江山龍頭水庫加固設(shè)計及處置后變形監(jiān)測分析

摘 要：為保障龍頭水庫的安全運營，結(jié)合其實際情況，對水庫加固進(jìn)行設(shè)計研究，并通過處置后的變形監(jiān)測分析來評價加固設(shè)計效果。分析結(jié)果表明：龍頭水庫面臨的問題主要包括大壩滲漏、溢洪道開裂、輸水建筑物漏水、管理設(shè)施破損及白蟻等問題，因此，對其進(jìn)行加固設(shè)計是十分重要的。在現(xiàn)場調(diào)查基礎(chǔ)上，從大壩加固、泄水建筑物加固、輸水建筑物加固及白蟻防治等方面進(jìn)行設(shè)計工作。在加固設(shè)計措施落實基礎(chǔ)上，分析變形監(jiān)測成果，得出水庫加固后的運營效果良好，說明加固設(shè)計措施是合理的，為類似工程積累了經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：龍頭水庫；加固設(shè)計；變形特征；變形預(yù)測

中圖分類號：P 642" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在長期運營條件下，水庫會出現(xiàn)很多工程問題[1-2]，例如江山市龍頭水庫面臨大壩滲漏問題、溢洪道開裂問題、輸水建筑物漏水問題、管理設(shè)施破損問題及白蟻問題等，因此，對其進(jìn)行加固設(shè)計具有重要意義。在水庫加固設(shè)計方面，已有不少相關(guān)研究，例如馬秋樂等[3]對大西海子水庫進(jìn)行防滲加固處理。李斌飛[4]探究了金陵水庫的加固處理措施。李中朋[5]分析了小型水庫在加固過程中的常見問題，并分析了對應(yīng)解決措施。張卓[6]總結(jié)了帷幕灌漿法在水庫加固處理中的施工要點。上述分析充分說明對水庫進(jìn)行加固處理是十分重要的，但均未涉及龍頭水庫的加固設(shè)計研究。因此，本文以龍頭水庫為工程背景，對水庫加固進(jìn)行設(shè)計研究，并通過處置后的變形監(jiān)測分析來評價加固設(shè)計效果，保障后續(xù)安全運營。

1 工程概況

1.1 水庫基本信息

龍頭水庫位于江山市賀村鎮(zhèn)龍頭村洞塢北面，水庫壩址以上集水面積為1.44km2，主河道總長為1.05km，河道比降為35‰。該水庫始建于1964年，截至1969年大壩高度達(dá)到19m，主要建筑物由大壩、溢洪道，輸水設(shè)施等組成。

在壩址區(qū)地質(zhì)條件方面，龍頭水庫壩址區(qū)位于江山賀村鎮(zhèn)龍頭村，地形為山谷出口的緩坡地段。右岸為自然邊坡，坡度約15°～25°，溢洪道上部可見弱風(fēng)化基巖出露，左岸為殘坡積層堆積，地形低矮。壩址區(qū)河床寬度約為180m，溝谷呈不對稱“U”形，兩岸邊坡穩(wěn)定，植被覆蓋良好，未見有滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

在龍頭水庫流域情況方面，龍頭水庫位于江山市賀村鎮(zhèn)龍頭村大洞塢北面，水系屬長江流域下鎮(zhèn)水。下鎮(zhèn)水的起點是衢州江山市鳳林鎮(zhèn)官田村，終點是江西省玉山縣下鎮(zhèn)鎮(zhèn)瀆口村，河長為21km，比降為2%，流域面積為85.8km2，平均年降雨量為1864.3mm，平均年徑流深為1096.9mm，在浙江省內(nèi)面積為40k㎡。

結(jié)合庫區(qū)地形、水文等資料，計算龍頭水庫現(xiàn)狀工程規(guī)模特征參數(shù)，見表1。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252—2017）規(guī)定，該水庫現(xiàn)狀校核洪水位為154.82m，相應(yīng)水庫總庫容為133.84萬m3，判斷該水庫工程規(guī)模為?。?）型。

1.2 水庫加固改造必要性分析

1.2.1 水庫存在的問題

大壩問題：大壩左壩腳存在1處持續(xù)性滲漏點。大壩迎水坡水下部分護(hù)坡存在破壞，砌石塊體脫落，壩腳漿砌塊石基礎(chǔ)局部破損。大壩壩頂為泥結(jié)石路面，易積水，且易滋生雜草。上、下游側(cè)無防護(hù)措施。大壩背水坡兩側(cè)未設(shè)壩頂排水溝，大壩壩腳排水溝未進(jìn)行砌護(hù)。

表1 龍頭水庫現(xiàn)狀工程規(guī)模特征參數(shù)

頻率（%） 特征水位 水庫水位（m） 庫容（萬m3）

死水位 137.9 0.4

正常水位 154.06 122.04

P=2 設(shè)計洪水位 154.66 131.31

P=0.1 校核洪水位 154.82 133.84

溢洪道問題：溢流堰表面裂紋較多，溢洪道底板及擋墻多處破損及裂紋。溢洪道尾部無導(dǎo)洪措施，易對下游村莊農(nóng)田造成安全威脅。

輸水建筑物問題：左壩肩啟閉機(jī)房兼管理房漏水，輸水管道啟閉機(jī)啟閉力不滿足要求。右壩肩涵管管徑過小，達(dá)不到水庫放空要求。

管理設(shè)施問題：水雨情自動測報系統(tǒng)破損。大壩無常規(guī)安全監(jiān)測項目。

其他問題：庫區(qū)白蟻較多，大壩存在白蟻病害。

1.2.2 加固建設(shè)的必要性

龍頭水庫以灌溉為主，一旦失事，將給水庫下游居民的生產(chǎn)和生活帶來巨大的負(fù)面影響，因此，需要對水庫實施加固，保障水庫大壩及下游防洪安全。

實施除險加固工程是繼續(xù)發(fā)揮水庫功能的重要前提。為了更好地發(fā)揮水庫的功能、充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益與社會效益，必須實施除險加固工程。

實施除險加固工程是當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村振興建設(shè)的需要。水庫建設(shè)不僅是加固建設(shè)，還是水庫功能提升的建設(shè)，這也是新農(nóng)村建設(shè)的一部分。

綜上所述，為避免重大生命財產(chǎn)損失，對水庫進(jìn)行加固建設(shè)是非常必要的。

2 水庫加固設(shè)計

結(jié)合工程實際，將水庫加固內(nèi)容設(shè)計為4方面，即大壩加固設(shè)計、泄水建筑物加固設(shè)計、輸水建筑物加固設(shè)計和白蟻防治設(shè)計。

2.1 大壩加固設(shè)計內(nèi)容

結(jié)合龍頭水庫大壩現(xiàn)狀特征，其大壩加固應(yīng)側(cè)重于防滲處理。對比附近工程經(jīng)驗，常用的大壩防滲處理方法有以下4種。

方案一：在上游側(cè)加設(shè)黏土斜墻。前趾挖至中風(fēng)化基巖，周邊挖至相對不透水層或下部帷幕灌漿處理。可以采用當(dāng)?shù)馗浇^為豐富的黏土，節(jié)省投資成本。但施工時間長，質(zhì)量較難控制，兩岸壩肩繞滲須利用帷幕灌漿，增加造價，且當(dāng)前大壩迎水坡均已采用塊石護(hù)砌，黏土斜墻施工勢必破壞原有護(hù)坡，增加工程投資。

方案二：套井回填黏土防滲墻。在壩中，布置采用沖抓鉆造孔，也可利用當(dāng)?shù)夭牧?，施工速度快，施工質(zhì)量容易控制。

方案三：低彈模塑性混凝土防滲墻。低水位時可以施工，質(zhì)量易控制，防滲效果和耐久性好。施工內(nèi)容較單純，且均為機(jī)械化施工，不同工種干擾較少，進(jìn)度較快。但砼防滲墻施工至少需要10kV以上的高壓線，需要接入附近高壓線路施工，審批流程復(fù)雜，施工用電架設(shè)成本極高，且施工工作面較大，對大壩防洪安全有一定影響，因此需要減少大壩施工。

方案四：壩體黏土充填灌漿。低水位時可以施工，施工容易，可與基礎(chǔ)帷幕灌漿結(jié)合，節(jié)省投資成本。但本工程大壩為粉質(zhì)黏土，孔隙比大，塊莖差異較大，可灌性差，因此帷幕效果難以達(dá)到預(yù)期。

各防滲方案的適用條件、防滲效果和施工條件見表2。

通過對比，本次設(shè)計推薦采用沖抓套井黏土回填方案，且結(jié)合龍頭水庫大壩的實際情況，此方案的主要優(yōu)點：壩體防滲效果較好，能保證施工質(zhì)量，耐久性較高。所有防滲施工場地均在壩頂進(jìn)行，易于布置設(shè)備與材料。施工內(nèi)容較單純，不同工種干擾較少，進(jìn)度較快。對大壩心墻進(jìn)行套井回填，能有效提高周邊壩體填筑料的壓實度。

綜上所述，壩體采用套井回填黏土的方法進(jìn)行防滲，且套井為一排孔，壩頂清表后進(jìn)行套井施工，套井孔徑為?110cm，孔距0.75m，有效防滲厚度為0.8m，最大孔深為25m，且嵌入強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r不少于0.5m，套井回填土料采用黏性土料，要求黏土含量為30%～40%，滲透系數(shù)小于1×10-5cm/s。

在壩頂、壩坡加固設(shè)計方面，壩頂拓寬至5m，采用瀝青路面，自下而上依次為細(xì)粒式黑色瀝青砼厚4cm、粗粒式瀝青砼厚6cm、5%水泥穩(wěn)定碎石層厚20cm。本次加固整體保留現(xiàn)狀干砌塊石護(hù)坡，局部破損處采用塊石填充修復(fù)，在干砌塊石以上增設(shè)草皮護(hù)坡，靠近壩頂處設(shè)置一排綠籬，起到安全警示的作用，綠籬采用紅葉石楠。對大壩背水坡進(jìn)行清表30cm，采用草皮護(hù)坡，坡比從上至下依次為1∶2.0、1∶2.5、1∶2.5。整體保留現(xiàn)狀排水棱體，局部破損處采用塊石填充修復(fù)。

按照上述加固處理后，對壩體進(jìn)行穩(wěn)定性驗算，其結(jié)果見表3。根據(jù)表3，加固后大壩在各種運用條件下的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許安全系數(shù)，因此，大壩壩坡穩(wěn)定滿足要求。

2.2 泄水建筑物加固設(shè)計內(nèi)容

保留進(jìn)口段、實用堰段、泄槽段、消能段、渠道段和溢洪道支流段的原始結(jié)構(gòu)，對其破損位置進(jìn)行加固修復(fù)，并統(tǒng)一對底板進(jìn)行加厚抹面處理。

溢洪道支流段下游為右壩肩輸水涵管出水池，出水池下游為新建橋涵段。該段兩岸新建C25砼重力式橋墩，頂寬為1.5m，高為6.2～6.4m，在橋墩上設(shè)C30鋼筋砼臺帽，橋凈跨5m，橋板為C30鋼筋砼現(xiàn)澆橋板，厚50cm。

2.3 輸水建筑物加固設(shè)計內(nèi)容

對右壩肩原壩下輸水涵管進(jìn)行封堵，即采用C25砼堵頭對老涵管進(jìn)出口進(jìn)行封堵，進(jìn)口頂部留?25通氣孔、灌漿孔各一個，涵管進(jìn)口封堵長度不小于1m，邊灌邊拔對老涵管進(jìn)行封堵，在進(jìn)口通氣孔出漿后封孔，挖除出口原出水池后進(jìn)行土方回填。在左壩肩輸水涵管加固設(shè)計方面，整體保留現(xiàn)狀涵管，涵管采用DN800mm鋼筋砼管，全長40m，且進(jìn)水口處設(shè)攔污柵，進(jìn)水口高程為148.60m，涵管出口底高程為148.00m，出口接灌溉渠道。

在右壩肩輸水涵管設(shè)計方面，涵管采用DN800mmPE管，全長140m，采用非開挖定向鉆施工，孔徑?1000mm。

2.4 白蟻防治設(shè)計內(nèi)容

結(jié)合壩坡整理和護(hù)砌，挖除壩內(nèi)蟻穴，施加白蟻防治藥物，為防止附近白蟻進(jìn)入大壩，設(shè)計時沿大壩四周山體挖白蟻防治帶，在白蟻防止帶埋設(shè)白蟻防治藥物。同時，應(yīng)及時清除適宜白蟻繁殖的雜草，并在壩體土方回填料中加入白蟻防治藥物。

3 水庫處置后的變形監(jiān)測分析

3.1 分析方法構(gòu)建

在對大壩進(jìn)行加固處理后，會在壩體上布置變形監(jiān)測點，龍頭水庫的布置原則：沿壩軸線設(shè)置4個監(jiān)測斷面，每個斷面在壩頂及背水坡設(shè)3個測點，監(jiān)測項目包括垂直位移和水平位移，變形控制值為30mm。

結(jié)合工程實際，龍頭水庫加固處置后的變形監(jiān)測分析思設(shè)計路如下。1）以壩體中部監(jiān)測點3-1#、3-2#和3-3#的監(jiān)測成果為基礎(chǔ)，分析其現(xiàn)有變形特征。2）對上面3個監(jiān)測點進(jìn)行變形預(yù)測，通過后續(xù)變形規(guī)律來掌握壩體后續(xù)變形特征。

綜上所述，再進(jìn)一步進(jìn)行變形預(yù)測模型構(gòu)建。結(jié)合以往經(jīng)驗，提出利用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建壩體變形預(yù)測模型，其模型結(jié)構(gòu)有4層，如圖1所示。

結(jié)合廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，各層基本特征如下。①輸入層。將大壩變形監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入至模型結(jié)構(gòu)中。②模式層。利用激勵函數(shù)對變形信息進(jìn)行映射處理，其主要作用是將輸入層信息從低維空間映射至高維空間。③求和層。對模式層輸出值進(jìn)行信息變換處理，這個處理過程包括求和過程和參數(shù)轉(zhuǎn)變過程。④輸出層。對求和層輸出結(jié)果進(jìn)行整合，完成變形預(yù)測。

為合理評價變形預(yù)測精度，將評價指標(biāo)設(shè)定為相對誤差，值越小越好。

3.2 分析結(jié)果

3.2.1 壩體加固后的變形特征

按照5天一次的監(jiān)測頻率進(jìn)行統(tǒng)計，共得到31期監(jiān)測成果。經(jīng)統(tǒng)計，3-1#、3-2#和3-3#的壩體垂直變形量分別為21.05mm、17.88mm和15.56mm，其詳細(xì)變形數(shù)據(jù)見表4。由表4可知，3個監(jiān)測點的壩體垂直變形量具持續(xù)增加特征，且對3者的垂直變形速率特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到3-1#的變形速率為0.05mm/期～1.60mm/期，均值為0.68mm/期，3-2#的變形速率為0.03mm/期～1.30mm/期，均值為0.58mm/期，3-3#的變形速率為0.03mm/期～1.65mm/期，均值為0.50mm/期。通過數(shù)據(jù)對比，3個監(jiān)測點的垂直變形具較大的波動性，即隨著波動增加，垂直變形量也增加。

統(tǒng)計得到3-1#、3-2#和3-3#的水平變形量分別為18.93mm、12.47mm和14.83mm，其詳細(xì)變形數(shù)據(jù)見表5。由表5可知，3個監(jiān)測點的壩體水平變形量也具持續(xù)增加的特征，且對3者的水平變形速率特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到3-1#的變形速率為0.28mm/期～1.16mm/期，均值為0.61mm/期，3-2#的變形速率為0.02mm/期～0.91mm/期，均值為0.40mm/期，3-3#的變形速率為0.08mm/期～0.82mm/期，均值為0.48mm/期。因此，壩體水平變形也呈現(xiàn)較大的波動規(guī)律，這與垂直變形特征相近。

綜合上述，壩體垂直變形、水平變形持續(xù)增加，但過程具有較大的波動性，且其累計變形值均小于變形控制值，因此說明壩體處置后的變形控制良好。

3.2.2 壩體后續(xù)變形特征

按照分析思路，再利用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對壩體變形進(jìn)行后續(xù)預(yù)測，壩體垂直變形的預(yù)測結(jié)果見表6。由表6可知，3-1#垂直變形量預(yù)測結(jié)果的相對誤差均值為2.02%，3-2#垂直變形量預(yù)測結(jié)果的相對誤差均值為2.09%，3-3#垂直變形量預(yù)測結(jié)果的相對誤差均值為2.04%，預(yù)測精度較優(yōu)。

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，3-1#～3-3#在32期～34期垂直變形預(yù)測結(jié)果中的變形速率均值分別為0.23mm/期、0.25mm/期和0.24mm/期，具有很小的增加趨勢，因此，壩體垂直變形具明顯收斂趨勢。

壩體水平變形的預(yù)測結(jié)果見表7。由表7可知，3-1#水平變形量預(yù)測結(jié)果的相對誤差均值為2.02%，3-2#水平變形量預(yù)測結(jié)果的相對誤差均值為2.09%，3-3#水平變形量預(yù)測結(jié)果的相對誤差均值為2.04%，預(yù)測效果較好。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，3-1#～3-3#在32期～34期水平變形預(yù)測結(jié)果中的變形速率均值分別為0.21mm/期、0.22mm/期和0.20mm/期，具有很小的增加趨勢，因此，壩體水平變形也具明顯收斂趨勢。

綜上所述，各監(jiān)測點的垂直變形、水平變形后續(xù)變形規(guī)律相近，即具有明顯的收斂特征，說明龍頭水庫壩體加固設(shè)計是合理有效的，為后續(xù)安全運營奠定了堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

通過江山市龍頭水庫加固設(shè)計及處置后的變形監(jiān)測分析，得出以下結(jié)論。1）龍頭水庫已運營多年，出現(xiàn)了較多問題，例如大壩滲漏問題、溢洪道開裂問題、輸水建筑物漏水問題、管理設(shè)施破損問題及白蟻問題等，因此，對該水庫進(jìn)行加固處理具有較強(qiáng)的緊迫性。2）結(jié)合工程實際，將水庫加固內(nèi)容設(shè)計為大壩加固設(shè)計、泄水建筑物加固設(shè)計、輸水建筑物加固設(shè)計和白蟻防治設(shè)計。3）通過水庫加固后的變形監(jiān)測分析，得出壩體不僅現(xiàn)階段的變形值在控制范圍內(nèi)，后續(xù)變形趨于收斂的同時，也在控制值范圍內(nèi)，因此，充分驗證了水庫加固設(shè)計的合理性。

參考文獻(xiàn)

[1]王舉. 車渡口水庫壩區(qū)工程地質(zhì)條件分析及加固防治必要性評價 [J]. 珠江水運， 2024（9）： 107-109.

[2]劉懿，姚彤悅. 淺析小型水庫除險加固設(shè)計要點 [J]. 珠江水運， 2023（3）： 63-65.

[3]馬秋樂，宋曉丹. 新疆大西海子水庫大壩防滲處理 [J]. 水利技術(shù)監(jiān)督， 2024（5）： 275-277，281.

[4]李斌飛. 金陵水庫除險加固的必要性及措施建議 [J]. 廣西水利水電， 2024（2）： 102-104.

[5]李中朋. 小型水庫除險加固工程施工管理存在的問題及對策研究 [J]. 水上安全， 2024（8）： 137-139.

[6]張卓. 田壩水庫除險加固工程帷幕灌漿施工要點分析 [J]. 河南水利與南水北調(diào)， 2024，53（4）：34-35.