小型水庫除險加固設(shè)計方案分析
——以張寺水庫為例

童琦媛，胡金杰，王福生，翁明皓，紀 偉

(淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

作為我國重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，水庫能夠在防洪、灌溉、發(fā)電、供水等方面發(fā)揮巨大效益，屬于水利建設(shè)中的重點工程。根據(jù)國務(wù)院常務(wù)會議精神和國務(wù)院辦公廳《關(guān)于切實加強水庫除險加固和運行管護工作的通知》(國辦發(fā)〔2021〕8號)要求，“十四五”期間，水庫除險加固的主要目標任務(wù)是，到2025年底，全部完成現(xiàn)有病險水庫的除險加固任務(wù)。我國大多數(shù)水庫興建于20世紀50—70年代，由于受當時經(jīng)濟和技術(shù)條件的制約，普遍存在建設(shè)標準偏低問題，經(jīng)過幾十年運行，老化失修嚴重，病險問題普遍存在，嚴重制約水庫功能和效益正常發(fā)揮[1]。

在江蘇省，與大、中型水庫相比，小型水庫量大面廣，約占水庫總數(shù)的95%[2]。近年來，小型水庫的安全問題日益突出。帶病運行的小型水庫，通常是多病險問題共存，例如大壩防洪能力不足、壩體填筑質(zhì)量差存在滲漏、缺乏泄洪和放空設(shè)施、壩體單薄穩(wěn)定性差、缺乏管理監(jiān)測設(shè)施[3-4]等，此類水庫一旦發(fā)生險情，將對水庫下游的村莊、城鎮(zhèn)、交通要道等造成難以估量的影響。本文針對水庫現(xiàn)狀存在的工程問題，同時結(jié)合近年來鎮(zhèn)江市對小型病險水庫除險加固設(shè)計、施工等工作經(jīng)驗，對丹徒區(qū)張寺水庫的除險加固方案進行設(shè)計，以排除安全隱患，保證水庫的安全運行。

1 水庫現(xiàn)狀及存在的問題

張寺水庫位于鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)西北側(cè)，宜城街道長山村境內(nèi)，屬太湖湖西流域。水庫匯水面積3.23km2，總庫容197.49萬m3，工程規(guī)模為小(1)型。水庫于1975年始建以來，未進行過系統(tǒng)的除險加固。

2018年10月，丹徒區(qū)人民政府以鎮(zhèn)徒政辦收〔2018〕669號文批復了開展丹徒區(qū)水庫大壩安全鑒定的工作。張寺水庫為本次鑒定小水庫之一，其水庫大壩被評定為三類壩。三類壩是指大壩實際抗御洪水標準低于水利部頒發(fā)的水利樞紐工程除險加固近期非常運用標準，工程存在嚴重的質(zhì)量問題，影響大壩安全，是不能正常運行的壩。三類壩的水庫列為病險水庫，是當前急需加固的對象[5]。

水庫存在的主要病害問題如下。

(1)大壩。迎水坡平臺及以下塊石護坡松動、局部勾縫砂漿風化、脫落及塊石風化等現(xiàn)象嚴重；壩腳縱向排水溝局部坍塌、破損，排水不暢。

(2)溢洪道。溢洪閘漿砌石擋墻局部有砂漿脫落、塊石風化現(xiàn)象，溢洪閘閘門調(diào)度功能喪失、無法滿足水庫控制運用要求；下游陡坡段、消能段漿砌石局部塌陷、砂漿脫落。經(jīng)復核計算，溢洪道防滲長度、下游消能防沖設(shè)施不滿足要求；控制段漿砌石邊墩、翼墻穩(wěn)定性不滿足要求。

(3)輸水涵洞。現(xiàn)狀輸水涵洞井筒懸臂梁存在混凝土剝落，鋼筋外露銹蝕；涵洞進水不暢，井筒施工縫間漏水，出口未設(shè)消力池；輸水涵洞閘門噴漏水嚴重，啟閉機各零部件老化。經(jīng)復核計算，涵洞洞身過流能力不滿足設(shè)計要求，未設(shè)消力池，現(xiàn)狀砌體結(jié)構(gòu)整體性差；涵洞洞身為直徑Φ60cm預應(yīng)力管，管縫之間采用泥包封堵，對抗震不利，且不利于檢修、管理。

(4)管理與維護。缺乏必要的管理、監(jiān)測設(shè)施；管理房外立面破舊，門窗損壞嚴重，屋內(nèi)堆放雜物、垃圾，安全性等級低。

2 水庫除險加固設(shè)計方案

依據(jù)張寺水庫安全鑒定結(jié)論，大壩為三類壩，需要進行除險加固。

結(jié)合張寺水庫存在的工程問題，本次除險加固方案如下。

2.1 大壩除險加固方案

水庫大壩現(xiàn)狀迎水坡平臺以下為干砌塊石護坡后灌混凝土漿(灌砌塊石)，平臺以上至壩頂采用混凝土護坡；背水坡為草皮護坡。

針對大壩現(xiàn)狀存在的問題，本次采用的加固方案為：對迎水坡護坡進行維修加固，對背水坡清表、清雜，整理邊坡后鋪設(shè)草皮護坡，并增設(shè)排水和反濾設(shè)施。

2.1.1迎水坡加固方案

本次迎水坡加固方案初步擬定了3種方案：①將原護坡全部拆除，并重新澆筑素混凝土護坡；②原迎水坡平臺以上至壩頂?shù)乃鼗炷磷o坡維持現(xiàn)狀不變，灌砌塊石平臺及平臺以下灌砌塊石護坡整理后，加鋪碎石找平，再加鋪素混凝土護坡；③灌砌塊石護坡、平臺以及素混凝土護坡均維持現(xiàn)狀不變，對原灌砌塊石護坡與平臺進行清理沖洗、去除風化的塊石，重新填石整平后再勾縫灌漿處理。對上述3種方案進行比選，比選結(jié)果見表1。

表1 迎水坡加固方案比選

綜合上述比選，考慮施工方案與投資造價，并結(jié)合現(xiàn)場檢查情況，現(xiàn)狀平臺以上素混凝土施工質(zhì)量較好，最終推薦方案2為迎水坡加固方案。

迎水坡加固方案為：原迎水坡平臺高程35.97m以上至壩頂?shù)乃鼗炷磷o坡維持現(xiàn)狀不變，灌砌塊石平臺及平臺以下至高程33.47m灌砌塊石護坡整理后，加鋪碎石找平，再加鋪厚0.10mC25素混凝土護坡。坡腳采用拋石固腳。

2.1.2背水坡加固方案

背水坡表層清表后覆土夯實，背水坡維持現(xiàn)狀一、二級平臺及坡比不變，壩頂至壩腳均采用草皮護坡。背水坡每隔50m設(shè)橫向排水溝，一、二級平臺和壩腳內(nèi)側(cè)設(shè)縱向排水溝。

2.1.3大壩滲流與抗滑穩(wěn)定計算

根據(jù)規(guī)范[6]的規(guī)定，考慮最不利情況，選取最大壩高處的斷面K0+346，對其滲流與抗滑穩(wěn)定進行計算。

滲流穩(wěn)定計算選取4個工況，分別為正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位、水位驟降期。經(jīng)計算，各工況下的大壩滲流穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，計算成果見表2。

表2 大壩滲流穩(wěn)定計算成果表

抗滑穩(wěn)定計算選取6個工況，分別是正常運用條件(正常蓄水位、設(shè)計洪水位)、非正常運用條件Ⅰ(校核洪水位、水位驟降期、施工期)、非正常運用條件Ⅱ(正常蓄水位遇地震)，張寺水庫工程等別為Ⅳ等，當采用簡化畢肖普法時，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)K分別取1.25(正常運用條件)、1.15(非正常運用條件Ⅰ)、1.10(非正常運用條件Ⅱ)。

經(jīng)計算，各工況下的大壩抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，計算成果見表3。

表3 大壩邊坡穩(wěn)定驗算成果表

2.2 泄水建筑物除險加固方案

溢洪道現(xiàn)狀為帶閘門控制，閘邊墩及中墩均為漿砌石結(jié)構(gòu)，底板為細石混凝土結(jié)構(gòu)，采用鋼筋混凝土閘門，配2×5T螺桿啟閉機。

針對溢洪道現(xiàn)狀存在的問題，本次采用的加固方案為：拆除原溢洪閘，原址新建開敞式溢洪道；加長進、出口段護砌長度，并拆建原消力池。

經(jīng)相關(guān)資料的收集和分析，張寺水庫的汛限水位與正常蓄水位一致(注冊登記資料)，經(jīng)過多年的調(diào)度運行，溢洪道控制段閘門不再具備蓄水功能，故將現(xiàn)有溢洪閘拆建為開敞式溢洪道。

確定溢洪道溢流堰堰型時，選取寬頂堰與實用堰2種堰型進行比選，兩者均為常用堰型，比選結(jié)果見表4。

表4 堰型方案比選

綜上考慮，最終采用寬頂堰。

控制段采用開敞式寬頂堰，結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共1孔，凈寬4.5m。控制段底板厚0.50m，頂板厚0.40m，兩側(cè)邊墩厚0.60m，垂直于水流方向?qū)?.7m，沿水流方向長8.0m。底板高程為37.11m，橋面高程為42.51m，橋面凈寬5.0m，兩側(cè)設(shè)混凝土欄桿。控制段上游設(shè)進水口，下游設(shè)消力池。

2.3 輸水建筑物除險加固方案

輸水涵洞現(xiàn)狀采用井筒啟閉，洞身采用直徑φ60cm預應(yīng)力管，閘門采用0.6m×0.6m鑄鐵閘門1扇，配5T螺桿啟閉機一套。

針對輸水涵洞現(xiàn)狀存在的問題，本次采用的加固方案為：拆除原輸水涵洞，原址重建，并增設(shè)消力池。

在對地勘資料進行深入分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)涵洞洞身基底大部分位于①號素填土層，該層土為筑壩時人工挑筑而成，土料質(zhì)量有差異，壓實度和均勻性較差，壩體填筑質(zhì)量不良，不適宜作為持力層，且為防止涵洞基礎(chǔ)的不均勻沉降，需進行地基處理。在確定地基處理方案時，選取了2種方案進行比選：①基礎(chǔ)土層換填(15%水泥土)；②木樁基礎(chǔ)。比選結(jié)果見表5。

表5 涵洞基礎(chǔ)加固方案比選

綜合上述比選，本次設(shè)計采用方案二，即采用木樁基礎(chǔ)。

涵洞控制段接鋼筋混凝土豎井，豎井內(nèi)配0.8m×1.2m(寬×高)檢修和工作閘門各1扇，豎井上設(shè)啟閉機房，配2套5T手電兩用螺桿式啟閉機，并配有電源，啟閉機房與大壩之間采用工作橋連接。涵洞洞身采用鋼筋混凝土箱涵，斷面尺寸0.8m×1.2m(寬×高)，涵底高程32.47m，出口接消力池。涵洞洞身基礎(chǔ)采用木樁加固。

2.4 管理與監(jiān)測

拆建管理房；新建巡查便道；增設(shè)變形、滲流觀測點；壩身白蟻防治；新增水雨情預報系統(tǒng)等監(jiān)測設(shè)備；增設(shè)大壩管理標牌。

3 水庫除險加固設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)

在小型病險水庫除險加固工程中，設(shè)計工作是其中一項基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，設(shè)計成果的好壞將直接影響除險加固工程的成效，因此在前期設(shè)計時應(yīng)注意以下問題。

(1)收集資料，充分考慮各項因素。在設(shè)計前期，基礎(chǔ)資料的收集，尤其是最近一次的水庫除險加固(或消險)、安全鑒定等資料，可以使設(shè)計人員快速了解水庫的基本情況；另外，水庫的測量、地勘、降雨水文等資料，也需要充分地分析，分析水庫的地質(zhì)情況、土層分布、水文活動和分布情況、施工條件等，這些基本因素將直接影響設(shè)計成果。

(2)深化設(shè)計，針對現(xiàn)狀問題采取合適的除險加固方案。在全面掌握收集的資料和充分分析各項影響因素的基礎(chǔ)上，對病險水庫的除險加固工程制定一個全局的方案。同時，結(jié)合安全鑒定資料，針對水庫存在的各個問題，通過方案比選采取合適的加固方案設(shè)計。例如若大壩防洪能力不足，則需要進行加高大壩；若壩體存在滲漏，則需要進行防滲加固；若泄水或輸水建筑物結(jié)構(gòu)老化，則需要加固或者拆除重建；若缺少相應(yīng)的管理、監(jiān)測設(shè)施，則需要增加等。

(3)嚴格把關(guān)，控制項目質(zhì)量。設(shè)計過程中，設(shè)計人員不僅需要根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求控制約束工程項目質(zhì)量，保障除險加固設(shè)計的合理性、科學性，更要在工程施工過程中，與各參建方通力合作，及時處理施工中出現(xiàn)的問題，不耽誤施工進度，對于遇到的疑難雜癥，需要共同商討解決方案，同時還要做到嚴格把關(guān)，保證工程質(zhì)量符合設(shè)計和規(guī)范要求，確保完成水庫除險加固的目標。

4 結(jié)論

張寺水庫作為病險水庫，存在較大的安全隱患，為保障水庫的安全運行與下游人民的生命財產(chǎn)安全，切實做好除險加固工作是十分重要的，而方案設(shè)計工作作為水庫除險加固工程的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對其除險加固的成效有著至關(guān)重要的作用，設(shè)計中通過綜合比選最終確定的方案需要具有針對性、合理性、科學性，并符合相關(guān)規(guī)范的要求。

工程實踐表明，水庫的各項除險加固措施均達到了設(shè)計目的，有效地排除水庫的安全隱患。在工程完成后，水庫能夠平穩(wěn)安全運行、充分發(fā)揮效益，保障了水庫的安全，避免或減少因水庫險情而對國民經(jīng)濟造成的損失，進而維護社會的穩(wěn)定。