某小型水庫病險隱患分析及采取的對策

吳 晨

(西安市污水處理管理中心，陜西 西安 710000)

1 問題的提出

西安市當前的小型水庫超過70座，而其中基本上都是在六七十年代建設(shè)起來的。由于當時技術(shù)水平不高，缺少足夠的資金支持，所以，在建設(shè)時并沒有嚴格的根據(jù)先勘察設(shè)計后施工的步驟開展，存在著防洪標準偏低，達不到有關(guān)規(guī)范、規(guī)定要求，工程質(zhì)量偏差等問題。近年來，這些小型水庫在各種因素的影響下，表現(xiàn)出了各種不同的問題，無法發(fā)揮出其工程作用，甚至對下游帶來了一定的安全隱患。下面選擇了其中的一個小型水庫，針對其中的病險問題開展了分析，并提出了除險加固工程措施。

2 工程概況及主要問題

2.1 工程概況

西安市戲河流域的某小型水庫，其壩址以上有著4.55 km2的流域面積，河長6.3 km，平均比降7.8%，總庫容36.36萬 m3,興利庫容21.72萬 m3,而且該水庫的設(shè)計灌溉面積為3 000畝。主要的建筑物包括了大壩、放水設(shè)施、溢洪道等，屬小(2)型工程，V等級。大壩于1976年開工，1980年完工開始蓄水。蓄水運行多年后2010年經(jīng)大壩安全鑒定存在主要問題為：壩體施工碾壓質(zhì)量不滿足規(guī)范要求；壩頂高程不能滿足規(guī)范要求；溢洪道過流能力不足，沒有相應(yīng)的構(gòu)造措施和消能措施；放水、輸水建筑物均有損壞，不能正常使用；無監(jiān)測設(shè)施和通訊設(shè)施；防汛道路年久失修。為消除上述水庫病險隱患于水庫2012年進行過除險加固，主要內(nèi)容：大壩加固，溢洪道加固，上壩道路改造，完善大壩安全監(jiān)測設(shè)施等。經(jīng)過除險加固，消除了水庫存在的病險問題，水庫正常運行?，F(xiàn)狀壩頂高程542.60(1985國家高程基準)，最大壩高21.5 m，壩長153.07 m，壩頂寬度5 m。

2.2 存在問題

按照《水庫大壩安全鑒定辦法》規(guī)定，大壩實行定期安全鑒定制度，每隔6～10 a進行一次。2010年對水庫大壩安全鑒定后，2021年起水庫大壩安全鑒定處于超期狀態(tài)。因此，2021年12月，對該水壩做了安全鑒定，結(jié)論是：水庫工程質(zhì)量沒有達到合格的要求，在防洪、滲流、結(jié)構(gòu)、抗震、金屬結(jié)構(gòu)安全性評價方面分別是“B”、“C”、“C”、“C”、“B”級，因此，將其綜合評定為“三類壩”。

存在主要問題：經(jīng)現(xiàn)場踏勘，2021年9月連續(xù)強降雨后，壩體含水量飽和造成壩頂裂縫，下游壩坡滑坡已出現(xiàn)明顯的質(zhì)量問題。溢洪道泄槽段邊墻局部破損，淤積嚴重，需盡快修復(fù)。現(xiàn)狀滑坡段壩體下游排水棱體已損壞。輸水涵洞下部消能結(jié)構(gòu)已破損，跌坎豎向防護砌體存在著一定的滑踏風(fēng)險。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，閘門存在部門銹蝕。經(jīng)計算大壩降落期壩體浸潤線出逸點高程遠高于排水棱體頂高程，會產(chǎn)生滲透破壞。經(jīng)計算壩坡抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，且現(xiàn)狀壩坡已出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。經(jīng)計算壩體抗震穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。根據(jù)現(xiàn)場踏勘結(jié)合地質(zhì)勘探，對大壩做了綜合分析，結(jié)論是其安全隱患比較的嚴重，必須要對整個大壩做除險加固工作，將其中存在的安全隱患消除，保證水庫安全運行。

3 原因分析及采取的對策

3.1 原因分析

大壩的滲流安全評價性為“C”級，造成原因主要為土壩的壓實度和滲透系數(shù)達不到標準，排水效果不好浸潤線遠高于排水棱體頂部；壩體部位碾壓后長期使用發(fā)生開裂，壩體部位存在滲漏通道。大壩的結(jié)構(gòu)安全性評價為“C”級，造成原因主要為土壩斷面不足，壩坡坡度偏陡，壩坡的抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。大壩的抗震安全性評價為“C”級，造成原因主要為原設(shè)計地震烈度小于新的地震烈度區(qū)劃圖確定場地基本烈度。大壩的防洪安全性評價為“B”級，造成原因為泄洪建筑物，主要存在結(jié)構(gòu)裂縫，或溢流面及泄槽未襯砌，出現(xiàn)沖蝕破壞；輸水建筑物出現(xiàn)裂縫、沖蝕，影響建筑物結(jié)構(gòu)的整體性。大壩的金屬結(jié)構(gòu)安全性評價為“B”級，金屬結(jié)構(gòu)存在銹蝕一定程度影響水庫安全。

3.2 采取的對策

3.2.1 壩體加固設(shè)計

開挖采用臺階式開挖，臺階寬度不小于1.5 m，單階高度不大于1 m；填筑土滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s,施工填筑含水率控制在最優(yōu)含水率的-2%～+3%偏差范圍以內(nèi)。為保證填筑土壓實質(zhì)量，填土寬度不小于3 m，填筑施工由最低部位開始，按水平分層平行向上鋪土填筑，不得順斜坡填筑，填筑土壓實度不小于0.98。

同時為了提高背水壩坡的穩(wěn)定性，在背水坡馬道以上壩坡采用菱形框格(2 m×2 m)進行防護，框格高30 cm寬30 cm，采用C25混凝土澆筑，框格內(nèi)植草護坡；馬道一下壩坡修整后采用草皮護坡。

3.2.2 壩體加固后滲流復(fù)核

1)滲流斷面確定

除險加固工程通過培厚下游壩坡對壩體進行加固，加固后的大壩滲流分析，是選擇了二維有限元分析法，以其中的最大斷面開展?jié)B流分析，以此計算來推算出整個大壩滲流情況，圖1展示的是斷面圖。表1則表示的是大壩壩體分區(qū)土層滲透系數(shù)指標。滲流計算采用Autobank7.0軟件進行二維有限元滲流計算。

圖1 滲流計算斷面材料分區(qū)圖(單位：m)

表1 大壩壩體分區(qū)圖層滲透系數(shù)指標表

2)滲流分析計算工況

根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合本工程情況，滲流計算工況：①上游設(shè)計洪水位540.00 m與下游相應(yīng)最低水位；②上游正常蓄水位538.70 m與下游相應(yīng)最低水位；③上游校核洪水位540.91 m與下游相應(yīng)最低水位；④校核洪水位突然下降到正常蓄水位，這一過程對上游壩坡穩(wěn)定所帶來的最不利工況。

3)滲流計算成果

表2為壩體加固前后滲流計算結(jié)果，圖2～圖5則是加固后滲流狀況。

表2 壩體加固前后滲流計算成果表

圖2 正常蓄水位等勢線及浸潤線分布

圖3 設(shè)計洪水位等勢線及浸潤線分布

圖4 校核洪水等勢線及浸潤線分布

由流網(wǎng)圖及滲流穩(wěn)定計算結(jié)果可知，加固后各種工況下壩坡滲透比降均小于其允許比降，壩體滲漏出逸點較低均在排水棱體以下，壩體培厚措施有效降低了浸潤線，加固后的大壩滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3.2.3 壩體加固后壩坡穩(wěn)定復(fù)核

1)穩(wěn)定斷面確定

加固后的大壩壩坡穩(wěn)定計算選取最大斷面為計算斷面，斷面圖見圖1，大壩壩體分區(qū)土層各項參數(shù)見表3。按照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，穩(wěn)定計算中采用簡化畢肖普法。計算采用Autobank7.7-水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)。

表3 大壩壩體分區(qū)土體特性指標表

圖5 校核洪水位降至正常蓄水位工況下等勢線及浸潤線分布

2)穩(wěn)定分析計算工況

根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合本工程情況，穩(wěn)定計算工況：①設(shè)計洪水位下穩(wěn)定滲流期上、下游壩坡；②正常蓄水位下穩(wěn)定滲流期上、下游壩坡；③校核洪水位下穩(wěn)定滲流期上、下游壩坡；④從校核洪水位降至正常蓄水位下水位降落期上游壩坡；⑤正常蓄水位下穩(wěn)定滲流期，在出現(xiàn)了地震的情況上、下游壩坡；⑥設(shè)計洪水位下穩(wěn)定滲流期，在出現(xiàn)了地震的情況上、下游壩坡。

3)穩(wěn)定計算成果

表4為計算的壩體加固前后穩(wěn)定結(jié)果，圖6～圖11則是加固后穩(wěn)定狀況。

表4 壩體加固前后穩(wěn)定計算成果表

經(jīng)穩(wěn)定計算可以看出，上、下游壩坡在進行加固后，各類工況下所對應(yīng)著的穩(wěn)定最小安全系數(shù)都達到了規(guī)范要求，壩體培厚有效提高了壩體的抗滑穩(wěn)定性。

圖6 工況一最不利滑動面

圖7 工況二最不利滑動面

圖8 工況三最不利滑動面

圖9 工況四最不利滑動面

圖10 工況五最不利滑動面

圖11 工況六最不利滑動面

3.2.4 溢洪道加固設(shè)計

針對現(xiàn)狀溢洪道進口段、控制段及泄槽段護底均為干砌石護底，透水性較強，泄洪期間影響壩肩滲流穩(wěn)定及泄槽段破損嚴重等問題。溢洪道首先清除底板表層淤堵物，拆除已經(jīng)破損的干砌石底板，采用40 cm厚M10漿砌石砌筑底板每10 m設(shè)一道伸縮縫，縫寬2 m，采用聚乙烯泡沫板填縫?，F(xiàn)狀結(jié)構(gòu)完好的干砌石底板表面沖洗后采用3 cm厚的M10砂漿抹面。

4 結(jié)語

小型水庫經(jīng)過長時間運行，存在著各種病險問題，尤其是壩體滲流及抗滑穩(wěn)定問題比較的明顯。通過本文的分析討論，得到如下結(jié)論：

(1)通過分析水庫壩體存在的安全問題，并針對性的加固壩體，可有效降低浸潤線，降低出逸點，提高壩體抗滑穩(wěn)定性。

(2)新老壩面結(jié)合、下游護坡加固等處理工藝可供同類工程參考。