅(jiān)硬的原山體或巖石，導(dǎo)致頂管失敗。同時(shí)也要求土壩壩體的沉陷已穩(wěn)定，否則重建的輸水涵管會(huì)因不均勻沉陷而遭到損壞。其工作原理是根據(jù)打樁的原理，將鋼管頂進(jìn)壩內(nèi)。

3.2 維修加固

對(duì)于結(jié)構(gòu)未遭破壞的壩下涵管，可采用保留原管身段，對(duì)涵管進(jìn)行接長(zhǎng)，并重建進(jìn)出口段，或采用內(nèi)襯PE管法進(jìn)行處理。

進(jìn)出口段重建設(shè)計(jì)與“原址或異址重建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)涵管”的進(jìn)出口段設(shè)計(jì)相同。對(duì)于涵管內(nèi)襯PE管，其管徑應(yīng)小于原有管道的管徑，規(guī)格尺寸可參照規(guī)范《給水聚乙烯管道管材標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 13663—2000)。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，國(guó)家高度重視農(nóng)村塘壩除險(xiǎn)整治工作，專門(mén)拿出資金用于農(nóng)村塘壩除險(xiǎn)整治。做好塘壩除險(xiǎn)整治工作，保證塘壩運(yùn)行安全可靠，對(duì)夯實(shí)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展基礎(chǔ)具有重要意義。■

1 SL 274—2001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

2 SL 189—96小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則［S］.

3 SL 253—2000溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

4 武漢水利電力學(xué)院農(nóng)水系.小型水庫(kù)工程［M］.北京:人民教育出版社，1978.

5 GB/T 13663—2000給水聚乙烯管道管材標(biāo)準(zhǔn)［S］.