小型病險水庫除險加固設計常見的問題分析

熊 巖

(秭歸縣水利和湖泊局，湖北 宜昌 443600)

水庫為攔洪蓄水和調節水流的水利工程建筑物，可用于灌溉、發電、防洪和養魚。水庫一般建設在山溝或河流的狹口處，形成具有攔河功能的人工湖泊。水庫由大壩、溢洪道和放水建筑物組成?？梢园凑諑烊莸拇笮澐譃樾⌒汀⒅行秃痛笮?。存在危險因素的水庫被稱為病險水庫，為汛期順利度汛帶來隱患[1]。病險水庫的成因主要是水庫設施老化、水庫建設標準偏低等，導致壩體滲水、壩身薄弱等現象出現。病險水庫除了滲水問題外，還存在水庫整體結構安全性不足的問題，對于小型病險水庫，由于多種病害的影響，自身結構安全存在壩坡過于陡峭、壩體不穩定等問題。使得水庫在汛期無法實現對應的功能，對人民的居住環境，甚至生命財產造成威脅。

開展小型病險水庫的除險加固，提高水庫的防洪能力，是實現水資源可持續開發利用的需要[2]。病險水庫的除險加固包括大壩的加固、溢洪道的加固以及防水設備的加固。在工程的實施過程中會因設計方案以及施工條件等因素而產生一定的問題，這些問題導致加固工程不能達到預期效果，致使水庫依舊存在潰堤的風險。為了解決上述問題，提出小型病險水庫除險加固技術的常見問題分析，并針對現階段存在的問題對加固工程進行優化設計，從而保證水庫的運行安全。

1 小型病險水庫加固設計常見問題

通過調查中國部分地區小型病險水庫已經完成和正在進行的除險加固工程，可以提取出現階段各個地區在水庫除險加固設計中經常出現的問題，并按照問題難度進行整合[3]。

1.1 小型病險水庫原始資料不足

小型病險水庫的原始資源包括建筑資料、歷史降水資料、水文地質資料等。中國大部分水庫建設時間較早，在水庫的建設過程中沒有嚴格的監督規范，缺乏完善的水庫管理體制，因此現階段小型水庫的原始資料不足[4]。這一問題增加了病險水庫除險加固設計的難度，致使小型病險水庫除險加固設計方案不合理。另外水文資料的缺失會影響對水庫洪水水文的準確分析與判斷，無法將除險與加固工作量化，導致設計結果無法達到預期。

1.2 設計方案科學性與合理性不強

小型病險水庫的除險與加固設計是一項系統工程，在設計與實施的過程中需要針對水庫的實際情況，在考慮多個影響因素的情況下，制定具有針對性的加固方案，以提升除險加固方案的應用效果。當前，相關的設計人員在進行設計時由于重視程度不夠，經常憑借先前的經驗來設計具體的加固方案，并沒有結合水庫運行的實際情況，也沒有全面分析水庫病險的具體問題，導致設計方案不科學[5]。實用性不強，方案內容也不夠具體，無法達到整治效果。

1.3 水庫加固設計、施工方案與加固實際情況不符

由于小型病險水庫的數量較多，因此水庫除險加固工作的任務量較大，許多地區的施工技術較為薄弱，同時也沒有足夠人力與物力資源支持，因此加固設計的施工質量無法得到保障[6]。一般來講水庫加固設計按照水庫的結構可以分為大壩、溢洪道、放水設施3個部分，針對不同部分指定不同加固設計和施工方案，但受到實際施工工藝與施工時間限制，在病險水庫除險加固完成后，依舊存在一定程度上的大壩滲漏、裂縫等問題。

1.4 基礎設施利用率低下

在除險加固設計中需要利用的基礎設施包括土工膜鋪設、混凝土、鋼筋、注漿原料、金屬結構等，但在實際設計與施工過程中，為了降低工程成本，會出現設施利用率低下、覆蓋材料選用不當的情況，從而可能引發安全風險。

1.5 水庫運行管理與加固設計適配性低

病險水庫在除險加固工作完成之后，需要經過一段時間的恢復管理才能繼續投入使用。但針對部分地區，當地只存在一個水庫，要求加固工程快速恢復以維持水庫的正常運行[7]。而一般的加固設計方案都需要一周左右的恢復時間，導致水庫實際運行管理與加固設計方案的適配性較低，在實際施工中可能會出現管理與設計施工之間的矛盾。

1.6 金屬更換安裝難度大

受到早期水庫設計、建筑以及安裝水平等因素約束，水庫內部金屬設計不夠合理，水庫質量較低。而在加固設計中需要對水庫內部金屬結構進行調整，并選用耐腐蝕性更高的金屬材料替換原水庫中的材料。

1.7 加固后續檢查考核監督體系不健全

小型病險水庫除險加固設計涉及多個步驟和內容，除了需要加強施工工作的管控之外，還需要對設計與施工的匹配性進行監督，定期對工程的施工進度進行考核驗收，必要時還需要在加固施工完成后對工程項目進行復查審核，才能保證加固設計的有效性。而在實際加固工程中，設計人員將相關除險加固方案制定完成后交給施工人員，施工人員在該方案的基礎上予以實施，工程實施完成后重新啟動另一個項目。在此過程中無檢查、無考核，加固結果存在較大安全隱患。

2 小型病險水庫除險加固設計問題解決措施

針對現階段小型病險水庫除險加固設計中存在的一系列問題，提出相關的解決措施，旨在保證水庫的運行安全。根據中國水利水電工程等級劃分標準的相關規定，確定待處理病險水庫的基本類型，以及大壩、溢洪道、輸水泄洪洞及調水工程等主要建筑的等級和次要建筑的基本等級[8]。接著確定水庫的基礎防洪標準以及淤積年限。在此基礎上通過加強工作力度、優化工程設計內容、完善監督與管理制度等多個步驟，解決小型病險水庫除險加固設計的常見問題。

2.1 水庫除險加固工程優化設計

為解決傳統設計中存在的問題，在傳統除險加固設計的基礎上進行優化設計。首先對病險水庫的整體情況進行前期勘察、實地測量，做好前期的資料準備和勘察工作，并找到影響因素，進而針對水庫中的大壩、溢洪道等多個設施，利用專業技術進行加固設計，制定具體的加固方法和措施，從而保證小型水庫的安全供水[9]。其中水庫加固斷面設計結果如圖1所示。

2.1.1土壩灌漿加固設計

在土壩加固設計時，部分設計過程中出現地勘記錄粗陋、壩型和壩體選型錯誤的情況，因此在土壩加固設計施工中，利用灌漿的方式實現對土壩加固處理。具體灌漿加固處理流程如圖2所示。

按照圖2中灌漿處理流程準備灌漿漿液，并在水庫大壩軸線上游1.5m布一排孔，孔距5m，計算造孔數量。采用準備好的漿液灌漿，漿液中的黏土黏率需大于90%。計算各孔孔深，并根據式(1)計算灌漿壓力。

圖1 小型病險水庫加固斷面示意圖

圖2 大壩灌漿處理流程

(1)

式中，P—實際灌漿壓力；P0—正常大氣壓下的灌漿壓力；m—灌漿每加深1m的允許增加壓力值;h—灌漿段的總深度[10]。

按照灌漿工藝將漿液灌入灌漿孔，當壩基灌漿達到終灌標準后，拔出灌漿管，孔口用稠漿灌滿，漿面下沉后再灌，直至漿面不下沉為止，最后回填夯實。土壩灌漿加固結果的壩頂超高復核數據見表1。

表1 壩頂超高復核計算 單位：m

2.1.2黏土心墻加固設計

黏土心墻高度和長度不滿足要求，因此需要在加固時將黏土心墻加高至校核洪水位[11]。黏土心墻加固結果如圖3所示。

圖3 黏土心墻加固示意圖(單位：m)

2.1.3溢洪道加固

小型病險水庫溢洪道可以分為進口溢流堰、漸變段、一級陡坡段、二級陡坡段一級消力池組成。在水庫溢洪道的除險加固處理中，首先對進口溢流堰全部拆除，選用C20鋼筋混凝土重建建筑，在原厚度基礎上增加10cm，并使用相同的方法對漸變段進行加固處理[12]。對于陡坡的加固處理需要在泄槽上增設伸縮縫，并在其中填充防水緩沖材料，其目的是避免凍融引起的漲裂。假設水庫為正常水位，且溢洪道中的相關建筑元素經過加固處理，通過計算泄洪流量與泄槽水流水深等參數，計算溢洪道除險加固的目標泄流能力，泄流能力計算公式為：

(2)

式中，Q—水流量；m—泄流流量系數；σ和ε—淹沒系數和側向收縮系數；B—溢流堰的總凈寬；H0—計入流速水頭的堰上總水頭[13]。

泄槽水深計算方法為：

(3)

式中，hb—泄槽水深；h—溢洪道斷面水深；v—不存在摻氣時斷面的流速；ξ—修正系數，取值為常數。

經過計算得出加固后小型病險水庫溢洪道中泄槽水深的計算結果，見表2。

表2 泄槽不同位置摻氣水深 單位：m

2.2 設計計算洪水及調洪時段

采用洪水分析及調洪演算方法，充分考慮水庫周邊流域地形、制備以及河道粗糙率等相關參數，從而計算出加固設計結果。一般情況下水庫調洪時段為0.5h或1h，但由于河道長度短、流域面積小，會導致洪水位的上升速度較快，若設定調洪時段為0.5h或1h，會因為時段設置過長而錯過洪峰，致使壩頂高程不足[14]。因此根據實際洪水流速和流量準確計算調洪時段，并將調洪時段控制在10min之內。

2.3 規范小型水庫日常運行和管護

除了除險加固方法的優化設計之外，在加固工程完成后，需要對水庫日常運行進行嚴格把控，并提升對小型水庫的管護效率[15]。針對相應的水庫建立自動監控計算機管理系統，該系統建設結構如圖4所示。

圖4 水庫自動監控管理系統結構

利用建立的自動監控管理系統，在除險加固后根據工程規模、類型、重要性等條件，配置并完善觀測設施與儀器。有組織地進行階段性觀測與專項監察，收集相關運行數據與資料，為水庫維修與防汛搶險及時提供第一手資料，間接保證水庫的運行安全。

3 除險加固效果驗證實驗分析

為了檢驗提出的解決方案是否能夠解決小型病險水庫除險加固設計常見的問題，設計除險加固效果的驗證分析選擇如圖5所示的水庫作為此次驗證的實驗環境。

圖5 小型病險水庫環境示意圖

該水庫對應的河流包括3條支流，河長67.5km，流域面積為647km2，屬于小型河流的研究范疇。實驗水庫對象所處環境的氣候條件為半濕潤溫帶季風型大陸性氣候，年平均降水量為700mm，年平均徑流量為1.69億m3。在上述水庫背景下，分別將傳統的水庫除險加固設計方案與優化的水庫除險加固設計方案應用到實驗環境中，利用圖6所示的水庫潰壩風險評估方法得出實驗結果。

圖6 水庫風險分析的一般程序

按照圖6中的程序實現流程，充分考慮多個可能引發水庫潰壩的影響因素以及共同效益，得出除險加固優化設計方法的應用效果，見表3。

表3 不同除險加固方案下水庫潰壩概率分析結果

從表3中的計算結果數據可以看出，傳統的小型病險水庫除險加固設計方案的水庫加固結果的綜合風險概率為0.17%，而應用優化小型病險水庫除險加固設計方案水庫的加固結果的綜合風險概率為0.12%，相比之下水庫潰壩風險概率降低了0.05%。

4 結語

水利工程“三分建，七分管”，建設是基礎，管理是關鍵，發揮效益才是最終目的。結合小型水庫的具體運行情況，從管理、經濟等多個角度建立相應的安全運行機制，提出加固工程設計優化、演算調洪、規范日常管理3個方面改進建議，以保證小型水庫的運行穩定與安全，相比傳統的小型病險水庫除險加固設計方案水庫潰壩風險概率降低了0.05%。然而在此次研究工作中，只分析與解決了傳統除險加固設計中的部分常見問題，但是根據不同的壩型、壩基和病因情況，需采用不同的處理方法，因此在設計中存在的其他問題，還需要在未來的工作中進一步改進。