山区小二型病险水库治理的普遍问题暨典型案例山岔沟水库除险加固综述

2012-04-14汪守先

水利规划与设计 2012年2期

汪守先

（贵州省遵义县水利局贵州遵义 563100）

1 主要存在的问题

目前的山区小二型病险水库大都建于 20世纪50～60年代，50～60年代的工程大都在全国性的建设热潮中应运而生，有的未经严密的勘测设计。70年代的部分工程又是边勘测边设计边施工的“三边工程”。总的来看，工程大多未严格按相关技术规范施工，且以人力施工为主，填筑质量较差，再加上长期运行，多年来没有进行大的维护，水库普遍存在着抗洪能力不足、大坝渗漏、坝坡塌陷、溢洪道和放水设施损毁等现象。这些问题基本可以从遵义县西坪镇的山岔沟水库这一典型案例中得以体现。

1.1 水库抗洪能力不足

山区小二型病险水库存在的第一个大问题是工程抗洪能力不足，主要是设计和校核洪水不能达到规范要求，主要表现在坝高不够和溢洪道过流能力不足。

山岔沟水库原洪水标准不详，采用20年一遇设计洪水、200年一遇校核洪水进行复核，以现状泄洪设施进行调洪计算，水库需要的总库容为22.70万 m3，而水位达现状坝顶时库容仅 17.87万 m3。大坝200年一遇洪水流量为34.13 m3/s，而其溢洪道现状泄洪流量最大仅 6.23m3/s，泄洪能力不足 5年一遇。

1.2 大坝渗漏

山区小二型病险水库存在的第二个问题是水库渗漏，包括库区渗漏和坝区渗漏两方面，且以后者为多。坝区渗漏包括绕坝渗漏和坝体渗漏两方面，一般以坝体渗漏为主。渗漏的原因主要在两个方面：一是地质的问题，断层、溶洞、裂隙发育的地区自然为绕坝渗流创造了条件，风化破碎的岩体和透水地基也成为坝基渗漏的诱发因素；二是施工的问题，土石填筑质量的好坏和密实度的高低也决定了坝体渗漏程度的大小，一些坝体施工时未做好防渗结构，坝心墙或斜墙结构较差，甚至有的均质土坝根本就没有防渗结构。

山岔沟水库的渗漏也来自地质和施工两个方面。从工程地质看，区内主要分布着白云岩与碳酸盐岩，岩层含水性较强，地下水较为丰富，且地下水类型以碳酸岩类岩溶水为主；坝址区出露地层为灰白色中厚层白云岩及角砾状白云岩，岩层发育小的空隙、岩溶、溶隙，无相对良好的隔水层；坝址河床底部的寒武系中-上统娄山关群白云岩本身是透水基础。从工程施工看，水库大坝为均质土坝，建坝时技术力量不足，未经正规设计，为 1958年群众自行投工建设，施工质量差。其施工缺陷主要表现在：建坝时未将河床第四系覆盖层和基岩强水化层彻底清除，坝体填筑材料不均，填实不均匀，且填筑质量差，坝体土料在长期水力作用下，其物理性能发生变化。以上原因直接导致了坝体、坝基接触带、坝基的严重渗漏。

经现场观察，其主要渗漏点有两处，一是位于下游坝趾左部坡脚偏上的 W1（出露高程为909.70m ），正常水位时，估计渗漏量为 2L/s，高水位时渗漏量更大；二是位于下游坝趾中部偏上的W2（出露高程为909.10m ），枯水时渗漏量为3L/s，高水位时渗漏量为 5L/s 。另外，坝体下游坡脚存在面积约 486 m2的常年浸润区（最高出溢点高程909.70m），枯水时渗漏量2L/s，随水位的升高而增大。

经过安全复核，大坝坝体渗漏区最高点出溢高程 909.70m，虽然低于计算出溢点高程 911.86m，但从枯水期到丰水期的实际总渗漏量 7～9L/s,远远大于正常水位时计算渗流量 0.445 L/s，故渗流不稳定。大坝渗漏量随水位的增高而增大，且有逐年增大趋势，严重危及大坝安全。

1.3 坝坡不稳定

山区小二型病险水库存在的第三个问题是坝坡不稳定。这类水库的坝型以土石坝居多，其中又以均质土坝为主。上下游坝坡较陡，不满足抗滑稳定要求。

山岔沟水库上游现状坝坡为1:1.51，利用瑞典圆弧法进行稳定安全复核，正常运用情况上游坝坡（最危险滑弧）稳定最小安全系数计算值为1.05，小于规范规定值 1.15，故坝上游坡不能满足稳定要求。

1.4 其它

山区小二型病险水库存在的其他问题：

（1）不少大坝上游面无护坡设施，坝坡凹凸不平，浪蚀严重，局部凹陷，上游坝坡抗风浪能力不能满足要求；

（2）一些大坝放水涵洞渗漏，放水设施老化或损坏，不能正常发挥作用，影响大坝安全。

这些问题同样出现在山岔沟水库，经过安全复核，坝面抗风浪能力不满足规范要求，坝左段涵洞洞身早已断裂堵塞，垮塌破坏，不能正常通水，放水涵洞多年的渗漏问题一直未解决，正常水位时总渗漏量约5L/s，放水闸老化，不能正常发挥作用。

2 除险加固设计

2.1 水文计算

山区小二型水库多处在中等河道的支流和小河道的干流上，一般暴雨发生在5～8月,受山区地形地貌影响，易发生强度大、量级大、历时较短的灾害性暴雨。受暴雨特性及流域特性的影响，水库洪水具有陡涨陡落、峰高集中的特征。大部分小二型水库所在流域无水文站、气象站和雨量站，设计暴雨只有根据各省《暴雨洪水计算实用手册》查值计算。洪水根据各省修订公式和各省大坝安全鉴别洪水简化计算公式计算。采用不同的经验公式，洪峰流量计算数值相差大，积雨面积大时有必要利用多种方法进行比较。

经计算，山岔沟水库校核和设计状况洪峰流量Qp分别为 34.13m3/s和 21.72 m3/s，洪量分别为37.15万m3和21.35万m3。利用安全复核的库容曲线，依据溢洪道进口设计溢流宽7.50m进行调洪演算，水库除险加固调洪成果为：校核和设计状况下最大下泄流量分别为30.9 m3/s和19.1m3/s ；最大溢流水深分别为1.88 m和1.36m；除险加固总库容19.03 万 m3。

2.2 大坝设计

2.2.1 坝顶加高加固

（1）坝顶加高。坝顶高程为特征洪水位加超高所得的最大值，超高一般根据相关风浪要素计算出的风浪雍高和爬高来决定，小二型水库工程大坝的超高，计算值一般偏小，其值至少取1.5m。

经计算，山岔沟水库正常运用条件和非常运用条件下大坝超高为1.66m和1.23m，坝顶高程计算值最大为 921.51m，由于它是非常运用情况下的结果，而非常运用情况下的超高偏小，故坝顶高程扩大19cm,按921.70m计。大坝设1.2m高防浪墙，即墙顶高程为坝顶高程，而防浪墙脚高程为实际坝顶高程920.50m,它比校核洪水位高出0.22 m,完全满足要求。

（2）坝顶整治。小二型病险水库大坝坝顶大都不规整，高低不平，宽窄不等，甚至坝高不满足要求，需要平整或填筑夯实加高。

山岔沟水库大坝设计坝顶宽4.3m，按照设计坝顶高程，现状坝顶需加高0.8m，并于其顶部设防浪墙。先按设计高程建防浪墙，再将坝顶开挖清基成形，然后回填黏土夯实至 920.00m高程，用 M7.5浆砌石按 0.4m×0.3m断面嵌防浪墙以外的三边，砌体上部再用C15混凝土护面厚10 cm，内部用50cm厚3:7泥石结构夯实。

2.2.2 坝面整治加固设计

坝坡结构稳定分析。在安全复核现状坝坡不稳定的情况下，必须重新拟定坝坡比。为了保证设计的坝坡结构稳定，必须进行抗滑稳定验算。坝坡稳定计算方法采用有效应力法，根据坝坡抗滑稳定最小安全系数K的大小来决定大坝是否安全。小二型水库工程为IV等工程，大坝为5级建筑物，根据SL274－2001《碾压式土石坝设计规范》规定，采用不计土条间作用力的瑞典圆弧法时，坝坡抗滑稳定安全标准为：正常运用条件K ≥1.15；非常运用条件K ≥1.05。

山岔沟水库现状上游坝坡不稳定，根据设计新拟定的1:1.7的坝坡进行计算，正常运用情况上游坝坡稳定最小安全系数计算值 1.16大于规范规定值，满足要求；非常运用情况上游坝坡稳定最小安全系数计算值 1.28大于规范规定值，完全满足要求，故坝上游坡稳定。

（2）大坝渗漏分析。大坝渗漏分析的目的，是为了对渗流稳定进行校核，以决定是否采用防渗措施，从而决定排水体的型式和高度。渗漏计算一般包括坝体和坝基，在没有排水设施时，求出在正常水位和死水位两种情况下坝体单位坝长渗漏量q坝和坝下游渗流溢出点距坝趾的高度以及坝基透水层单位坝基渗漏量q基，再求出大坝单位坝长总渗漏量最大值和大坝浸润线方程，并画出浸润线。

据计算，山岔沟水库大坝在没有排水设施时，坝下游渗流溢出点比坝趾高出的最大值a0为360cm,即新建排水体至少要达 911.3m高程处才能满足要求。大坝单位坝长总渗漏量最大值为0.0810cm3/s/cm，即 0.7 m3/d/m，大坝浸润线方程Y=(1.62x+12.96)1/2。

（3）坝面整治。大坝坝坡抗滑稳定不满足则要求降缓边坡，上游坝抗风浪能力不满足要求则要求设置砌石或预制混凝土块护面，下游坝面也应做好框格护坡和排水体。

山岔沟水库大坝现状上游坝面未护坡，受风浪浸蚀破坏严重，且坝坡抗滑稳定不满足要求。本次设计采用 C15混凝土预制块按设计降缓了的坡度1:1.7护面，护面厚度按 SL274－2001《碾压式土石坝设计规范》附录公式计算为10cm。

施工中先应消除坝坡松散土体，再回填土料夯实至设计坝坡，在907.7～910.0m处设1.5m厚浆砌石护坡墙，910.0～919.4区铺设0.2 m厚的碎石垫层后，再安砌混凝土预制块。

下游坝坡的处理。先清除松散土体，再用土料回填夯实至设计坝坡后，进行框格和草皮护坡。并在坝面计算渗流溢出点高程以下设排水体，以降低浸润线。

2.2.3 大坝防渗

小二型病险水库的坝体坝基渗漏居多，在渗流不稳定的情况下都要进行防渗处理。防渗处理的方式，一是帷幕灌浆；二是坝面铺盖防渗；三是整治原防渗结构。一般以第1种效果最好。坝基和坝体都渗漏的情况，用第1种方式；只有坝体渗漏的情况，用第2种方式；只有局部防渗体渗漏的情况，用第3种方式。

山岔沟水库坝体、坝基接触带、坝基严重渗漏，设计采用帷幕灌浆的办法进行防渗处理，作如下灌浆设计：

（1）防渗标准采用岩体的透水率q≤5Lu，设计防渗帷幕的底界和边界限为坝基以下6m，底界高程控制在901.70m。

（2）帷幕按单排且沿坝轴线布置，帷幕线总长90m，孔距按3m设计，按3序次施工，以A5#、A25#为先导孔。

（3）坝体帷幕压力控制在0.05～0.1MPa；接触带压力控制在0.1～0.15MPa；接触带以下岩基内钻孔每加深1m压力增加0.05 MPa；基岩灌浆压力控制在0.5～1.0 MPa。

（4）坝体灌浆采用黏土水泥浆，其配合比为水泥占干料总重量的 15%，基岩采用合格且标号至少为425#的普通硅酸盐水泥进行灌注，水泥颗粒细度要求通过80μm方孔筛，其筛余量小于5%。

2.3 溢洪道设计

2.3.1 形式及布置

小二型病险水库的溢洪道大多为岸坡正槽和侧槽式布置，一般过流能力都不足，主要是溢流前沿偏小，为了增大过流能力，可采用改变堰型和加长溢流堰前沿的办法。在集雨面积较大时，地形条件不容许加宽进口段的情况下，正槽式进口布置必须改成侧槽形式，有时泄槽也必须同时加宽。泄槽随原坡降尽量布置得陡一些，以降低侧墙高度。消能工分消力池和挑流鼻坎两种，坝下游紧接河道或荒坡一般选用挑流消能；坝下游紧接农田宜采用消力池消能。目的都是让洪水远离坝脚。

山岔沟水库溢洪道原为正槽式布置，设计形式不变。设计由进水段、渐变段、泄槽、消能段三部分构成。

原进口无堰，设计为实用堰，其堰顶曲线为弧线，设计溢流堰前沿长 7.50m，上游堰面垂直，总堰高0.60m。堰后紧接长4m的渐变段，底部起始宽7.5m，末端宽 5.50m，渐变段后紧接两段泄槽，第一段长37.71m，坡比i1=1/200；第二段长6.08 m，坡比i2=1/6。根据地形特点，泄槽尾部设计采用挑流方式消能，水流直接挑入下游。消能段水平方向长1.63m，挑角为20º，反弧半径R=3.0m，鼻坎高程为915.34m。

2.3.2 溢洪道水力设计

溢洪道水力设计包括各结构段水面线计算和尾部消能计算。侧槽溢洪道水力计算的关键是侧槽水面线，正槽溢洪道水力计算的关键是泄槽水面线。

（1）泄槽计算。溢洪道设计流量为库校核情况下计算的下泄洪水流量。山岔沟水库P=0.5%校核洪水流量QP为30.9m3/s，故其溢洪道设计流量为该值。计算得泄槽临界坡ik=1/240，泄槽实际坡度i1、i2均大于此值，故泄槽为陡坡，其水面线及各特征断面未掺气水深按能量公式计算。根据未掺气水深可求出掺气水深和转弯处水深，最后根据泄槽掺气水深、转弯处水深和超高决定泄槽各段侧墙高度。

经计算，第1泄槽段起始断面、弯道末端、槽末断面和第2泄槽段末，掺气水深h分别为1.35、0.83、0.73、0.63m。第 1泄槽段弯道末端水深为1.47m，第 1泄槽段弯道末端、槽末断面和第二泄槽段末，掺气水深分别为1.57、0.79、0.69 m。第1泄槽段起始断面到弯道末端侧墙高 2 m；弯道末端到第1泄槽段槽末侧墙高2～1.3m；第二泄槽段侧墙高1.3～1.2m。

（2）消能安全计算。经计算，水流挑射最大冲坑水垫厚度tk为4.0 m，冲刷坑深度tk'为2.50m，安全挑距[L1]为2.5tk'，即5.25 m，挑流鼻坎计算水流最大跳距L1为6.88m，此值大于安全挑距，故挑流安全。

2.3.3 结构设计

小二型病险水库的溢洪道结构，为了稳定，若其靠坝一面临空，侧墙多采用重力式砌石结构。土基开挖出来的溢洪道，墙采用等厚砌石结构，墙内侧均用混凝土防渗；完全从基岩开挖出的溢洪道，则用混凝土护面。

本次除险加固拓宽现有溢洪道4m，侧墙和底板均采用C15混凝土防渗，底部为未风化基岩，不需要作垫层。消能工侧墙结构与泄槽相同，厚0.4 m。墙顶水平，底部趾墙嵌入基础 1.1 m，其中嵌入岩基至少0.5 m。