小型病險水庫除險加固主要工程問題及對策研究
——以沅陵縣為例

田文利

（沅陵縣水利建設項目事務中心，湖南 沅陵 419600）

0 引言

根據《中國水利發展統計公報》，截至2019 年，我國已建成各類水庫98 112座，居世界首位，其中，大型水庫774 座、中型水庫3 978 座、小型水庫93 360座，這些水庫大壩在防洪灌溉、供水發電等各方面發揮著重要的作用［1-2］。同時，大部分水庫興建于20世紀50年代至70年代，受當時的技術水平、施工條件、經濟條件等限制，加上后期運行時又缺乏專項經費與科學維護，絕大多數水庫年久失修，各類建筑物存在質量問題和安全隱患［3-4］。尤其是帶病運行的小型水庫，與大中型水庫相比，安全問題日益突出［5-6］。主要表現為：①多病險問題共存。每年汛期，在降雨的作用下原工程險情加重，同時引發新的工程安全問題，造成多種病險同時存在，增大潰壩風險［7］。②影響生產生活。人民的生產生活離不開水源，隨著社會經濟的發展，很多小型水庫下游有村莊、城鎮、廠礦企業等，集中了許多人員，同時配套大量的交通、通信等生產生活的重要基礎設施，若水庫潰壩將給下游經濟社會發展及生態環境帶來巨大影響。③風險意識淡薄。受地域差異、資金限制、人員匱乏等影響，絕大多數小型水庫對潰壩等安全問題沒有制訂切實可行的應急預案，加上宣傳力度不夠、信息不對稱，下游民眾普遍對水庫潰壩風險認識不足，存在安全意識淡薄等問題，出險后常常不能及時組織群眾撤離，以及防汛交通等設施不完善，導致搶險恢復不及時，很大程度上威脅著周邊人民的生命財產安全，阻礙了經濟和社會的發展［8-10］。

在湖南省沅陵縣共有小型水庫101 座，均以農業灌溉為主，兼有供水、養殖等綜合效益，其中小（1）型水庫15 座，小（2）型水庫86 座。國家于2008年開始大規模開展小型病險水庫的除險加固改造工作，“十二五”規劃以來全縣101 座小型水庫全部列入改造范圍。經過近年來對各個小型水庫除險加固勘察、設計、施工等工作的實施，消除了水庫原有安全隱患，完善了水庫各類設施，提高了水庫安全管理水平，加大了安全風險宣傳力度，降低了潰壩風險概率。對小型病險水庫存在問題的梳理以及解決對策的整理，可為沅陵縣以后除險加固工作和其他縣市的類似工程提供參考。

1 小型水庫的主要工程問題

沅陵縣101 座小型水庫建成時間與全國小型水庫基本一致，也同屬典型的“邊勘測、邊設計、邊施工”的三邊工程。建設時因技術水平有限、施工設備簡陋，填筑質量沒有得到保證，加之受當時社會經濟條件限制，水庫建設缺乏固定的投資渠道，工程施工不能按原計劃進行，施工隨意性大，也給水庫完工后帶來了運行管理成本高等問題，多數水庫工程質量問題突出、大壩存在安全隱患，多年來一直帶病運行。本次針對全縣101 座小型水庫進行了大壩安全鑒定，梳理出其存在的主要工程問題有3 類，分別是防洪能力不足、結構存在安全隱患、大壩滲流穩定性差，具體如下。

1.1 防洪能力不足

擋水建筑物頂部高程不夠或泄水建筑物泄洪能力不足。造成這種情況的原因主要有兩點。一是歷經60～70 年的發展，水文資料越來越豐富，按現行規范和水文資料設計得出的洪水洪量、洪峰和洪水過程與原設計發生了較大改變，以及原設計洪水標準本身偏低，擋水建筑物頂部高處不滿足現行規范要求。二是原設計的泄水建筑物過流斷面偏小，其在運行時發生淤塞等問題，經復核計算泄洪能力不足；或該水庫下游無行洪通道而不能正常泄洪或無法泄洪，進而導致泄水建筑物存在安全隱患，如某水庫溢洪道只有控制段進行襯砌，已襯砌槽段邊坡及底板破損嚴重。

1.2 結構存在安全隱患

泄水建筑物出現裂縫、變形、沖蝕破壞，輸水建筑物出現裂縫、沖蝕、漏水等問題。造成這種情況的原因主要有兩點。一是泄水建筑物如溢流壩閘墩混凝土結構尺寸較小、強度偏低，泄槽側墻無襯砌或襯砌質量差，或由于其底板產生不均勻沉降導致混凝土產生裂縫甚至坍陷，無消能或消能設施不完備而沖蝕破壞。二是輸水建筑物襯砌結構施工質量差、混凝土強度低、臥涵管基礎承載力差、變形嚴重，臥涵管出現裂縫、沖蝕、漏水等現象。

1.3 大壩滲流穩定性差

大壩下游散滲、集中滲漏，壩體、壩基接觸部位出現滲漏，壩基滲漏。造成這種情況的原因主要有兩點。一是由于絕大多數小型水庫大壩建成時間比較早，當時缺乏技術人員和施工機械，在壩基處理、壩體填筑等方面把關不嚴，未明確提出質量控制要求，且許多大壩沒有設置防滲體，當水庫蓄水位較高時，導致下游壩坡滲流溢出點太高、滲水量超出允許范圍而出現散滲現象。大壩過高的浸潤線、壩坡長期濕潤或沼澤化加大了出現滑坡風險的概率［11-12］。另外，由于洞穴、涵管破裂等原因，庫內水流通過滲漏通道在壩體下游出現成股水流，形成集中滲漏。二是由于大壩施工清基不徹底或未清基，壩體防滲結構不完整、壩基未進行防滲處理的現象較為普遍，壩體和壩基之間存在軟弱帶，在運行期容易形成滲漏的捷徑，出現泡泉、土層隆起等體壩基接觸部位滲漏、壩基滲漏的現象。

2 除險加固的對應技術措施

針對沅陵縣小型水庫的3類主要工程問題及其成因，初步給出不同的除險加固措施，具體梳理如下。

2.1 解決防洪能力不足的技術措施

通過培厚加高大壩，增設防浪墻、拓寬溢洪道，對49座防洪能力不足的小型病險水庫進行了處理。

對于大壩培厚加高大致可分為壩頂騎馬加高、上游貼坡加高、下游貼坡加高3 種方法。壩頂騎馬加高是在壩體頂部直接加高施工，該方法要求大壩頂部有足夠的寬度，加高范圍一般控制在3 m 以內，確保加高后大壩邊坡的穩定性安全系數符合現行規范要求；上游貼坡加高是從上游邊坡底部向頂部施工，在壩前淤積面較高等情況下，其工程量較少，但存在施工時需要將水庫放空排空、上游淤積占用防洪庫容等問題；下游貼坡加高是從下游壩坡底部向頂部施工，為滿足邊坡穩定性要求，其結構尺寸大、工程量較大，但施工質量一般要求偏低，基本無加高高度限制，且整個施工過程不會影響水庫的正常運行，使其成為除險加固工程中使用最為廣泛的方法。如馬底驛鄉某水庫大壩壩頂加高高程至199.60 m、高度為2.5 m，選用下游貼坡加高方案，取得了良好的加固效果。

若壩頂寬度不能滿足要求，也可采用增設防浪墻的方法處理原壩頂高程不滿足規范的問題，防浪墻是為防止波浪翻越大壩壩頂而設在壩頂靠上游側的擋水墻，在除險加固工程中，通常只防浪花不作為擋水設施，防浪墻墻頂高程滿足波浪爬高和安全超高的要求，根據基礎埋深和整體高度確定選用水泥砂漿砌石或混凝土結構。如二酉鄉某水庫大壩靠上游側增設防浪墻頂寬0.5 m、高1.0 m，墻頂高程增加1.0 m，采用M7.5 水泥砂漿砌石結構。

小型水庫溢洪道通常是無閘門的自由溢流，其泄流能力主要取決于控制段，增加泄流能力主要有降低堰頂高程、增加溢流寬度的方法。溢洪道的加固設計基本維持原溢洪道的平面走向，溢洪道堰頂高程保持不變，底寬由原設計5 m 增加至7.5 m，增加50%的泄洪能力，重建控制段、泄槽段，具體如圖1所示。

圖1 擴建溢洪道示意圖（單位：mm）

2.2 解決結構存在安全隱患的技術措施

通過加固改造溢洪道、新改建輸水設施，對76座結構存在安全隱患的水庫進行了處理。

加固改造溢洪道，拆除漿砌石底板，重新澆筑C20 混凝土底板厚30 cm。將控制段及泄槽段兩側破損的漿砌石側墻拆除，采用M7.5 漿砌石重筑；在泄槽末端新建消力池及尾水渠。尾水渠斷面同消力池末端斷面。泄槽底板采用螺紋錨桿直徑18 mm@2 000，消力池底板采用螺紋錨桿直徑18 mm@1 500，錨入基礎的深度均為1.5 m。

封堵原輸水涵管新建輸水隧洞或虹吸管。在原輸水涵管進口處開挖，拆除涵管進口段前20 m，后采用黏土回填，回填土壓實度必須大于96%。再將涵管與壩體墻軸線相交部位截斷，向上游側灌漿封堵20 m，向下游側灌漿封堵5 m，將截斷部位兩端用混凝土封堵，兩堵頭中間回填土方水泥土、夯實，以徹底截斷輸水涵管。在兩岸山體內新建輸水隧洞或壩肩修建虹吸管，無論是輸水隧洞還是虹吸管均根據設計流量計算結構尺寸。

拆除原臥管重建混凝土臥管或新建斜拉式取水口。重建臥管斷面形式仍采用原矩形，根據管內無壓層流及跌落躍起高度要求，臥管高度為正常水深的3～4 倍。以杜家坪鄉水庫為例，其設計流量按坡比i=0.85計算，得出臥管斷面凈尺寸為寬×高＝0.8 m×0.6 m。新建斜拉式取水口，其放水孔直徑根據設計流量按小孔出流公式計算確定，并配置消力井進行消能，保證水流在輸水涵管中為無壓流。

2.3 解決大壩滲流穩定性差的技術措施

通過對壩體、壩基、壩肩防滲加固，對92 座存在滲流不穩定問題的水庫進行了防滲處理。

“上堵”的壩體防滲結構形式主要有上游坡面的斜式（黏土斜墻、土工膜等）、壩軸線的垂式（沖抓套井回填、高噴灌漿等）2種，制定除險加固方案時，一般建議壩體防滲加固形式與原壩體防滲相同或類似，即若原壩體在上游壩面采用黏土斜墻、土工膜等防滲，則新的防滲結構可考慮該形式；若壩體防滲結構在中間，則加固形式可考慮套井回填、壩體灌漿等結構；若原壩體未設置防滲（均質土壩），則新的防滲結構可靈活布置。壩基、壩肩存在滲漏現象的小型水庫通常采用帷幕灌漿，依施工順序可分為自上而下（鉆孔—灌漿—再鉆孔—再灌漿）、自下而上（一鉆到底—逐段回灌）2 種分段灌漿工藝，多數水庫大壩采用自上而下的灌漿工藝。另外，在保證防滲加固效果的前提下，部分水庫大壩高度較大、壩體自身自重也較大，為減少投資、加快進度、方便施工，也使用自下而上的灌漿工藝。無論大壩壩體采用沖抓套井回填還是高壓旋噴灌漿或其他方法，均須與壩基、壩肩帷幕灌漿連接成連續、封閉的防滲截水墻，從而使整個大壩在壩軸線上加固形成一道完整的防滲系統。如楠木鋪鄉水庫壩體采用沖抓套井回填、壩基和壩肩采用帷幕灌漿。在大壩壩頂軸線處對壩體進行沖抓套井回填，沖抓回填以大壩壩頂左端點處為起始樁號Z0+000.0，灌漿范圍為Z0+000.0～Z0+131.0；沖抓套井回填孔設計為單排，兩序孔施工，孔距0.78 m，沖抓深度為從壩頂到基巖高程。在壩頂軸線處對壩基和壩肩進行帷幕灌漿，灌漿范圍為Z0+010.5～Z0+147.5；灌漿孔設計為單排，三序孔施工，孔距2.5 m，帷幕灌漿應伸入到中等透水帶下限2 m。另外，水庫大壩壩體采用高壓旋噴灌漿，壩基和壩肩采用帷幕灌漿，該方案在壩軸線上游處采用高噴灌漿至全強風化基巖以下1.0 m、旋噴樁孔孔距0.8 m、成樁有效徑1.0 m、有效墻厚0.6 m。同時，在壩頂高噴灌漿處對壩基和壩肩進行帷幕灌漿，形成一道防滲墻對整個水庫大壩進行防滲加固。

綜上所述，每個水庫都有不同的險情特點，選取除險加固措施時，應以滿足大壩本身安全為前提，提出多種方案進行比較，綜合考慮蓄水運用、周邊環境、經濟合理等多方面的因素，給出推薦方案。

3 結語

水庫除險加固工程需要就小型水庫的病險問題，針對性地選取實用加固方案，確保水庫除險加固效果。本研究針對湖南省沅陵縣101 座小型病險水庫總結出防洪能力不足、結構安全隱患、壩基存在滲漏3 大共性工程問題并梳理其成因，并綜合考慮多方面的因素，針對性地提出大壩培厚加高、增設防浪墻、拓寬溢洪道、加固改造溢洪道、新改建輸水設施、壩體壩基壩肩防滲等除險加固措施。給出了小型水庫加固處理時的關鍵步驟：根據病險問題及其原因，針對性地提出多種可行的除險加固設計方案，綜合水庫現場施工的可行性、便利性、經濟性等方面給出推薦方案，避免出現施工困難、造價高等問題。上述成果可為其他地區小型水庫的除險加固設計提供參考。