某水庫病害特點及除險加固技術研究

馬妍博 袁明道 黃春華 張旭輝 廣東省水利水電科學研究院

1.工程概況

某水庫除險加固工程修建于某村境內，水庫集雨面積為1.2km2，設計總庫容為15m3，設計灌溉面積為200畝，屬于小Ⅱ型水利工程。隨著水庫運營年限的不斷增加，水庫出現了一系列病害問題，水庫的調節能力日趨下降，為了改善水庫所處的運行環境，需要對水庫病害特點進行分析，并對水庫實施加固處理。

2.水庫除險加固的重點

2.1 大壩

大壩作為本水庫中最重要的建筑物，不僅直接決定著水庫是否可以正常發揮功效，還在一定程度上保護著水庫下游人們的生命及財產安全。如果大壩出現了滲漏、壩體不穩或者存在潰壩隱患，會出現十分危險的情況。所以，水庫擋水建筑物大壩是整個水庫結構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、滲漏以及壩基不穩等基本問題。

2.2 溢洪道

按照當前的水庫防洪要求和標準來看，所有水庫溢洪道必須硬底化，但是由于我國大部分水庫建設年代久遠，所以多數水庫溢洪道為土渠和亂石堆砌的溝渠，完全不能達到泄洪的基本要求，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到要求和標準，但是隨著水庫容量和水位的變化，水庫溢洪道的過流能力依然無法達到泄洪的要求和標準。

3.水庫病害產生的主要原因

縱觀我國大部分的小型水庫，大約有95%以上由土石壩建造而成，由于建設之初受到技術方面的限制，導致水庫的質量并不符合相關標準，其在經歷很長一段使用時間后，不論是在抗震還是防洪方面都會或多或少出現一些問題。加之，地方政府部門對小型水庫的重視程度不高，使得許多小型水庫陷入了無人管理的尷尬局面，長此以往小型水庫的金屬結構、穩定安全等方面出現嚴重的問題。小型水庫病害形成的原因主要包括以下幾個方面：

3.1 防洪標準不達標

本水庫在建設之初同樣受技術方面的限制，其防洪能力逐漸減弱，在泄洪設施的建設上由于建設標準低，以至于其在汛期和洪水泛濫期間無法充分發揮應有的防洪作用，從而給生活在下游人們的生命及財產安全造成了嚴重的威脅。同時，由于該水庫在設計之初對質量要求較低，使得在使用過程中出現了嚴重的質量隱患。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計標準，即大壩的防洪標準不達標。出現這種情況的根本原因是水文資料年代久遠，洪水信息發生了一定的改變，泄水建筑出現了安全問題，其作用無法實現。

3.2 抗震烈度低

水庫大壩的抗震烈度比較低，無法滿足現行標準，導致該狀況的根本原因是新抗震烈度區劃圖的要求比較高，水庫原地震烈度設計低；原來設計時沒有對地震工程情況進行認真分析，經過仔細勘驗以后發現大壩的抗震烈度較低。

3.3 大壩結構強度差

大壩的抗滑穩定性和結構強度無法滿足現行規定，導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，壩坡的抗滑穩定性無法滿足規定；護坡破損嚴重，對大壩的安全造成了嚴重的威脅；大壩基礎沒有進行徹底清理或者施工質量比較差，導致大壩結構強度差。

3.4 輸水及泄洪建筑不安全

輸水以及泄洪建筑的穩定性和結構強度無法滿足現行的規定，導致這種情況的根本原因是沒有合理設計襯砌結構、涵管以及輸水隧洞或者在設計時未嚴格規范，使其出現了漏水、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，尤其是壩下預埋的管道出現漏水情況，會使壩體受到侵蝕。泄洪建筑存在的主要問題有失穩、結構出現裂紋、泄槽和溢流面沒有進行襯砌等，從而導致沖蝕損壞的情況。

3.5 缺少完善的金屬結構和機電設備

水庫的機電設備和金屬結構已經使用了幾十年，已經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重，無法實現正常運行，給水庫水位安全造成一定的威脅。

3.6 管理設施缺失

水庫沒有完善的觀測系統和水文測報系統，甚至有些小型水庫沒有觀測設備，加之水庫的管理設備比較陳舊，防汛道路狹窄，部分水庫沒有設置專用的防汛通道，導致水庫運行管理水平和重量低下。

3.7 滲流不安全

大部分小型水庫的壩體和壩基都會出現滲流現象，這一現象產生的主要原因有壩體施工材料質量不合格、壩體單薄，其在長期的水流沖擊下導致壩體土料出現裂縫。同時，由于下游壩體的排水棱體設計水平不高，其功能和作用逐漸失效，導致下游壩體浸潤線持續增高，從而造成壩體滲漏。

4.水庫加固策略

針對上述問題，本文提出詳細的加固策略，包括加固大壩、加固壩基、加固溢洪道、加固下游消能防沖設施等，具體進行如下分析：

4.1 加固大壩

大壩的主要類型是單曲拱壩，在進行加固除險時，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、對溢流堰進行升級改造、對壩體實施灌漿防滲處理以及在大壩頂部設置交通橋等。使用型號為C20的混凝土對非溢流壩的壩頂進行抬高，使其寬度增加3m左右，在壩頂上游和下游位置設置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。對壩體進行灌漿布孔操作，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

在壩基進行帷幕灌漿防滲處理的時候，使用自壩頂鉆孔灌漿的辦法，從而實現對基礎帷幕的灌漿處理。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來實現，保證壩體防滲與基礎防滲的有機融合，進而構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，其高度可以達到580多米，寬度可以達到36m 左右，主要的消能結構類型為挑流式，下泄流量最大值可以達到801.00m3/s。認真分析溢洪道易出現的問題，要想有效改善泄流條件，就要重新建設溢洪道的溢流堰，將原來的溢流堰表面拆除，溢洪道的頂部高程保持不變，對其壩頂高程進行合理的加高處理。使用WES冪曲線作為堰面曲線，曲線的下面與反弧段進行連接，在挑流消能的時候，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。以壩頂交通橋的設計要求為基礎，位于溢洪道頂部橋墩的厚度保持在0.5m左右，水平長度保持在3m左右，其類型為等厚型，出口設置成矩形，進口設置成半圓形。

4.4 加固下游消能防沖設施

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到5m左右，抗沖刷的能力比較差，與大壩相交位置的主要構成物質為灰巖夾頁巖，其中夾頁巖的性質較軟。由于夾頁巖的裂紋發育較好，會被雨水沖刷而導致剪斷情況發生，這就會給大壩造成比較嚴重的危害。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 加固輸水設施

在左岸壩體里面設置輸水鋼管，其斷面為圓形，長度在13m 左右，直徑為0.9m，進口處的高程保持在560m左右，使用蝶閥控制輸水鋼管。輸水鋼管已經使用了二十多年，出現了嚴重的生銹問題，受混凝土澆筑質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重。對現場的情況進行認真分析以后，結合資金籌備情況，決定挖掘壩體埋管的出口位置，挖掘的深度為10cm，重新埋設的輸水管要與原有的輸水管進行良好的焊接，使用閘閥控制輸水鋼管，并加設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防汛公路的起點，該公路為村級公路，總長度可達到2000m，路基的寬度可達到5m，沒有路面結構。對水庫樞紐的主體工程進行認真分析以后，在路基整修時，按照鄉級公路的標準執行，路面為泥結石，這樣會對搶險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、水泥穩定層、混凝土路面，使用的混凝土強度為C25型。

4.7 加大工程觀測

水庫大壩的施工等級為二級，使用人工觀測和巡視的辦法進行安全監測，工程監測只能及時觀測滲流量和水位。使用水尺對上游壩面進行觀測；壩體的滲流量即需要觀測的滲流量，在下游壩腳集水溝位置設置三角堰，以此實現對水庫的壩基滲漏量、壩體以及水庫總滲流量的觀測。

4.8 增加抗震及穩定能力

水庫受到地震災害以后，會使水庫的建筑設施以及水庫本身受到嚴重的損壞，給水庫所在地的沙土密實度帶來一定的影響，密實度不高的沙土受到地震災害以后會變得非常松散，使防御洪水災害的能力降低。如果想要實現較好的處理效果，就要對水庫中的沙土進行換填處理，以此改變和提高水庫土壤的密實度，也可以對水庫的原有沙土進行壓實，以此提升密實度，并借鑒過往成功的經驗來采取處理措施。水庫大壩的坡度比較陡，這樣就會使壩坡的穩定性受到一定的影響，因此需要不斷提升大壩的穩定性，對大壩的壩坡進行加固處理。認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。在實際施工的時候，即使使用的材料具有較好的透水性，也要依據上游和下游的實際情況來選擇科學的加固策略。

4.9 加固土石壩

土石壩在受到重力和其他外力的作用下，會出現向外移動和向下移動的走勢，這就對壩坡內巖土的抗剪強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定的，否則就會出現失穩滑坡等問題。同時，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、施工進度以及地震等，這些不利因素的出現都會引起壩坡內孔隙水壓力性質的改變，從而嚴重降低壩坡的抗剪強度。為此，當壩坡出現滑坡時，需要從以下幾個方面做起：（1）對滑坡出現的原因進行全面勘探；（2）進行土工試驗，從而確定滑坡產生的原因；（3）制定具有針對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

本項目提出的非工程措施主要有以下幾個方面：

（1）建立水庫工程管理單位，并保證水庫管理人員管理經費和水庫的日常養護費用充足，為水庫除險加固工作的進行提供資金基礎。

（2）建立完善的水庫自動化管理機制，隨著科學技術的日新月異，水庫管理應逐漸向著自動化、智能化方向發展。

（3）完善水庫對外通訊設施設備，對外通訊設施設備是水庫除險加固工作順利、有序開展的根本保證。

（4）不斷加大對水庫管理人員的培訓力度，努力提升其自身的業務素質和專業素養，加強計算機技術方面的培訓和學習，以此提升水庫管理的質量和水平。

（5）建立健全水庫日常檢查、維修養護以及防汛方案，并認真貫徹落實下去，為水庫除險加固工作的開展提供制度保障。

5.結束語

綜上所述，該水庫是一個兼發電、防洪、養殖為一體的小型水庫，水庫經過多年的運行后出現了一系列的病害問題，不能充分發揮出發電、防洪等方面的作用。對水庫進行除險加固后，水庫的安全隱患逐步消失，其設計效益也充分發揮出來，保證了灌區農作物產量的穩定，社會效益顯著。同時，希望通過對本文的研究，可以對日后類似水庫的除險加固工作帶來幫助和借鑒。