小型水庫除險加固技術審查若干要點及思考

歐陽建，彭海波

（1.武漢大學水利水電學院，430072，武漢；2.廣東省水利電力勘測設計研究院，510635，廣州；3.廣東省水利水電科學研究院，510610，廣州）

小型水庫除險加固技術審查若干要點及思考

歐陽建1，2，彭海波3

（1.武漢大學水利水電學院，430072，武漢；2.廣東省水利電力勘測設計研究院，510635，廣州；3.廣東省水利水電科學研究院，510610，廣州）

在開展小型病險水庫除險加固前期技術審查工作時，發(fā)現(xiàn)防洪安全分級、輸水涵管明滿流運行、庫容系數(shù)異常和正常使用年限的確定等4個問題需要引起注意。這4個問題具有一定的隱蔽性，在前期工作中易出錯或被忽視。現(xiàn)結合小型水庫的實際情況，在分析技術規(guī)范內(nèi)涵和相關學術成果的基礎上，對上述問題提出了技術審查中的解決方案。

小型水庫；除險加固；防洪安全分級；明滿流；庫容系數(shù)；合理使用年限

小型病險水庫除險加固前期工作中的技術審查包括安全鑒定核查和初步設計審查兩部分內(nèi)容。結合2015年度新增小型病險水庫的技術審查工作，對容易忽視和關注不足的有關技術問題進行探討和解釋，現(xiàn)主要集中在防洪安全分級、輸水涵管明滿流交替狀況處理、庫容系數(shù)異常和正常使用年限運用等4個方面的技術問題。小型水庫的防洪安全性評價容易出現(xiàn)偏于安全的評級，造成對水庫安全狀況的認識出現(xiàn)偏差；因泄洪設施位置設置偏高易導致庫容系數(shù)異常，使得水庫無法溢洪；輸水涵管一般設計為有壓流，進水口設置閘門，忽視了運行中閘門控流下存在明滿交替流態(tài)下工作的可能；小型水庫除險加固初步設計均未注明建筑物正常使用年限，目前對于如何將《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規(guī)范》(SL 654—2014)運用到除險加固中還屬于一個新問題。

處理好上述問題可有效提高前期工作質(zhì)量，增強水庫運行的安全性和合理性?，F(xiàn)對技術審查中處理這4個問題的具體思路和處理方法進行介紹，對于今后同類問題和狀況的處理也具有一定的參考價值。

一、防洪安全分級

相對于對結構和滲流安全的 “強要求”（不滿足規(guī)范要求，即評價為C級），《水庫大壩安全評價導則》（SL 258—2000）（以下簡稱“SL 258”）對防洪標準屬于“弱要求”。因為按照現(xiàn)行頻率分析法計算的設計洪水成果偏大，設計偏于安全，所以當水庫抗洪能力不滿足 《防洪標準》（GB 50201—2014）（以下簡稱“GB 50201”）的要求時，并不能據(jù)此確定該水庫處于病險狀態(tài)。

SL 258的基本精神是只要防洪標準滿足GB 50201的要求，防洪安全性就可評價為A級；不滿足GB 50201的要求時要進一步復核計算大壩可安全運行的洪水頻率。例如一座中型水庫大壩級別為3級，防洪標準為50年一遇設計，1 000年一遇校核，安全鑒定復核抗洪能力不滿足要求，即不符合GB 50201要求。后利用500年一遇洪水進行復核，發(fā)現(xiàn)滿足500年一遇洪水的抗洪要求，根據(jù)SL 258表B.1規(guī)定，該水庫防洪安全性為B級。

對小型水庫安全鑒定報告的核查發(fā)現(xiàn)，小型水庫防洪安全性分級目前尚存在較多問題，出現(xiàn)這一問題的原因除了客觀上SL 258未對小型水庫的防洪安全性分級作出明確規(guī)定，以及設計人員在具體評價時無所適從外，主要還是由于對SL 258防洪安全性的分級原則認識不充分。由于防洪安全分級關系到大壩安全鑒定分類，并直接影響人們對水庫安全狀態(tài)的認識，因此有必要在此對小型水庫防洪安全性分級方法進行澄清。

現(xiàn)結合安全鑒定核查中發(fā)現(xiàn)的3種典型情況進行介紹。

情況1：粵東某市小（2）型水庫，集雨面積0.67 km2，土壩壩長240m，壩高23.0m，總庫容84萬m3，防洪標準為20年一遇設計，200年一遇校核。經(jīng)復核，抗洪能力滿足要求，大壩抗洪安全性定為B級。

情況2：粵西某市?。?）型水庫，集雨面積7.98 km2，土壩壩長278m，壩高29.6m，總庫容603萬m3，防洪標準為50年一遇設計，500年一遇校核。經(jīng)復核，抗洪能力不滿足要求，大壩抗洪安全性等級評定為C級。

情況3：粵北某山區(qū)縣小（1）型水庫，集雨面積6.8 km2，總庫容525萬m3，土壩壩長100m，最大壩高28.5 m，防洪標準為50年一遇設計，500年一遇校核。經(jīng)復核，設計洪水位下壩頂高程不滿足規(guī)范要求，但校核洪水位抗洪能力滿足要求，大壩抗洪安全性為C級。

情況1水庫防洪安全性應為A級，因為已滿足GB 50201的要求，出現(xiàn)該問題的主要原因是參照SL 258表B.1進行主觀評價造成的。情況2出現(xiàn)的較多，只要不滿足設計防洪標準，就將水庫安全性評價為C級。由于SL 258對防洪標準屬于“弱要求”，在設計防洪標準不滿足要求時，要進一步復核計算大壩可安全運行的洪水頻率。后該水庫根據(jù)核查意見，復核200年一遇洪水下的防洪安全不滿足要求，并最終確定該水庫大壩防洪安全性為C級，屬于病險水庫。情況3校核一級標準滿足要求，設計一級標準不滿足要求，因為兩級洪水標準所規(guī)定的壩頂超高不同，在泄流能力強和庫容大的水庫中可出現(xiàn)該類情況。后經(jīng)技術審查要求改為30年一遇洪水作為設計一級標準，發(fā)現(xiàn)滿足要求，因此確定大壩防洪安全性為B級，屬于基本安全。

結合以上3種情況的分析，總結出小型水庫防洪安全性分級方法為：防洪標準只要滿足GB 50201的要求，抗洪安全性評價為A級；不滿足GB 50201的要求時，就要進一步確定實際能夠安全運行的洪水頻率，如果該洪水頻率與GB 50201的要求相差不大，可評價為B級；如相差過大，則評價為C級。

對于山區(qū)丘陵區(qū)?。?）型水庫的防洪標準，水利部《重點小型病險水庫除險加固工程初步設計指導意見》（水總﹝2008﹞428號）（簡稱《意見》）根據(jù)總庫容作出了明確規(guī)定：小（1）型水庫庫容規(guī)模500萬m3以上時洪水標準可按50年一遇設計、500年一遇校核；500萬m3以下按30年一遇設計、300年一遇校核。因此，該類水庫防洪標準還需要滿足該《意見》的要求，具體分級方法可見表1。

另外需強調(diào)的是，對于因防洪標準評價為“二類壩”的水庫，雖不是SL 258所規(guī)定的病險水庫，但因需要按有關規(guī)定進行防洪達標加固，“二類壩”結論不影響其列入病險水庫除險加固的名單。

二、輸水涵管明滿交替流

技術審查中發(fā)現(xiàn)，輸水涵管主要以正常蓄水位為設計工況，一般均設計為有壓流，并在進水口設置閘門?！缎⌒退姽こ棠雺菏酵潦瘔卧O計規(guī)范》（SL 189—2013）建議壩下埋管宜優(yōu)先采用明流，原因為如采用有壓流，會出現(xiàn)處于有壓流向無壓流或無壓流向有壓流轉變的明滿流交替狀況下工作的可能。

涵管流態(tài)的區(qū)分在設計中一般根據(jù)上游水頭與管徑或孔徑的比值來確定，對具體涵管而言，流態(tài)則實際主要由管內(nèi)過流量決定。水庫輸水涵管一般在進水口設置閘門控流，隨著閘門開度降低，過流量也相應減少，原有壓的涵管內(nèi)必然會產(chǎn)生明滿流交替出現(xiàn)的不穩(wěn)定流態(tài)。

明滿交替流是一種水氣兩相的非恒定流，管內(nèi)夾雜不穩(wěn)定氣囊，氣囊的收縮膨脹容易形成負壓作用，流速、流量等會發(fā)生周期性變化，對涵管產(chǎn)生空化空蝕、振動、沖擊破壞等。因此，水庫輸水涵管要避免在該狀況下工作。

小型水庫日常通過輸水涵管的流量不會很大，一般均要利用進水口閘門控流，此時閘門開度就直接決定涵管內(nèi)是否處于明滿流交替狀況。由于流態(tài)除與上游水頭、管型和閘門開度有關外，還受進口布置、下游出口邊界條件、管長、底坡等多因素的影響，目前對明滿流流態(tài)的確定還缺乏成熟的計算方法。另外水庫輸水涵管坡度一般較緩，跟大坡度涵管相比，明滿流交替出現(xiàn)的范圍區(qū)間要大，對有效避免在該狀況下工作頗為不利。

現(xiàn)階段，除在設計中應參考許佳模的實驗研究成果外，重點要放在運行管理中。明滿流時往往存在進口伴有吸氣漏斗漩渦、管內(nèi)異響、結構振動等現(xiàn)象，涵管放水時如發(fā)現(xiàn)此類狀況，應及時調(diào)整閘門開度，避免涵管長期處于明滿流交替出現(xiàn)的狀況下工作。

表1　山區(qū)丘陵區(qū)4級土壩防洪安全性分級表

三、庫容系數(shù)異常

經(jīng)過現(xiàn)場走訪發(fā)現(xiàn)小型水庫建成后溢洪道從未泄洪是一種較為常見的現(xiàn)象。這除了跟水庫處于限制運行或在強暴雨預報時排空庫容以提前避險有關外，還有一部分是由于上游來水量有限，溢洪道布置過高，水庫庫容系數(shù)偏大造成的，現(xiàn)結合一典型情況進行介紹。

粵西山區(qū)某市小(1)型水庫建于1972年，集雨面積4.25 km2，當?shù)囟嗄昶骄杲涤炅? 800mm。水庫土壩壩頂高程126.00m，最大壩高27.25m。水庫死水位105.40m，死庫容95萬m3。溢洪道布置在壩右側天然埡口處，進口底高程122.70m。相應庫容546萬m3。水庫正常蓄水位采用溢洪道底高程122.70m。經(jīng)調(diào)洪演算，30年一遇設計洪水位125.03m，相應庫容672萬m2，300年一遇校核洪水位125.51m，相應庫容728萬m3。該水庫溢洪道現(xiàn)狀為土溝，未進行襯砌，加固方案為維持底高程122.70m不變，根據(jù)泄洪流量對溢洪道進行大規(guī)模整修，并修建消能防沖設施。

對該水庫技術審查發(fā)現(xiàn)，水庫興利庫容達451萬m3，取綜合徑流系數(shù)為0.5，多年平均來水量為382.5萬m3，則水庫庫容系數(shù)達到1.18。由于該水庫所在地為山區(qū)，屬灌溉徑流調(diào)節(jié)，承擔下游近500 hm2耕地的灌溉任務，需水量大，再考慮蒸發(fā)和滲漏等水量損失，可判斷水庫不存在蓄滿的可能性。因此，初步設計在原址對溢洪道進行大規(guī)模整修，且維持原設計運行方式不變，加固后溢洪道仍不會泄洪，設計方案無實質(zhì)意義。

該水庫庫容系數(shù)達到1.18，主要是由于在天然埡口布置溢洪道，而埡口偏高，如將埡口削低，巖土體開挖量過大，施工難度大。因此，主要是將大壩填筑至足夠高來解決防洪問題。后期水庫進行過除險加固，但設計中未發(fā)現(xiàn)該情況，而是以原設計方案對大壩進行加高培厚，使得大壩規(guī)模進一步擴大。目前壩址周邊公路又主要以壩頂為依托進行修建，現(xiàn)狀大壩規(guī)模也不便降低。

在新建水庫設計中，選定的正常蓄水位偏高，庫容系數(shù)偏大，造成大壩規(guī)模過大，建筑物布局不合理、不科學，出現(xiàn)造價過高、浪費嚴重等問題。因此，水庫設計中庫容系數(shù)一般要求在合理范圍內(nèi)，以減小工程規(guī)模，降低造價。

對于已建庫容系數(shù)偏離正常值的水庫，雖設有溢洪道，但由于來水量偏少，水位上升高度有限，溢洪道不會參與泄洪，應視其為無泄洪設施水庫。對該類水庫的除險加固要尊重現(xiàn)狀，利用大壩規(guī)模大的有利條件進行設計，以減少投資，并將設計運行方案調(diào)整至實際可操作狀態(tài)。按照原蓄水至溢洪道底高程泄洪的運行方案，水庫的大壩規(guī)模如果滿足防洪、結構和滲流等方面的要求，對溢洪道可不進行處理，且一般也無需新建泄洪設施，水庫按照日常用水的需求運行即可，以充分利用過大規(guī)模的大壩來蓄水興利。如大壩安全“不達標”，則需要重新設定汛限水位，一般根據(jù)來水情況，調(diào)查在實際運行中汛期能夠達到且滿足用水需求的水位作為汛限水位，將庫容系數(shù)調(diào)整至合理范圍，另外如水庫地理位置特別重要，也可考慮增設泄洪設施。

四、合理使用年限的運用

《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規(guī)范》（SL 654—2014）（以下簡稱 “SL 654”）于2014年4月26日實施，適用于新建水利水電工程，對已建工程的改建、擴建屬于參照執(zhí)行。根據(jù)SL 654，小型水庫輸水建筑物合理使用年限為30年，泄水建筑物和擋水建筑物的合理使用年限為50年。

SL 654運用到小型病險水庫除險加固工程中，主要是要確定建筑物的合理使用年限，并在設計文件中注明。初步設計的技術審查按照以下原則提出要求：對于依托原有結構加固或改建，且結構安全受原有結構影響的，如壩坡培厚、鋼管套裝等，不作具體要求；對于其他采用新建方案修建，結構安全不受原結構影響的，要求在設計文件中明確提出建筑物的合理使用年限。

耐久性設計在相關規(guī)范中均有詳細要求，對于在初步設計報告“工程布置及建筑物”一章中應增加“建筑物耐久性設計”規(guī)定，小型水庫除險加固項目可暫不做強制性要求。

小型病險水庫除險加固設計文件中要求注明建筑物的合理使用年限，主要目的一方面是加強設計單位和設計人員的責任感，提高設計質(zhì)量；另一方面是要促使管理部門重視對加固后水庫的管理維護工作，避免今后因管理原因使水庫再度出險，以提高水庫的運行效益。

五、結語

①現(xiàn)行頻率分析法計算設計洪水成果偏大，設計偏于安全。安全鑒定對防洪安全性中的防洪標準屬于“弱要求”，只要滿足GB 50201和有關意見的要求，就可評價為A級；不滿足要求時，要進一步確定實際能夠安全運行的洪水頻率；如果與要求相差不大，可評價為B級；如過大，則評價為C級。對于因防洪標準評價為“二類壩”的水庫，因需要進行防洪達標加固，不影響其列入除險加固的名單。

②輸水涵管均設計為有壓流，并在進水口設置閘門,如閘門控流，涵管內(nèi)會出現(xiàn)明滿流交替出現(xiàn)的流態(tài)，產(chǎn)生空化空蝕、振動、沖擊破壞。在管理運行中注意避免出現(xiàn)進口伴有吸氣漏斗漩渦、管內(nèi)異響、結構振動等現(xiàn)象，可有效減輕明滿流造成的危害。

③水庫庫容系數(shù)偏離正常值，溢洪道無法泄洪，應將其視為無泄洪設施。該類水庫的加固要在尊重現(xiàn)狀前提下，利用大壩規(guī)模大的有利條件，取消無實質(zhì)意義的溢洪道加固，并將設計運行方案調(diào)整至實際可操作狀態(tài)。

④小型水庫除險加固中，一些不依托原結構新建的建筑物，要在設計文件中注明正常使用年限，其中輸水建筑物合理使用年限為30年，泄水建筑物和擋水建筑物為50年。

[1]水利部大壩安全管理中心.水庫大壩安全評價導則 （SL 258—2000）[S]. 2000.

[2]中華人民共和國國家標準.防洪標準（GB 50201—2014）[S].2014.

[3]小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規(guī)范（SL 189—2013）[S].2014.

[4]許嘉模.涵管出流流態(tài)判別的實驗研究[J].水文,1987(1).

[5]漆力健.大底坡泄洪管道明滿流的水力特性[D].成都：四川大學,2005.

[6]羅志遠,羅駿燕,等.濕潤區(qū)水庫復蓄系數(shù)與庫容系數(shù)關系研究[J]．中國農(nóng)村水利水電,2011(3).

[7]中華人民共和國水利部.水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規(guī)范（SL 654—2014）[S].2014.

[8]陳忠民,劉志明.水利水電工程合理使用年限及其耐久性設計問題[J].中國水運,2015(8).

責任編輯安天杭

ThinkingSome KeyPoints about Danger Removal andReinforcement Projects of Unsafe Small Reservoirs in Technical Exam ination

Ouyang Jian，Peng Haibo

When carry out technical examination which is for danger removal and reinforcement projects of unsafe small reservoirs in early work，we find some matters，main including classification of flood safety,operation of culvert under free-surface-pressure flow，abnormity of storage factor，determination of rational service life，etc. These matters are so obscure that people easily error neglect during the early work.Connecting with the practical situation of small reservoir,this paper analyses cases based on content of related codes and academic achievements and then introduces solutions,which are also adopted in our work of technical examination.

small reservoir;reinforcement;classification of flood safety;free-surface-pressure flow;storage factor; rational service life

TV697.3

B

1000-1123（2016）08-0028-03

2016-03-03

歐陽建，在職碩士研究生，助理經(jīng)濟師，主要從事水利咨詢管理工作。