某水庫(kù)病害特點(diǎn)及除險(xiǎn)加固技術(shù)研究

馬妍博 袁明道 黃春華 張旭輝 廣東省水利水電科學(xué)研究院

1.工程概況

某水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程修建于某村境內(nèi)，水庫(kù)集雨面積為1.2km2，設(shè)計(jì)總庫(kù)容為15m3，設(shè)計(jì)灌溉面積為200畝，屬于小Ⅱ型水利工程。隨著水庫(kù)運(yùn)營(yíng)年限的不斷增加，水庫(kù)出現(xiàn)了一系列病害問題，水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力日趨下降，為了改善水庫(kù)所處的運(yùn)行環(huán)境，需要對(duì)水庫(kù)病害特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)水庫(kù)實(shí)施加固處理。

2.水庫(kù)除險(xiǎn)加固的重點(diǎn)

2.1 大壩

大壩作為本水庫(kù)中最重要的建筑物，不僅直接決定著水庫(kù)是否可以正常發(fā)揮功效，還在一定程度上保護(hù)著水庫(kù)下游人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全。如果大壩出現(xiàn)了滲漏、壩體不穩(wěn)或者存在潰壩隱患，會(huì)出現(xiàn)十分危險(xiǎn)的情況。所以，水庫(kù)擋水建筑物大壩是整個(gè)水庫(kù)結(jié)構(gòu)中最為重要的水工建筑物。大壩的類型主要分為土壩、堆石壩、漿砌石壩等，其中主要以土壩居多，所以土壩存在的問題也比較多，最主要的問題是壩頂高程不足、壩體滲漏、壩坡較斗、無人看管、雜草叢生并伴有白蟻生長(zhǎng)等。堆石壩、漿砌石壩雖然與土壩相比存在的問題較少一些，但也不排除其有老化、滲漏以及壩基不穩(wěn)等基本問題。

2.2 溢洪道

按照當(dāng)前的水庫(kù)防洪要求和標(biāo)準(zhǔn)來看，所有水庫(kù)溢洪道必須硬底化，但是由于我國(guó)大部分水庫(kù)建設(shè)年代久遠(yuǎn)，所以多數(shù)水庫(kù)溢洪道為土渠和亂石堆砌的溝渠，完全不能達(dá)到泄洪的基本要求，防沖刷要求更是無從談起。另外，有一些水庫(kù)中的溢洪道以混凝土、壩漿砌石為主，這些溢洪道從表面上來看能夠達(dá)到要求和標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著水庫(kù)容量和水位的變化，水庫(kù)溢洪道的過流能力依然無法達(dá)到泄洪的要求和標(biāo)準(zhǔn)。

3.水庫(kù)病害產(chǎn)生的主要原因

縱觀我國(guó)大部分的小型水庫(kù)，大約有95%以上由土石壩建造而成，由于建設(shè)之初受到技術(shù)方面的限制，導(dǎo)致水庫(kù)的質(zhì)量并不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其在經(jīng)歷很長(zhǎng)一段使用時(shí)間后，不論是在抗震還是防洪方面都會(huì)或多或少出現(xiàn)一些問題。加之，地方政府部門對(duì)小型水庫(kù)的重視程度不高，使得許多小型水庫(kù)陷入了無人管理的尷尬局面，長(zhǎng)此以往小型水庫(kù)的金屬結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定安全等方面出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。小型水庫(kù)病害形成的原因主要包括以下幾個(gè)方面：

3.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)

本水庫(kù)在建設(shè)之初同樣受技術(shù)方面的限制，其防洪能力逐漸減弱，在泄洪設(shè)施的建設(shè)上由于建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，以至于其在汛期和洪水泛濫期間無法充分發(fā)揮應(yīng)有的防洪作用，從而給生活在下游人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的威脅。同時(shí)，由于該水庫(kù)在設(shè)計(jì)之初對(duì)質(zhì)量要求較低，使得在使用過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。除此之外，大壩泄水建筑的泄水能力和頂部高程無法滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)。出現(xiàn)這種情況的根本原因是水文資料年代久遠(yuǎn)，洪水信息發(fā)生了一定的改變，泄水建筑出現(xiàn)了安全問題，其作用無法實(shí)現(xiàn)。

3.2 抗震烈度低

水庫(kù)大壩的抗震烈度比較低，無法滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致該狀況的根本原因是新抗震烈度區(qū)劃圖的要求比較高，水庫(kù)原地震烈度設(shè)計(jì)低；原來設(shè)計(jì)時(shí)沒有對(duì)地震工程情況進(jìn)行認(rèn)真分析，經(jīng)過仔細(xì)勘驗(yàn)以后發(fā)現(xiàn)大壩的抗震烈度較低。

3.3 大壩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差

大壩的抗滑穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無法滿足現(xiàn)行規(guī)定，導(dǎo)致這種情況的根本原因是土石壩壩體的橫斷面較窄，大壩坡度較陡，壩坡的抗滑穩(wěn)定性無法滿足規(guī)定；護(hù)坡破損嚴(yán)重，對(duì)大壩的安全造成了嚴(yán)重的威脅；大壩基礎(chǔ)沒有進(jìn)行徹底清理或者施工質(zhì)量比較差，導(dǎo)致大壩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差。

3.4 輸水及泄洪建筑不安全

輸水以及泄洪建筑的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無法滿足現(xiàn)行的規(guī)定，導(dǎo)致這種情況的根本原因是沒有合理設(shè)計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)、涵管以及輸水隧洞或者在設(shè)計(jì)時(shí)未嚴(yán)格規(guī)范，使其出現(xiàn)了漏水、沖蝕、剝離、露筋以及裂縫等問題，從而使建筑物的整體性受到了一定的影響，尤其是壩下預(yù)埋的管道出現(xiàn)漏水情況，會(huì)使壩體受到侵蝕。泄洪建筑存在的主要問題有失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋、泄槽和溢流面沒有進(jìn)行襯砌等，從而導(dǎo)致沖蝕損壞的情況。

3.5 缺少完善的金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備

水庫(kù)的機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)已經(jīng)使用了幾十年，已經(jīng)接近折舊年限或者超過折舊年限，這就使得其銹蝕和老化問題嚴(yán)重，無法實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行，給水庫(kù)水位安全造成一定的威脅。

3.6 管理設(shè)施缺失

水庫(kù)沒有完善的觀測(cè)系統(tǒng)和水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)，甚至有些小型水庫(kù)沒有觀測(cè)設(shè)備，加之水庫(kù)的管理設(shè)備比較陳舊，防汛道路狹窄，部分水庫(kù)沒有設(shè)置專用的防汛通道，導(dǎo)致水庫(kù)運(yùn)行管理水平和重量低下。

3.7 滲流不安全

大部分小型水庫(kù)的壩體和壩基都會(huì)出現(xiàn)滲流現(xiàn)象，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因有壩體施工材料質(zhì)量不合格、壩體單薄，其在長(zhǎng)期的水流沖擊下導(dǎo)致壩體土料出現(xiàn)裂縫。同時(shí)，由于下游壩體的排水棱體設(shè)計(jì)水平不高，其功能和作用逐漸失效，導(dǎo)致下游壩體浸潤(rùn)線持續(xù)增高，從而造成壩體滲漏。

4.水庫(kù)加固策略

針對(duì)上述問題，本文提出詳細(xì)的加固策略，包括加固大壩、加固壩基、加固溢洪道、加固下游消能防沖設(shè)施等，具體進(jìn)行如下分析：

4.1 加固大壩

大壩的主要類型是單曲拱壩，在進(jìn)行加固除險(xiǎn)時(shí)，可以使用以下兩種辦法：第一，合理加高壩頂位置的非溢流壩體、對(duì)溢流堰進(jìn)行升級(jí)改造、對(duì)壩體實(shí)施灌漿防滲處理以及在大壩頂部設(shè)置交通橋等。使用型號(hào)為C20的混凝土對(duì)非溢流壩的壩頂進(jìn)行抬高，使其寬度增加3m左右，在壩頂上游和下游位置設(shè)置1.2m的不銹鋼欄桿；第二，使用“上堵下排”的策略處理拱壩的滲漏問題。對(duì)壩體進(jìn)行灌漿布孔操作，在漏水壩的位置單排布置，孔距保持在2m左右。

4.2 加固壩基

在壩基進(jìn)行帷幕灌漿防滲處理的時(shí)候，使用自壩頂鉆孔灌漿的辦法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)帷幕的灌漿處理。壩體使用帷幕灌漿的處理辦法，所以壩體灌漿軸線一定要與基礎(chǔ)帷幕灌漿軸線相吻合，帷幕灌漿主要是借助壩體鉆孔灌漿平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，保證壩體防滲與基礎(chǔ)防滲的有機(jī)融合，進(jìn)而構(gòu)成比較封閉的防滲體系。

4.3 加固溢洪道

壩頂無閘控制泄洪表孔的裝置是拱壩溢洪道，主要位置在大壩中間，其類型為開敞式，其高度可以達(dá)到580多米，寬度可以達(dá)到36m 左右，主要的消能結(jié)構(gòu)類型為挑流式，下泄流量最大值可以達(dá)到801.00m3/s。認(rèn)真分析溢洪道易出現(xiàn)的問題，要想有效改善泄流條件，就要重新建設(shè)溢洪道的溢流堰，將原來的溢流堰表面拆除，溢洪道的頂部高程保持不變，對(duì)其壩頂高程進(jìn)行合理的加高處理。使用WES冪曲線作為堰面曲線，曲線的下面與反弧段進(jìn)行連接，在挑流消能的時(shí)候，使用挑流鼻坎的策略，從而使下游壩腳的抗沖刷能力得到改善。以壩頂交通橋的設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ)，位于溢洪道頂部橋墩的厚度保持在0.5m左右，水平長(zhǎng)度保持在3m左右，其類型為等厚型，出口設(shè)置成矩形，進(jìn)口設(shè)置成半圓形。

4.4 加固下游消能防沖設(shè)施

大壩主要的消能形式為挑流式，下游河床中碎石塊的厚度可以達(dá)到5m左右，抗沖刷的能力比較差，與大壩相交位置的主要構(gòu)成物質(zhì)為灰?guī)r夾頁(yè)巖，其中夾頁(yè)巖的性質(zhì)較軟。由于夾頁(yè)巖的裂紋發(fā)育較好，會(huì)被雨水沖刷而導(dǎo)致剪斷情況發(fā)生，這就會(huì)給大壩造成比較嚴(yán)重的危害。要想使下游的抗沖刷問題得到較好的處理，需要先清理大壩內(nèi)部的雜物和淤泥，將表層覆蓋物清理干凈，直到漏出基巖面為止，并將基巖面清洗干凈。

4.5 加固輸水設(shè)施

在左岸壩體里面設(shè)置輸水鋼管，其斷面為圓形，長(zhǎng)度在13m 左右，直徑為0.9m，進(jìn)口處的高程保持在560m左右，使用蝶閥控制輸水鋼管。輸水鋼管已經(jīng)使用了二十多年，出現(xiàn)了嚴(yán)重的生銹問題，受混凝土澆筑質(zhì)量和鋼管生銹問題的制約，使得輸水鋼管的滲漏問題比較嚴(yán)重。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行認(rèn)真分析以后，結(jié)合資金籌備情況，決定挖掘壩體埋管的出口位置，挖掘的深度為10cm，重新埋設(shè)的輸水管要與原有的輸水管進(jìn)行良好的焊接，使用閘閥控制輸水鋼管，并加設(shè)閘閥室和一道檢修閘閥。

4.6 加固防汛道路

大壩左岸壩肩為水庫(kù)防汛公路的起點(diǎn)，該公路為村級(jí)公路，總長(zhǎng)度可達(dá)到2000m，路基的寬度可達(dá)到5m，沒有路面結(jié)構(gòu)。對(duì)水庫(kù)樞紐的主體工程進(jìn)行認(rèn)真分析以后，在路基整修時(shí)，按照鄉(xiāng)級(jí)公路的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，路面為泥結(jié)石，這樣會(huì)對(duì)搶險(xiǎn)防洪起到較好的作用。路面層次從路基開始分別為碾壓碎石墊層、水泥穩(wěn)定層、混凝土路面，使用的混凝土強(qiáng)度為C25型。

4.7 加大工程觀測(cè)

水庫(kù)大壩的施工等級(jí)為二級(jí)，使用人工觀測(cè)和巡視的辦法進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，工程監(jiān)測(cè)只能及時(shí)觀測(cè)滲流量和水位。使用水尺對(duì)上游壩面進(jìn)行觀測(cè)；壩體的滲流量即需要觀測(cè)的滲流量，在下游壩腳集水溝位置設(shè)置三角堰，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)的壩基滲漏量、壩體以及水庫(kù)總滲流量的觀測(cè)。

4.8 增加抗震及穩(wěn)定能力

水庫(kù)受到地震災(zāi)害以后，會(huì)使水庫(kù)的建筑設(shè)施以及水庫(kù)本身受到嚴(yán)重的損壞，給水庫(kù)所在地的沙土密實(shí)度帶來一定的影響，密實(shí)度不高的沙土受到地震災(zāi)害以后會(huì)變得非常松散，使防御洪水災(zāi)害的能力降低。如果想要實(shí)現(xiàn)較好的處理效果，就要對(duì)水庫(kù)中的沙土進(jìn)行換填處理，以此改變和提高水庫(kù)土壤的密實(shí)度，也可以對(duì)水庫(kù)的原有沙土進(jìn)行壓實(shí)，以此提升密實(shí)度，并借鑒過往成功的經(jīng)驗(yàn)來采取處理措施。水庫(kù)大壩的坡度比較陡，這樣就會(huì)使壩坡的穩(wěn)定性受到一定的影響，因此需要不斷提升大壩的穩(wěn)定性，對(duì)大壩的壩坡進(jìn)行加固處理。認(rèn)真分析大壩的壩坡以后，采取降低坡度的辦法來處理，主要有削坡和培土這兩種辦法。在實(shí)際施工的時(shí)候，即使使用的材料具有較好的透水性，也要依據(jù)上游和下游的實(shí)際情況來選擇科學(xué)的加固策略。

4.9 加固土石壩

土石壩在受到重力和其他外力的作用下，會(huì)出現(xiàn)向外移動(dòng)和向下移動(dòng)的走勢(shì)，這就對(duì)壩坡內(nèi)巖土的抗剪強(qiáng)度提出了更高的要求，如果土石壩可以抵抗外力說明其是穩(wěn)定的，否則就會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)滑坡等問題。同時(shí)，又由于土石壩滑坡受到多種因素的影響，比如雨水滲入、施工方式、施工進(jìn)度以及地震等，這些不利因素的出現(xiàn)都會(huì)引起壩坡內(nèi)孔隙水壓力性質(zhì)的改變，從而嚴(yán)重降低壩坡的抗剪強(qiáng)度。為此，當(dāng)壩坡出現(xiàn)滑坡時(shí)，需要從以下幾個(gè)方面做起：（1）對(duì)滑坡出現(xiàn)的原因進(jìn)行全面勘探；（2）進(jìn)行土工試驗(yàn)，從而確定滑坡產(chǎn)生的原因；（3）制定具有針對(duì)性的壩體滑坡加固方案。在通常情況下，土石壩加固需要通過人工填筑壩料完成。

4.10 非工程措施

本項(xiàng)目提出的非工程措施主要有以下幾個(gè)方面：

（1）建立水庫(kù)工程管理單位，并保證水庫(kù)管理人員管理經(jīng)費(fèi)和水庫(kù)的日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用充足，為水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作的進(jìn)行提供資金基礎(chǔ)。

（2）建立完善的水庫(kù)自動(dòng)化管理機(jī)制，隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，水庫(kù)管理應(yīng)逐漸向著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

（3）完善水庫(kù)對(duì)外通訊設(shè)施設(shè)備，對(duì)外通訊設(shè)施設(shè)備是水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作順利、有序開展的根本保證。

（4）不斷加大對(duì)水庫(kù)管理人員的培訓(xùn)力度，努力提升其自身的業(yè)務(wù)素質(zhì)和專業(yè)素養(yǎng)，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)技術(shù)方面的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，以此提升水庫(kù)管理的質(zhì)量和水平。

（5）建立健全水庫(kù)日常檢查、維修養(yǎng)護(hù)以及防汛方案，并認(rèn)真貫徹落實(shí)下去，為水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作的開展提供制度保障。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該水庫(kù)是一個(gè)兼發(fā)電、防洪、養(yǎng)殖為一體的小型水庫(kù)，水庫(kù)經(jīng)過多年的運(yùn)行后出現(xiàn)了一系列的病害問題，不能充分發(fā)揮出發(fā)電、防洪等方面的作用。對(duì)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固后，水庫(kù)的安全隱患逐步消失，其設(shè)計(jì)效益也充分發(fā)揮出來，保證了灌區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量的穩(wěn)定，社會(huì)效益顯著。同時(shí)，希望通過對(duì)本文的研究，可以對(duì)日后類似水庫(kù)的除險(xiǎn)加固工作帶來幫助和借鑒。