淺析小型水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

劉懿 姚彤悅 南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司

1.引言

2021年9月，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議部署加快中小型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固，要求2025年底前全部完成現(xiàn)有病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固。根據(jù)水利部相關(guān)消息，2020年已經(jīng)鑒定完成的小型水庫達(dá)1.88萬座，計(jì)劃在2025年前全部完成除險(xiǎn)加固任務(wù)。這些病險(xiǎn)水庫大多建成于上世紀(jì)50-70年代，受當(dāng)時(shí)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件制約，建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不足，大多水庫建造過程中采取邊設(shè)計(jì)邊施工的建造方法，有的甚至不經(jīng)設(shè)計(jì)直接建造[1]，且受制于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)力水平，建設(shè)水庫的選址、設(shè)計(jì)、施工、管理運(yùn)行等方面技術(shù)水平不高，水庫大壩、庫區(qū)地質(zhì)條件、防洪排險(xiǎn)、水資源利用、水庫老化退化等方面均有一些共性和個(gè)性的問題。從現(xiàn)實(shí)來看，我國(guó)中小型水庫存在的主要問題包括溢洪道布置不合理、壩體滲漏、壩基滲漏、壩體穩(wěn)定性差、庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境不良等[2]，大部分水庫面臨的病險(xiǎn)具有復(fù)雜性，且有逐步加重的趨勢(shì)，是多種問題的綜合，開展病險(xiǎn)加固既要針對(duì)性的措施也要綜合施策。

中小型病險(xiǎn)水庫一般分布在農(nóng)村地區(qū)，與城鎮(zhèn)中水體及其設(shè)施維護(hù)管理可以及時(shí)到位的情況不同，農(nóng)村地區(qū)水庫相對(duì)來說管理人員素質(zhì)不齊、監(jiān)管措施缺位、投入資金少、初期建造質(zhì)量差等問題更嚴(yán)重，因此，開展存量病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固工作，要針對(duì)病險(xiǎn)水庫的特點(diǎn)，采取適宜的勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收方案，提高實(shí)施效果，獲取最大經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。楊建華[3]對(duì)位于新疆地區(qū)的中小型水庫除險(xiǎn)加固開展了研究，認(rèn)為需要考慮風(fēng)沙沉積導(dǎo)致庫區(qū)基地的抬高，還要重視因庫區(qū)水分相對(duì)充足引發(fā)動(dòng)植物聚集導(dǎo)致出現(xiàn)對(duì)庫區(qū)的損害；朱家勝等[4]認(rèn)為水庫病險(xiǎn)主要有防洪、結(jié)構(gòu)、滲流穩(wěn)定性方面的安全問題以及輸水涵洞和溢流洪道存在的安全問題；劉淼[5]認(rèn)為水庫區(qū)域的地質(zhì)勘察資料對(duì)開展加固工作有直接影響，要保證一定的地勘深度；鄧厚展[6]認(rèn)為水庫壩體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低或水的沖刷會(huì)導(dǎo)致水庫大壩的穩(wěn)定性和安全性問題；陳遠(yuǎn)東[7]對(duì)小型水庫除險(xiǎn)加固和建設(shè)管理方法開展了探討；王延紅等[1]提出建立全國(guó)小型水庫除險(xiǎn)加固項(xiàng)目評(píng)價(jià)體系，對(duì)評(píng)價(jià)落后的地區(qū)發(fā)出警示，從而提升除險(xiǎn)加固項(xiàng)目建設(shè)水平；曾小芳[8]提出利用水庫加固方案優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)水庫加固方案進(jìn)行優(yōu)選，可以得到較好的處理方案；麻立彬[9]為政府參與提高水庫加固工作的有效性提出了一些有益思路。

為提高中小型水庫除險(xiǎn)加固項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施水平，如期實(shí)現(xiàn)2025年水庫除險(xiǎn)加固目標(biāo)，本文結(jié)合前人研究成果，針對(duì)中小型水庫存在的問題以及除險(xiǎn)加固處理措施開展討論，以安徽省郎溪縣的小型水庫除險(xiǎn)加固項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)析中小型水庫除險(xiǎn)加固的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2.中小型水庫的主要病害問題

由于地理位置、生產(chǎn)條件、現(xiàn)實(shí)狀況等不同，不同類型水庫的具體病害問題有其特殊性，在進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)需要加以區(qū)分。同時(shí)，水庫的建造背景、發(fā)揮作用、病險(xiǎn)原因等方面也存在比較多的一致性，所以水庫的病害問題也有一定的相似性，具體來說有以下幾方面。

2.1 設(shè)計(jì)高程標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

現(xiàn)有中小型病險(xiǎn)水庫大多建成于上世紀(jì)50-60年代，當(dāng)時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，社會(huì)處于物資匱乏時(shí)期，生產(chǎn)資料奇缺，沒有統(tǒng)一的建設(shè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，部分水庫在設(shè)計(jì)采用老舊或者如今已不適用的高程標(biāo)準(zhǔn)，有的甚至沒有使用高程標(biāo)準(zhǔn)開展設(shè)計(jì)和施工，如嘆兒灣水庫采用的高程系是廢黃河高程系[10]，還有部分水庫留存的原始資料僅有壩高等數(shù)據(jù)，找不到參考高程系。

2.2 水庫大壩病害問題

大壩的質(zhì)量問題與安全性最直接相關(guān)，是水庫管理人員和人民群眾最關(guān)心的事項(xiàng)，在進(jìn)行病險(xiǎn)水庫治理時(shí)應(yīng)將重點(diǎn)放在對(duì)其壩體病害的處置上。壩體的病險(xiǎn)問題主要有以下幾個(gè)方面：一是勘察設(shè)計(jì)深度不足造成的壩基缺陷、壩體強(qiáng)度和穩(wěn)定性偏低、集水面積適用錯(cuò)誤、泄洪通道不合理等問題；二是施工技術(shù)水平較低導(dǎo)致的因壩體夯實(shí)度不足引起沉降過大或者不均勻沉降、壩身出現(xiàn)裂縫或者滲漏、壩體局部發(fā)生滑坡等問題；三是管理使用不當(dāng)引起的亂搭亂建、違章砍伐、隨意開挖、過度開發(fā)等問題。如廣西某水庫因設(shè)計(jì)不當(dāng)引發(fā)壩體滑坡，重慶某水庫計(jì)算集水面積錯(cuò)誤[11]，浙江麗水某小型水庫壩體出現(xiàn)滲漏點(diǎn)導(dǎo)致滲流方面的安全隱患[12]，更有部分水庫壩體坡面保護(hù)不力，有人為開挖種植的現(xiàn)象。

2.3 泄水通道病害問題

溢洪道和涵洞都是水庫的關(guān)鍵水流通道，是水庫具有使用功能的重要保證，對(duì)泄水通道的治理也是水庫除險(xiǎn)加固的重要方面。某些水庫在設(shè)計(jì)之初對(duì)溢洪道和涵洞的安排就存在不合理性，導(dǎo)致溢洪道斷面不足或發(fā)生缺陷等，如楊坪水庫泄槽出口無消能設(shè)施[13]，有的水庫在使用過程中缺少必要的維護(hù)和修理，出現(xiàn)堵塞、沖刷損壞、管道脫節(jié)、不均勻沉降等問題。

2.4 使用管理和維護(hù)方面問題

水庫的管理維護(hù)是日常運(yùn)營(yíng)的重要一環(huán)，是保障水庫耐久性的必要手段，這項(xiàng)工作做得是否到位直接關(guān)乎水庫的使用功能。大部分中小型病險(xiǎn)水庫都存在不同程度的使用管理和維護(hù)方面的問題，諸如維護(hù)的人力物力財(cái)力投入不夠、監(jiān)測(cè)檢測(cè)不及時(shí)、使用利用不合理等。

3.中小型水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

在除險(xiǎn)加固工程上，設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)性的一個(gè)環(huán)節(jié)，是開展加固施工的依據(jù)，設(shè)計(jì)工作的好壞直接關(guān)系到除險(xiǎn)工程的成敗。工程設(shè)計(jì)人員在開展中小型水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)庫區(qū)自然、水文環(huán)境以及工程地質(zhì)狀況進(jìn)行充分調(diào)查了解，深入查明水庫及相關(guān)區(qū)域存在的病害和隱患問題，采取綜合策略，提高除險(xiǎn)加固工程的實(shí)效性。

3.1 深入調(diào)查，充分考慮各項(xiàng)因素

要掌握庫區(qū)所處位置的特殊情況，了解是否處于地震、滑坡或者其他工程的影響范圍內(nèi)，受這種強(qiáng)擾動(dòng)影響的水庫，在設(shè)計(jì)時(shí)采用灌漿、補(bǔ)種植被等方法提高巖土體的完整性，或者清除松動(dòng)土質(zhì)進(jìn)行回填可以取得較好的效果。要充分調(diào)查庫區(qū)水文資料，對(duì)庫區(qū)降雨、水流以及下游用水、泄洪散水等情況要全面具體地分析，采取清淤擴(kuò)容、改流引道、增加散水面積等方式進(jìn)行處理。對(duì)可采用的技術(shù)措施進(jìn)行詳盡的論證和調(diào)研，如大型機(jī)器設(shè)備的可達(dá)性、施工對(duì)壩體和地基的影響等，研究使用代替辦法或者增加其他工藝促進(jìn)達(dá)到加固目的。

3.2 深化設(shè)計(jì)，采取合適的除險(xiǎn)加固方案

在掌握全面的資料和考慮各項(xiàng)影響因素的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)庫區(qū)的消險(xiǎn)加固工程有一個(gè)全局的方案，進(jìn)而對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)推進(jìn)設(shè)計(jì)工作。中小型水庫加固一般工程量都較小，但麻雀雖小五臟俱全，亦需要按照全面的除險(xiǎn)加固工程開展設(shè)計(jì)。對(duì)于庫區(qū)環(huán)境，調(diào)查清楚地質(zhì)狀況后確定是否需要采取措施對(duì)周邊區(qū)域采取加固或者除險(xiǎn)措施；對(duì)庫內(nèi)水域及庫底部進(jìn)行探測(cè)，確定是否要對(duì)水庫進(jìn)行清淤擴(kuò)容處理；對(duì)壩體實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)查，看其穩(wěn)定性和強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求，看壩體是否存在滲漏或者裂縫等病害，有針對(duì)性地進(jìn)行加固方案設(shè)計(jì)；摸清泄水通道等構(gòu)筑物現(xiàn)狀，大部分老舊水庫的此類結(jié)構(gòu)存在問題，且較為嚴(yán)重，需要進(jìn)行加固修復(fù)或拆除重建。

3.3 加強(qiáng)管理，對(duì)水庫除險(xiǎn)加固全過程進(jìn)行有效控制

水庫除險(xiǎn)加固，是需要各方通力合作才能完成的任務(wù)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)方、建設(shè)方、施工方和勘察單位等都是擔(dān)負(fù)相應(yīng)任務(wù)的責(zé)任方，需要加強(qiáng)合作，共同直面問題和挑戰(zhàn)，才能取得好的成效。對(duì)于勘察設(shè)計(jì)方，不僅承擔(dān)著工程最早開展的工作，也要在全過程中保持與各方的互動(dòng)和協(xié)作，及時(shí)處理在建設(shè)施工中出現(xiàn)的問題，在后期驗(yàn)收上，還要做到嚴(yán)格把關(guān)，確保建設(shè)成果和質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)要開展好服務(wù)工地活動(dòng)，解答好建設(shè)方、施工方的疑問，對(duì)于疑難雜癥要共同商討解決方案，促進(jìn)除險(xiǎn)加固工作如期完成。

4.中小型水庫除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)案例

以安徽省郎溪縣開展的?。?）型水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)為例，淺析該類水庫設(shè)計(jì)工作中應(yīng)該把握的要點(diǎn)。郎溪縣開展除險(xiǎn)加固的該類型水庫共有6座，均為探明的病險(xiǎn)水庫，需要及時(shí)開展除險(xiǎn)加固工作。通過勘察設(shè)計(jì)，主要存在的問題及做法總結(jié)如下：

4.1 高程問題的處理

對(duì)水庫進(jìn)行勘察測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)水庫原始資料記載使用的是吳淞高程，現(xiàn)測(cè)量采用1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)時(shí)，二者并不能換算，而且還出現(xiàn)同一地各水庫換算結(jié)果不相同的現(xiàn)象。原因是由于水庫在建設(shè)之初受技術(shù)和現(xiàn)實(shí)的限制，采用的高程基準(zhǔn)不準(zhǔn)確，且多年來水庫運(yùn)行維護(hù)中沒有進(jìn)行測(cè)量校核并及時(shí)修正錯(cuò)誤。除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)采用測(cè)量的水庫溢洪道堰頂高程為正常蓄水位，與資料記載的正常蓄水位之差換算水庫特征水位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高程的換算。

4.2 大壩問題的處理

大壩均有不同程度的滲漏問題，且多為散浸和窨潮。主要是由于建設(shè)時(shí)壩身填土質(zhì)量不均勻且填筑技術(shù)工藝落后導(dǎo)致滲透系數(shù)過大造成的。解決滲漏可采用壩身加厚、充填灌漿、多頭小直徑深攪樁、高壓噴射注漿法等，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況確定采用防滲處理方式。如有的壩高超過10米，壩頂寬度達(dá)4米，背水坡無馬道，大壩壩身單薄，滲徑短，若采用深攪樁防滲墻，施工質(zhì)量不易控制，沒法達(dá)到很好地解決滲漏問題的目的，因此設(shè)計(jì)時(shí)采用背水坡培土加厚，增加馬道并設(shè)置排水設(shè)施的方法解決。個(gè)別水庫壩高較低，壩身和壩基主要由粉質(zhì)粘土構(gòu)成，加固設(shè)計(jì)采用多頭小直徑深攪樁或高壓噴射注漿法。堵漏方式還要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件確定，如水庫位于連片山區(qū)，大型機(jī)械可達(dá)性差，受樹木或者大壩上方的架空線路約束，多頭小直徑深攪樁施工機(jī)器無法開展工作，宜采用高壓噴射注漿法。

4.3 泄水通道問題的處理

本次設(shè)計(jì)的6座水庫溢洪道均為開敞式，處在大壩一端，上部有簡(jiǎn)易交通橋。主要問題是使用年限長(zhǎng)，通道破損嚴(yán)重，道口周邊雜草叢生，極易形成堵塞；且道面交通橋僅有一塊后置混凝土板，行走安全性無法保證。處理措施為拆除重建，保持堰頂高程和堰寬不變，根據(jù)新規(guī)范要求設(shè)計(jì)溢洪道具體形式和規(guī)模，人行通道處設(shè)計(jì)現(xiàn)澆混凝土交通橋，滿足日常巡視和汛期搶險(xiǎn)需要，提高使用安全性。

各水庫的涵洞現(xiàn)狀均為管涵，開啟和關(guān)閉靠人力手動(dòng)完成，無啟閉機(jī)房。處理措施同樣采取拆除重建的方法，根據(jù)安徽地區(qū)設(shè)計(jì)灌水率為1m3/s/萬畝的要求考慮，結(jié)合每個(gè)水庫的灌溉面積確定涵洞截面積。如水庫設(shè)計(jì)灌溉面積為1000畝時(shí)，涵洞所需灌溉流量為0.1m3/s，還需要考慮后期涵洞檢修，可設(shè)計(jì)涵洞的尺寸為1.0m×0.8m（高×寬），配備相應(yīng)的鑄鐵框鋼閘門，建設(shè)具備適當(dāng)啟閉力的手電兩用螺桿啟閉機(jī)，減少人工操作帶來的困難。

4.4 工程后期運(yùn)行管理建議

現(xiàn)實(shí)狀況下的大壩壩后均無護(hù)壩地，周邊還存在一些不符合規(guī)定的種養(yǎng)問題，個(gè)別水庫大壩甚至直接連接魚塘水面。為提升大壩的運(yùn)行安全性能，設(shè)計(jì)建議按照大壩管理?xiàng)l例征收壩后地塊作為大壩的護(hù)壩地，嚴(yán)格落實(shí)大壩的管理范圍線。

5.結(jié)語

我國(guó)現(xiàn)存中小型水庫的病險(xiǎn)問題具有一定相似性，總結(jié)相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法可為類似工程項(xiàng)目提供參考，推動(dòng)如期實(shí)現(xiàn)2025年病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固目標(biāo)。

（1）病險(xiǎn)水庫的病害問題主要在于山體地質(zhì)不穩(wěn)定問題，庫底淤塞或者庫床提升問題，壩體存在滲漏、裂縫以及穩(wěn)定性不足的問題，排水通道年久失修不再適用等問題，在設(shè)計(jì)工作前要充分調(diào)查、勘探，結(jié)合整體現(xiàn)狀進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)既具有全局把握，又有具體問題的解決。

（2）要針對(duì)不同病害采取適當(dāng)處理措施，強(qiáng)化全過程管控的作用，實(shí)行多方施策，在設(shè)計(jì)施工過程中采用新的“三邊”方法，實(shí)行邊設(shè)計(jì)邊與其他方溝通，了解需求和實(shí)際，做到邊設(shè)計(jì)邊改進(jìn)，促進(jìn)方式方法更新，推廣邊設(shè)計(jì)邊服務(wù)的良性工作方法，使設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)更貼切。

（3）水庫除險(xiǎn)加固的設(shè)計(jì)，通常是多個(gè)水庫同時(shí)開展，在工作過程中，不但要對(duì)具體的情況了解，還要區(qū)分其中的不同和各自特點(diǎn)，不但要綜合施策，還要具體問題具體分析，避免千篇一律，同時(shí)提高設(shè)計(jì)水平。