小型病險水庫結(jié)構(gòu)優(yōu)化及管理信息化探究—以青山水庫為例

徐真劍，李 蓓，姜玉濤，王智杰

（1.湖州南太湖水利水電勘測設(shè)計院有限公司，浙江 湖州 313000；2. 浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1 問題的提出

我國是世界上水庫擁有量最多的國家，截至2007年，全國已有大、中、小型水庫共87076 座（截至2011年年底，在短短5 a左右水庫總數(shù)已達到98002座[1]，增速之快，令世人驚嘆），其中各類病險水庫有38019座，小型病險水庫有35586座[2]，足足占了病險水庫總數(shù)的93.6%。病險水庫的定義，根據(jù)現(xiàn)行的《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》[3]和《水庫大壩安全鑒定辦法》（水管建[2003]271號），認為廣義上的“病險水庫”除了指鑒定為“三類壩”的水庫外，還應(yīng)包括“二類壩”的水庫，均應(yīng)進行除險加固處理；只因三類壩的水庫病險程度明顯高于二類壩的水庫，應(yīng)立即限期處理，才能保障其正常安全運行。

既有的病險水庫數(shù)量多、問題突出（鑒于當時興建時受技術(shù)及指導(dǎo)思想等條件的限制[4]，尤其是小型病險水庫），不但制約水庫效益的發(fā)揮，同時嚴重威脅下游人民生命財產(chǎn)的安全，而且影響生態(tài)環(huán)境，一直以來備受國家中央和水利部的重視[5-6]。因此，除險加固工作已緊鑼密鼓地開展，目前大規(guī)模的除險加固工程已經(jīng)基本完成[7-12]。與此同時，我國在病險水庫治理技術(shù)方面也積累了不少寶貴的經(jīng)驗[12-15]，白永年在文獻[16]中指出，優(yōu)化綜合治理技術(shù)是目前治理水庫的最好技術(shù)形式。

除險加固工程完成之后，各水庫管理單位的工作重點將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ坦芾韀17]。由于小型水庫管理單位管理水平有限，現(xiàn)階段亟需實現(xiàn)水庫由粗放管理向精細化管理，由傳統(tǒng)人工管理向現(xiàn)代水利標準化管理的轉(zhuǎn)變[18-19]。隨著信息、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)和輔助硬件設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，一種綜合安全監(jiān)測、超限預(yù)警、巡視檢查和應(yīng)急響應(yīng)等功能要素的工程安全管理體系在水利信息化管理中建立起來[20-21]，為有效解決水庫的安全運行管理提供技術(shù)手段和決策支持。

本文以湖州市首座通過標準化管理市級驗收的小型水庫—長興縣青山水庫為依托，對小型水庫除險加固工程優(yōu)化設(shè)計的治理技術(shù)及信息化管理問題進行探討和研究。供全省水利同行相互學(xué)術(shù)交流之用，以期為浙江省水庫工程的信息化管理（包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化）提供研究和實施參考。

2 工程概況及病險問題

2.1 工程概況

青山水庫位于長興縣和平鎮(zhèn)沙埠村，屬西苕溪流域曉墅港支流[22]。庫區(qū)集雨面積3.4 km2，主流長4.0 km，主流平均坡降為2.60%，總庫容109.90萬m3，是一座以灌溉及供水為主、結(jié)合防洪等綜合利用的?。?）型水庫；水庫供水規(guī)模3000 m3/d，灌溉面積233.3 hm2，防洪保護人口2300人、耕地166.7 hm2?，F(xiàn)狀水庫樞紐由大壩、溢洪道和輸水涵洞組成，大壩壩型為類均質(zhì)壩，壩頂高程60.20 m（上游側(cè)設(shè)有防浪墻），最大壩高為22.00 m；溢洪道為敞開式寬頂堰，位于大壩左岸，堰頂寬12.50 m；輸水涵洞為壩下埋管，位于大壩右岸，洞長87 m。

2.2 水庫存在的病險問題

根據(jù)《青山水庫大壩安全技術(shù)認定報告書》（2012.06），本次除險加固前，青山水庫在樞紐“三大件”及安全監(jiān)測方面存在著如下主要病險問題[22]：①大壩右背坡滲水及排水溝內(nèi)常年漏水。②溢洪道泄槽段的護底混凝土局部破損，挑流消能段的下游未有工程措施進行保護，泄流時易對下游造成沖刷破壞，影響溢洪道正常泄洪安全。③輸水涵洞為壩下埋管，啟閉拉桿銹蝕嚴重，存在安全隱患。④水庫大壩自建成以來，未設(shè)置變形等觀測設(shè)施，遙測水位精度較差。

3 青山水庫結(jié)構(gòu)優(yōu)化的治理技術(shù)

3.1 壩體及壩基防滲體系設(shè)計

3.1.1 防滲加固方案

水庫大壩的垂直防滲加固措施主要有：沖抓套井回填黏土防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻、黏土劈裂灌漿及土工膜防滲等[23-25]。因劈裂灌漿和土工膜的耐久性及可靠性較差，故選用沖抓套井回填[26-27]與高壓噴射（旋噴）灌漿防滲墻[25]進行方案比選，其技術(shù)經(jīng)濟比較見表1。

表1 壩體防滲加固方案技術(shù)經(jīng)濟比較表

根據(jù)表1對比分析，結(jié)合青山水庫大壩特點和存在滲漏問題，選擇施工方法簡單、投資少、施工質(zhì)量有保證且防滲效果好的“方案Ⅰ”為壩體防滲方案。又考慮到壩基防滲通常采用帷幕灌漿處理[27-28]，因此最終所采用的防滲綜合治理技術(shù)方案為“套井回填+帷幕灌漿”—大壩壩體防滲采用全壩段（除兩側(cè)壩肩挖除原土后回填黏土）均采用雙排黏土套井處理，相應(yīng)壩基防滲采用帷幕灌漿處理，從而建立起1道有效的封閉防滲屏障。

圖1 雙排套井平面布置圖（加固后） 單位：cm

3.1.2 沖抓套井回填設(shè)計

3.1.2.1 套井平面布置

大壩壩體沖抓套井回填黏土防滲墻設(shè)計中心軸線布置于偏離壩頂軸線靠背水坡0.35 m的位置處，沿大壩全長布置。主、套井間隔布置，一主一套相交成井墻，套井為整圓，主井被套井切割后呈蝕圓，雙排套井平面布置見圖1。井孔連接見圖2。

圖2 井孔連接圖 單位：cm

3.1.2.2 套井的排數(shù)、排距與孔距

套井的排數(shù)（即需要的套井回填黏土防滲墻的厚度），由滲透穩(wěn)定計算決定，求得的滲透坡降小于允許滲透坡降即可。初步確定防滲墻的有效厚度計算公式如下：

式中：T為有效墻厚，m；ΔH為黏土防滲墻承擔(dān)的最大水頭差，取6.50 m（經(jīng)大壩滲流計算）；J為防滲墻允許滲透坡降，本工程取6.0。

經(jīng)計算，T ≈ 1.10 m。

本工程設(shè)計防滲墻采用2排鉆孔組成，鉆孔直徑110 cm，排距85 cm，孔距80 cm。井孔連接見圖2。其有效厚度按下式計算：

式中：Lp為排距，取0.85 m；R為鉆孔半徑, 取0.55 m；Lk為孔距，取0.80 m；T2為防滲墻有效厚度，m。

經(jīng)計算，T2≈ 1. 60 m ＞T，滿足滲透穩(wěn)定要求。

3.2 溢洪道加固及體型優(yōu)化設(shè)計

針對溢洪道存在的問題，提出過2個溢洪道的加固方案，即“利用老溢洪道改建的方案”（方案Ⅰ）和“重建溢洪道方案”（方案Ⅱ）。

一方面，為了研究方案Ⅰ的可行性及其具體改建措施，特邀請浙江省水利河口研究院對青山水庫溢洪道做水工模型試驗[29-30]，經(jīng)過反復(fù)模型試驗的研究，得到溢洪道體型優(yōu)化設(shè)計，具體措施為：①設(shè)置高低槽和貼角，即在溢0+059.05 ～ 溢0 +078.60 m范圍內(nèi)設(shè)置高低槽，前后各設(shè)長度為8.00 m的過渡段。高槽表面橫比降為1:10.0，右側(cè)和低槽相接處直立墻高度均為0.75 m。溢0+066.80 ～ 溢0+078.60 m設(shè)置高0.80 m的貼角，位于高槽上（見圖3）。通過這一措施，進入彎道和陡槽的水流被重新分配，明顯改善沿程水流流態(tài)，折沖現(xiàn)象明顯減弱；由于貼角與現(xiàn)狀擋墻連接處下凹，形成回水槽，從而解決彎道水流翻越擋墻問題。②為改善消力池流態(tài)，水流均能射入消力池中，采取的優(yōu)化措施是取消挑流鼻坎，鼻坎處高程由39.21 m降低到37.17 m，溢0+099.10 ～ 溢0+104.60 m范圍內(nèi)設(shè)置1:1.9的縱坡，并且消力池長度沿中心線增加7.00 m（見圖4）。

圖3 高低槽和貼角（泄槽彎道段）平面示意圖 單位：m

圖4 消能工段縱斷面示意圖 單位：cm

另一方面，考慮到若采用“利用老溢洪道改建”的方案Ⅰ，能減少對原溢洪道兩側(cè)擋墻的拆除工作和對現(xiàn)狀植被的破壞影響，最大限度地保護水庫的自然生態(tài)，而且節(jié)省工程投資、縮短工期，可謂是一舉多得。

綜上所述，溢洪道的加固方案最終采用方案Ⅰ。

3.3 輸水建筑物的優(yōu)化設(shè)計

針對輸水建筑物存在的問題，通常做法[25]：先封堵原壩下放水涵管，然后在大壩右岸山體內(nèi)新建輸水隧洞。開挖輸水隧洞是一個關(guān)鍵的步驟，經(jīng)分析，可采用有2種施工方案，分別是爆破法施工（采用小劑量炸藥的光面爆破新工藝，對山體的震動影響?。┖途蜻M法施工，單從工程投資角度來看，爆破施工比掘進法施工節(jié)省約13.50萬元。綜合比較后，選用光面爆破法施工作為本次隧洞洞身開挖方案。

原輸水建筑物的進水口類型為岸坡式進水口，采用斜拉桿啟門，啟門力較大；本次輸水建筑物的進水口類型優(yōu)化為美觀簡潔的塔式進水口，斜拉桿啟門優(yōu)化為豎直拉桿啟門，這樣啟門力相對較小，因此可加大閘門尺寸和輸水洞洞徑（但此時啟門力并不很大，利于啟閉），以加大輸水流量，保證下游的灌溉和供水。

4 青山水庫的信息化建設(shè)

4.1 安全監(jiān)測設(shè)計

水庫大壩工程建設(shè)通常規(guī)模大、面臨的工程力學(xué)問題復(fù)雜，工程一旦失事，后果不堪設(shè)想，因此確保大壩安全顯得尤為重要[31-32]。大壩安全監(jiān)測是監(jiān)視工程結(jié)構(gòu)安全的重要技術(shù)手段，監(jiān)測數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)性態(tài)分析和安全狀態(tài)評價的重要基礎(chǔ)資料[33-34]。在大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域，利用自動化測控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機技術(shù)、水工分析等技術(shù)，進行全面的信息化建設(shè)（研發(fā)一套大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)），對大壩及其它水工結(jié)構(gòu)物的安全實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理、及時分析、輔助決策，提高工程安全的管理和決策水平，已是當今信息化時代和技術(shù)發(fā)展的大勢所趨。

目前大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)一般由軟件和相應(yīng)的硬件構(gòu)成。硬件通常由服務(wù)器（數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器等）、客戶機（采集客戶機、專業(yè)客戶機、Web客戶機等）、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備（交換機、防火墻等）、電源設(shè)備、通信線路、電源線路等設(shè)備構(gòu)成。典型的物理拓撲結(jié)構(gòu)見圖5[35]。信息管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)根據(jù)工程規(guī)模及業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)的開發(fā)模式可選用C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)、B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)或C/S、B/S混合結(jié)構(gòu)[36]，其中C/S及B/S體系結(jié)構(gòu)分別見圖6、圖7。安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)功能一般涉及如下幾個模塊：數(shù)據(jù)自動化采集與存儲、人工數(shù)據(jù)錄入與存儲、成果計算和處理、圖表繪制及定性分析、建模分析及定量解析、結(jié)構(gòu)物安全狀況評價、安全狀況預(yù)測、預(yù)警及應(yīng)急管理、移動應(yīng)用、基礎(chǔ)信息管理、信息發(fā)布、用戶權(quán)限管理等，主要功能模塊見圖8。

圖5 典型物理結(jié)構(gòu)示意圖[3 5]

圖6 Client/Server體系結(jié)構(gòu)圖

圖7 Browser/Server體系結(jié)構(gòu)圖

圖8 信息管理系統(tǒng)主要功能模塊圖

以上所述的大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)已在諸多大中型水庫大壩工程上應(yīng)用[37-40]，當該系統(tǒng)用于小型水庫上時，模塊沒必要這么全面和完善，應(yīng)遵循“精而少、可靠、先進”的原則[41]。

由于青山水庫為?。?）型水庫，監(jiān)測項目力求精而少，因此本次加固的主要監(jiān)測項目[22]有：變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、水位監(jiān)測及視頻監(jiān)控，并采用全自動兼有手動（作應(yīng)急和補充之用）測試功能的先進可靠儀器和人工觀測的水文標尺。大壩變形觀測縱斷面布設(shè)3個，每個觀測橫斷面布各布設(shè)4個，共設(shè)變形觀測點12個；壩體滲流觀測縱斷面布置3個，每個觀測橫斷面各布設(shè)3根測壓管；壩基滲流觀測，共設(shè)置2根測壓管；壩腳滲流共設(shè)置2根測壓管；繞壩滲流觀測設(shè)1個斷面3個點；在大壩隧洞進口處設(shè)水位遙測站1處，同時在大壩右岸迎水坡側(cè)、正常溢洪道進口各設(shè)置1處水位觀測點，共設(shè)置2套水文標尺，采用柱式結(jié)構(gòu)；并在大壩多處重點位置設(shè)監(jiān)控器，對大壩進行全方位的實時視頻監(jiān)控。

4.2 信息化管理

“互聯(lián)網(wǎng)+水利”時代的序幕已經(jīng)被徐徐地拉開[19，42-45]，自從2015年3月，李克強總理首次提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃之后，“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的水利水電管理逐步發(fā)展起來，如“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的水利水電工程現(xiàn)場安全管理（信息化管理）等應(yīng)用。采用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，能實時采集和上報水庫的運行狀態(tài)和存在隱患等數(shù)據(jù)，并自動生成巡查日志，可為水庫工程的監(jiān)督管理提供既科學(xué)又高效的信息化手段。

青山水庫的安全監(jiān)測儀器采集的數(shù)據(jù)均通過互聯(lián)網(wǎng)（Internet）或3G/4G無線網(wǎng)上傳至縣水庫管理中心，然后逐級上傳，供上級水庫管理部門實時監(jiān)測和及時決策。除此之外，青山水庫還特別加強日常對各建筑物（尤其是樞紐“三大件”）的人工巡視檢查，巡查員通過手機將巡查結(jié)果上傳至管理平臺，讓每一次的巡查都被信息管理平臺“記錄在案”。

5 結(jié)語和展望

5.1 結(jié) 語

青山水庫通過本次除險加固，樞紐“三大件”的結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化和完善—全面構(gòu)建大壩的防滲體系屏障、保證溢洪道安全平穩(wěn)泄流、升級輸水建筑物，并建立一整套信息化管理的系統(tǒng)（包括人工巡查），以確保水庫安全有效地運行和實時的掌控。目前，青山水庫整個庫區(qū)正呈現(xiàn)出一派“水清、流暢、岸綠、景美”的怡人景象，成為長興縣“人水和諧”的示范水利工程，不愧為湖州市首座通過標準化管理市級驗收的?。?）型水庫。這將成為浙江省水利工程管理信息化研究及其建設(shè)進程中的一個工程實例亮點，也將為浙江省正在進行的“美麗河湖”建設(shè)增光添彩。

5.2 展 望

對于如何判定病險水庫的問題，目前國外很多國家（例如加拿大）已經(jīng)提出了新的方法，即將“風(fēng)險”的概念引入大壩安全管理中，以降低大壩風(fēng)險為目標；以社會是否能接受風(fēng)險，來決定對大壩是否需要進行除險加固，從而把國家有限的資金用到最需要的地方。這方面的研究工作目前國內(nèi)已經(jīng)在進行中，相信在不久的將來會對我國的水庫大壩安全管理帶來深遠的影響。

但是，我國現(xiàn)階段水庫的相關(guān)管理法規(guī)與技術(shù)標準正在修訂（不過浙江省水庫管理的省級地方標準[46]已在全國率先頒布），并限于經(jīng)濟社會發(fā)展水平等原因，要完全廢止按庫容劃分水庫大壩工程等別的方法還不具備條件。建議：在實行按潰壩后果（風(fēng)險）對既有水庫大壩重新進行分類之前，仍以庫容為主來確定水庫的工程等別；同時將壩高和潰壩后果因素也考慮進去，即規(guī)定壩高超過一定高度及潰壩后果超過一定程度的水庫（特別是小型水庫），工程等別可以適當提高，以提高除險加固時的設(shè)計標準；并應(yīng)加強病險水庫的信息化管理建設(shè)，以利于水庫主管部門實時掌控其安全的動態(tài)情況。