三圣庵水庫大壩輸水系統(tǒng)漏水險(xiǎn)情原因分析及處置方案

雷贊舟

(福建江隆水利水電工程有限公司，福建 龍巖 364000)

三圣庵水庫大壩輸水系統(tǒng)漏水險(xiǎn)情原因分析及處置方案

雷贊舟

(福建江隆水利水電工程有限公司，福建 龍巖 364000)

三圣庵水庫位于文溪上游左岸的一條小支流源頭，地處培豐鎮(zhèn)洪源村東北部，壩址以上集雨面積0.268km2，總庫容12萬m3，水庫設(shè)計(jì)灌溉面積23.33hm2，是一座以灌溉為主的小(2)型水庫；水庫樞紐由均質(zhì)土壩、溢洪道、輸水系統(tǒng)等建筑物組成，工程屬Ⅴ等工程，大壩等主要永久性建筑物級(jí)別為5級(jí)；根據(jù)本次勘察開挖情況及此前觀察漏水、輸水及運(yùn)行過程存在的特征現(xiàn)象分析，推斷本次險(xiǎn)情為大壩上游局部裂縫與輸水箱涵破裂處形成漏水通道，造成大壩輸水系統(tǒng)漏水；輸水涵洞方案依據(jù)工程的技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理性方面考慮，兼顧施工方便易行，做出了最優(yōu)方案選擇。

三圣庵水庫；大壩輸水系統(tǒng)；漏水險(xiǎn)情；裂縫；處置方案

1 工程概述

三圣庵水庫位于文溪上游左岸的一條小支流源頭，地處培豐鎮(zhèn)洪源村東北部，距培豐鎮(zhèn)政府約3.8km，距縣級(jí)公路線約4.0km，壩址以上集雨面積0.268km2，主河道長1.04km，河道平均坡降178‰，總庫容12萬m3，水庫設(shè)計(jì)灌溉面積23.33hm2，是一座以灌溉為主的小(2)型水庫。水庫樞紐由均質(zhì)土壩、溢洪道、輸水系統(tǒng)等建筑物組成，工程屬Ⅴ等工程，大壩等主要永久性建筑物級(jí)別為5級(jí)。水庫正常蓄水位394.10m，正常庫容10.09萬m3；死水位382.8m，死庫容0.26萬m3；30a一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量6.84m3/s，設(shè)計(jì)洪水位395.0m； 300a一遇校核洪水洪峰流量10.3m3/s，校核洪水位395.3m，總庫容12萬m3。

大壩為黏土心墻壩，壩頂高程396.2m，最大壩高16.5m，壩長60.0m,壩頂寬5.0m；溢洪道位于大壩左側(cè)，為開敞式寬頂堰進(jìn)口，溢洪道長138.5m，由進(jìn)水水平段、漸變段及陡坡段等組成；輸水系統(tǒng)位于壩址左側(cè)，進(jìn)口設(shè)消力箱，采用斜拉閘門控制，孔口徑直徑0.5m，進(jìn)口高程382.80m。后接輸水箱涵，箱涵為砌石矩形斷面，寬0.30m，側(cè)墻高0.45m，涵洞總長81.3m，涵洞進(jìn)口中心高程381.0m，出口底高程380.0m，最大放水流量0.12m3/s，出口接灌溉干渠。大壩和涵洞平面布置及斷面圖詳見圖1、2。

水庫工程于1956年10月破土動(dòng)工，1957年3月建成開始蓄水，為下游灌區(qū)發(fā)揮了巨大作用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，有力促進(jìn)了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2 險(xiǎn)情現(xiàn)狀

2.1 漏水過程及特征現(xiàn)象

2016年10月23日，現(xiàn)場水庫管理員發(fā)現(xiàn)水庫輸水系統(tǒng)漏水現(xiàn)象，并上報(bào)管理單位，經(jīng)管理單位組織行政管理和各相關(guān)參建單位現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)輸水系統(tǒng)在閘門已關(guān)閉的工況下，輸水箱涵內(nèi)出口集中漏水外，其他部位未發(fā)現(xiàn)漏水，此時(shí)大壩水位約392m，箱涵內(nèi)出口水深約0.3m，寬約0.3m，目估流量約0.12m3/s左右，漏水量較大，且變化幅度小，同時(shí)上下游水質(zhì)基本一樣。

圖1 水庫現(xiàn)狀平面布置圖

圖2 大壩現(xiàn)狀橫斷面圖

2.2 放水過程及特征現(xiàn)象

2016年10月23日-2016年10月26日，為水庫放空期，根據(jù)現(xiàn)場水庫管理員記錄及放空后現(xiàn)場勘查，水庫放空期間，也同樣除輸水箱涵內(nèi)出口集中漏水外，其他部位未發(fā)現(xiàn)漏水，水位約380.17-380.35m，箱涵內(nèi)出口水深約0.17-0.35m，寬約0.3m。放水水過程中，同時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩上游面出現(xiàn)一條裂縫，裂縫出現(xiàn)后隨后出現(xiàn)一處坍塌坑，裂縫位于壩中靠左壩段，坍塌坑位于裂縫頂部，呈橢圓型，底部已被坍塌體填滿，無積水。

2.3 運(yùn)行過程及特征現(xiàn)象

水庫大壩于1957年運(yùn)行至今已有59a，運(yùn)行期間除灌溉用水、防汛放空外，水庫不輸水，截止2016年10月23日，運(yùn)行良好，輸水系統(tǒng)不存在漏水現(xiàn)象；土壩自身土體天然自身沉降也已穩(wěn)定；根據(jù)管理人員反映及現(xiàn)場查勘發(fā)現(xiàn)，常有當(dāng)?shù)氐睦V大貨車經(jīng)過壩頂，且大貨車?yán)V重量均在80t上下，荷載大。

3 險(xiǎn)情勘察

3.1 現(xiàn)狀勘查

根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)狀勘查，大壩上游面存在一條裂縫及一處坍塌坑，裂縫位于壩中靠左壩段，縫寬0.5-3cm，縫長13m，起點(diǎn)高程384.90m，終點(diǎn)高程388.60m，基本呈直線，走向約SW45°，靠近壩腳處呈弧形閉合。坍塌坑位于裂縫頂部，呈橢圓型，長約3.5m，寬約2.5m，最深約2.5m，最淺1.3m，底部已被坍塌體填滿，無積水。壩面裂縫塌坑現(xiàn)狀見圖3。

3.2 地勘勘察

為探明大壩漏水、塌坑及裂縫的成因，本次勘察則針對(duì)壩體上游面塌坑處進(jìn)行初步探槽開挖，接著沿縫探坑開挖，最后進(jìn)行整體大開挖[1]。根據(jù)開挖現(xiàn)狀，沿縫開挖后，見縫壁有明顯的漏水痕跡，呈灰黑色淤泥附著，縫從壩面延伸至壩底，為顯著的漏水通道；塌坑部位清理后繼續(xù)向下開挖，開挖至輸水箱涵頂部(高程381.13m)，箱涵頂部與壩體塌坑位置垂直所對(duì)應(yīng)處，存在破裂縫，裂縫清理后面積約0.01m2，裂縫鄰近約50cm處箱涵頂部塊石已松動(dòng)，且無膠結(jié)，鉤機(jī)輕易的將其清出，松落部位面積約0.04m2。輸水箱涵破碎現(xiàn)狀見圖4。

圖3 壩體上游面裂縫、塌坑現(xiàn)狀圖

圖4 輸水箱涵頂部破碎現(xiàn)狀圖

開挖時(shí)壩體土體密實(shí)，揭露地層為土層，土層采用注水試驗(yàn)，共完成5段注水試驗(yàn)。根據(jù)注水試驗(yàn)成果，壩體填筑土體滲透系數(shù)為6.55E-06cm/s-8.6E-05cm/s，平均值2.67E-06cm/s，大部分屬于弱滲透性。

4 險(xiǎn)情成因分析

根據(jù)本次勘察開挖情況及此前觀察漏水、輸水及運(yùn)行過程存在的特征現(xiàn)象分析，推斷本次險(xiǎn)情為大壩上游局部裂縫與輸水箱涵破裂處形成漏水通道，造成大壩輸水系統(tǒng)漏水，具體原因分析如下：

1)根據(jù)開挖揭露查明，壩體局部填筑土質(zhì)量較差，并不能達(dá)到填筑要求，局部土質(zhì)不均，形成局部薄弱帶。水庫除險(xiǎn)加固及防汛放空到水庫蓄滿之前，大壩上游面長期露出水面，土體表面存在干縮裂縫。水蓄滿及水位變化時(shí)，相應(yīng)水壓力變化，局部薄弱帶土體存在水力劈裂，進(jìn)一步造成干縮裂縫加劇變成水力劈裂縫，形成壩體上游壩面裂縫。

2)輸水箱涵為漿砌塊石結(jié)構(gòu)，開挖后見現(xiàn)狀塊石多處并無砂漿膠結(jié)，存在松動(dòng)現(xiàn)象，表明其原施工時(shí)施工質(zhì)量差，導(dǎo)致局部存在薄弱帶，易被破壞，大貨車經(jīng)過壩頂，且貨車載重均在80t左右，產(chǎn)生較大的荷載壓力，從而造成輸水箱涵不均勻沉陷產(chǎn)生松動(dòng)及位移，更進(jìn)一步的加劇了輸水箱涵薄弱帶發(fā)生破裂，形成箱涵裂縫。

3)大貨車經(jīng)過壩頂，加之箱涵埋置于均質(zhì)土壩中，兩者由于剛度不同，在不均勻變化時(shí)，壩體內(nèi)部流塑拉伸，壩體內(nèi)部產(chǎn)生水平及垂直裂縫，導(dǎo)致箱涵體薄弱帶外圍大壩土體形成壩體內(nèi)部裂縫。

綜上所述，隨時(shí)間的推移，以上裂縫沿著壩體薄弱部位進(jìn)一步加劇發(fā)展和延伸，致使壩體內(nèi)部裂縫和壩體上游壩面裂縫貫通形成裂縫通道；同時(shí)，輸水箱涵的裂縫處水壓力變化造成箱涵裂縫加大，導(dǎo)致裂縫通道、箱涵形成集中漏水通道，且伴隨滲透破壞，漏水淘刷造成最終的壩體局部塌陷。

5 險(xiǎn)情處置方案

5.1 輸水系統(tǒng)方案的選擇

三圣庵水庫輸水系統(tǒng)由進(jìn)口段、輸水段和啟閉機(jī)房等組成， 由斜拉閘門控制放水。根據(jù)三圣庵水庫存在的問題及特性，加固設(shè)計(jì)擬考慮定向鉆進(jìn)套管和原箱涵套管兩個(gè)方案進(jìn)行比選。以上擬定的方案比較只考慮放水段及封堵。

1)方案一：定向鉆進(jìn)套管方案。

定向鉆進(jìn)是一種裝定向鉆機(jī)設(shè)在地面上，在表層開槽、清除雜填土后，采用雷達(dá)探測儀導(dǎo)向，控制鉆頭按管道設(shè)計(jì)軸線鉆進(jìn)，經(jīng)多級(jí)擴(kuò)孔后，將管道回拉就位，完成管道敷設(shè)的施工方法。

定向鉆進(jìn)的工作原理是采用定向鉆進(jìn)技術(shù)，按設(shè)計(jì)的鉆孔軌跡施工一個(gè)導(dǎo)向孔，先導(dǎo)孔完成后，在鉆桿柱端部換接大直徑的擴(kuò)孔鉆頭和直徑小于擴(kuò)孔鉆頭的待鋪設(shè)管線，在拉回鉆桿的同時(shí)將先導(dǎo)孔擴(kuò)大，隨后拉入需鋪設(shè)的管道。在鉆掘?qū)蚩椎倪^程中，利用膨潤土、水、氣混合物來潤滑、冷卻和運(yùn)載切削的土至地面。鉆頭上安裝了定向測控儀，可改變鉆頭的傾斜角度。

該方案設(shè)計(jì)采用水泥沙漿充填原放水箱涵，并于輸水箱涵左側(cè)1.0m布置定向鉆進(jìn)孔，采用DN250PE管襯套。管進(jìn)出口高程均按原有高程。輸水涵管定向鉆進(jìn)長約81.3m。

2)方案二：原箱涵套管方案。

原放水箱涵均為0.3×0.45m的漿砌石箱涵，設(shè)計(jì)拆除原輸水涵洞位置進(jìn)口端箱涵17m，襯套DN250的PE管，長約81.3m，采用C20 混凝土封堵涵洞兩側(cè)，封堵長度2.0m，涵洞與套管縫隙采用水泥砂漿充填。

兩種方案對(duì)比情況如表1。

根據(jù)表1可知， 方案一投資較大，工期較長，工藝要求高，施工對(duì)壩體影響較??；方案二投資較少，工期較短，工藝要求低，施工壩體有影響較大，但經(jīng)上游壩面裂縫處理可解決。

綜上所述，從工程的技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理性等方面考慮，本階段推薦采用“方案二：套管方案”對(duì)放水系統(tǒng)進(jìn)行加固。

表1 兩種方案綜合比較表

5.2 險(xiǎn)情處置方案

2004年國內(nèi)首個(gè)應(yīng)用于水資源保護(hù)的數(shù)字化監(jiān)控中心——黃河水資源保護(hù)監(jiān)控中心建成。近期實(shí)施的二期建設(shè)，所研發(fā)的水資源保護(hù)監(jiān)測管理、監(jiān)督管理、應(yīng)急管理三大應(yīng)用系統(tǒng)，使黃河水資源保護(hù)信息化水平再上新臺(tái)階。

本次應(yīng)急除險(xiǎn)加固主要建設(shè)內(nèi)容如下：

5.2.1 輸水系統(tǒng)修復(fù)工程

5.2.1.1 重建進(jìn)水口消力箱工程

拆除原消力箱，重建進(jìn)水口消力箱,采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸4m×4m×4.6m(長×寬×高)，邊墻及底寬均為0.5m，消力箱底高程379.80m，進(jìn)水口孔徑300mm，消力箱與PE管連接處設(shè)置截水槽和止水，防止接縫處漏水。

5.2.1.2 重建輸水涵管工程

重建后涵管長76m，進(jìn)口中心高程為381.0m，出口中心高程為380.0m，涵管采用DN250PE(0.63MPa)進(jìn)行套管。在樁號(hào)管0+017.5.及管0+076處設(shè)置堵頭，1#堵頭尺寸為2×1×1(長×寬×高)，2#堵頭尺寸為1×1×1(長×寬×高)，堵頭采用C20混凝土現(xiàn)澆，消力箱到樁號(hào)管0+017.5處，長17.5m采用C20混凝土外包管，外包厚度25cm，同時(shí)清除該段老漿砌石涵洞，樁號(hào)管0+017.5至出口套管后采用預(yù)埋花管骨料灌漿，骨料灌漿采用M10砂漿，灌漿壓力0.2MPa，將原漿砌石涵洞封堵。

輸水系統(tǒng)輸水部分包括進(jìn)水口及輸水涵管，進(jìn)水口按孔口出流計(jì)算，涵管出流能力按管道無壓流進(jìn)行復(fù)核。

孔口出流計(jì)算公式：

(1)

式中：Q為管道過水流量，m3/s；μc為流量系數(shù)；薄壁孔口取0.62；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；H0為上下游水位高差，m；孔口取382.9m；d為管徑，孔口0.3m。

孔口過流能力詳見表2。

表2 孔口過流能力計(jì)算成果表

涵管過流能力計(jì)算公式為：

(2)

式中：Q為流量，m3/s；n為糙率，PE管取0.007；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；R為水力半徑，m；i為水面坡降，i=0.0125。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)管道充滿度為0.8時(shí)，管道過流能力為0.121m3/s。

經(jīng)過計(jì)算可知，孔口過流能力及涵管過流能力，大于設(shè)計(jì)引用流量0.12m3/s，滿足要求。

5.2.2 大壩修復(fù)工程

5.2.2.1 裂縫修復(fù)工程

沿裂縫及坑洞周邊開挖，將松土翻出，再按1∶1.4的邊坡開挖，形成穩(wěn)定開挖邊坡，開挖底高程381.3m，頂控制高程396.2m，開挖長度沿壩軸線方向，頂長約45m，馬道處約28m，壩腳處約18m。開挖過程中注意開挖安全，及時(shí)支護(hù)，避免因開挖造成邊坡滑坡等安全隱患。

壩體填筑采用黏土分層夯填，直至恢復(fù)原壩型輪廓。壩體黏土回填必須嚴(yán)格控制鋪土厚度，不得超厚，人工夯填每層不得超過15cm，土塊粒徑≤5cm，機(jī)械壓實(shí)每層不得超過25cm，土塊粒徑≤10cm；鋪土分層統(tǒng)一碾壓，黏土含水率10%-30%，碾壓后的滲透系數(shù)小于1×10-4cm/s，塑性指數(shù)7-17，水溶鹽和有機(jī)質(zhì)含量分別小于3%和5%，大壩土體填筑壓實(shí)度≥0.97，其中大壩與建筑物連接處填土≥0.98。

5.2.2.2 上游壩坡防護(hù)工程

將上游壩坡干砌塊石護(hù)坡拆除，人工清除表層約50cm厚的坡面。坡面整理并壓實(shí)，采用黏土換填，黏土層厚50cm，黏土層上鋪設(shè)一層厚度為20cm的砂礫石墊層，在389.4m馬道以下采用干砌石護(hù)坡，厚度為30cm，以上采用預(yù)制六棱塊護(hù)坡，六棱塊采用C20混凝土預(yù)制，邊長30cm，厚度10cm。

壩坡填筑必須嚴(yán)格控制鋪土厚度，不得超厚，人工夯填每層不得超過15cm，土塊粒徑≤5cm，機(jī)械壓實(shí)每層不得超過25cm，土塊粒徑≤10cm；鋪土分層統(tǒng)一碾壓，黏土含水率14%-17%，黏粒含量15%-40%，碾壓后的滲透系數(shù)<1×10-5cm/s，塑性指數(shù)10-20，水溶鹽和有機(jī)質(zhì)含量分別<3%和2%，大壩土體填筑壓實(shí)度≥0.97，其中大壩與建筑物連接處填土≥0.98。

6 結(jié) 語

本工程滲漏通道明顯，水庫降水又容易，通過開挖揭示，可以精準(zhǔn)明確病因；輸水涵洞方案依據(jù)工程的技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理性方面考慮，兼顧施工方便易行，做出了最優(yōu)方案選擇。通過三圣庵水庫輸水系統(tǒng)漏水險(xiǎn)情分析及處置，為該大壩輸水系統(tǒng)漏水險(xiǎn)情的處置方案提供了科學(xué)依據(jù),取得了滿意的成果， 確保了水庫安全及下游灌溉供水，最大程度的發(fā)揮水庫工程的效益。

[1]李佩豐.小型土壩輸水系統(tǒng)病險(xiǎn)問題處理[J].小水電，2006(04)：21-23.

1007-7596(2017)06-0098-04

2017-05-16

雷贊舟(1975-)，男，江西萍鄉(xiāng)人，工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)。

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