江西省塘坝除险整治设计要点分析

郑 勇，余 雷，王萱子

(江西省水利科学研究院，南昌 330029)

塘坝是山区、丘陵地区重要的水利工程设施，在农村饮水、农业灌溉、养殖、改善农村水土环境等方面发挥着举足轻重的作用。根据江西省第一次全国水利普查塘坝统计数据，该省现有塘坝22.97万处，总容积28.91亿m3，其中容积在1万(含)～10万m3的塘坝有6.44万处，容积总计22.37亿m3。全省塘坝分布广、数量多，运行多年普遍存在建设标准低、隐患多、投入少、管理弱等诸多问题。全省许多塘坝属病险塘坝，需进行除险整治。

塘坝除险整治设计目前缺少统一的国颁或部颁建设规范和技术标准。为规范全省塘坝除险整治工程设计、施工和建设管理，通过对全省现有塘坝情况的典型调研，参考国外和省内外小型水库工程建设标准，编制完成了《江西省塘坝除险整治技术指南》(以下简称指南)。指南通过近一年的工程建设实践和检验，取得了良好的效果，现将其设计要点及创新之处进行总结分析。

1 塘坝大坝除险整治技术要点

该省塘坝除险整治原则上不加高大坝，如防洪标准不满足规定要求的，优先采用加大泄洪能力等工程措施。确需加高大坝的，须经县级水行政主管部门批准。塘坝大坝除险整治技术要点主要从一般构造要求、防渗处理技术要求、反滤排水技术要求三方面进行阐述分析。

1.1 坝体一般构造要求

1.1.1 坝顶超高

坝顶高程应不低于塘坝静水位与坝顶超高之和。按设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高和校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高两种情况计算，取最大值。

坝顶超高:Y=R5%+A

式中 Y——坝顶超高;

R5%——累计频率5%的波浪爬高，可按指南附录D查算，也可采用当地经验数据;

A——安全加高，设计洪水位取0.5m，校核洪水位取0.3m。

由于塘坝除险整治原则上不加高大坝，故设计洪水位和校核洪水位可按下列公式进行反算:

塘坝的设计洪水位=塘坝的坝顶高程－0.5－R5%

塘坝的校核洪水位=塘坝的坝顶高程－0.3－R5%

1.1.2 坝顶构造及坝坡

考虑到塘坝坝顶的交通、防汛抢险的需要，重点塘坝坝顶宽度宜不小于4.0m，其余塘坝坝顶宽度宜不小于3.0m。其中，重点塘坝是指坝高超过10m、串联型塘坝的最上级，位于高暴雨区、人口居住密集地或重要设施(如公路、铁路等设施)上游500m以内，如失事可能直接造成下游人员伤亡或设施损毁的塘坝。

通过对黏土、壤土、砂壤土三类土质类型，坝高20m以下塘坝各种运行工况的渗流稳定模拟计算，偏于安全考虑，要求塘坝上、下游坝坡坡比(若有多级坝坡，指平均坡比)宜不小于表1要求。坝高超过20m时，上、下游坝坡坡比应按相关规范要求计算确定。

表1 不同土质类型的塘坝坝坡坡比的要求

1.2 坝体防渗技术要求

部分坝体单薄，需进行培厚。对于可放空的塘坝，原则上要求在大坝上游坡进行培厚，并尽可能与坝体防渗处理相结合。对于不能放空的塘坝，可在大坝下游坡进行培厚，培厚土体应采用透水性较好的材料。新设置的土质心墙、斜墙等防渗体及坝基截水槽，其渗透系数应不大于1×10－5cm/s;均质土坝坝体渗透系数宜不大于1 ×10－4cm/s。

塘坝坝体或心墙等防渗体不能满足防渗要求的，可以采用增设黏土斜墙结合坝基截水槽的防渗处理或采用冲抓套井回填黏土心墙进行防渗处理，优先采用增设黏土斜墙结合坝基截水槽的防渗处理方案。

1.2.1 斜墙防渗体技术要求

斜墙上薄下厚，顶部厚度一般不应小于1.0m，底部厚度不小于坝前水头的1/4～1/6、并且不小于2m，斜墙顶不应低于校核洪水位。斜墙与两岸山坡接触部位一般应放宽1倍。斜墙黏土的渗透系数不大于1×10－5cm/s，水溶盐含量不大于3%，有机质含量不大于2%。截水槽底宽一般不小于2.0m，且应深入至基岩或相对不透水层以下不小于0.5m。

1.2.2 冲抓套井回填黏土心墙技术要求

冲抓套井回填黏土防渗心墙一般设置为单排，有效防渗厚度0.8m。土料应采用黏土，渗透系数不大于1.0×10－5cm/s，黏粒含量以15% ～40%为宜，塑性指数为7～20，水溶盐含量不大于3%，有机质含量不大于2%，且应有较好的塑性和渗透稳定性。墙底部至基岩或覆盖层以下不小于0.5m。

1.3 反滤排水技术要求

新填筑的坝体土料与相邻土层间如不满足层间关系，应设置合理的反滤层和过渡层。土质防渗体与坝壳排水体或坝基透水层之间应满足反滤原则，否则应设置反滤层或同时设置反滤层和过渡层。对反滤层过渡层的设计及要求可参见《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)。

下游坝面宜设置坝体排水设施，排水设施应具有充分的排水能力，同时应满足反滤要求，保证渗透稳定。坝体排水一般有贴坡排水和棱体排水两种。

贴坡排水:推荐修建贴坡排水。排水体厚度(含反滤厚度)不小于0.6m，排水体高度取(1/3～1/4)H坝高。

棱体排水:在塘坝整治中一般不推荐新建，翻修的棱体排水体顶部宽度不小于0.8m，排水体顶高程应超过坝脚最高水位和地面1.0m，排水棱体的高度一般为坝高的1/4～1/5，棱体内坡可采用1∶1，外坡可采用1∶1.5。

2 塘坝溢洪道除险整治技术要点

应优先选用泄洪能力大、运行管理方便的开敞式无闸控制溢洪道。溢洪道布置一般包括进水渠、控制段、泄槽段、消能段及出水渠段。

2.1 进水渠

进水渠进口型式可根据进水口地形选择布置，因地制宜采用对称或基本对称的八字形或弧形，八字形进口施工更简单，弧形进口水流条件更好。进水渠底宽顺水流方向收缩时，进水渠首、末端底宽之比宜在1.5～3之间，在与控制段连接处应与溢流前缘等宽。底板宜为平底或不大的反坡。进水渠的导墙应使水流平顺，且应高于泄洪时的最高水位。

2.2 控制段

控制段堰型可采用宽顶堰、折线堰、薄壁堰等型式。各堰型的适用条件及设计见表2。

表2 宽顶堰、折线堰、薄壁堰适用条件及设计对比

式中 b——每孔净宽度，m;

m——流量系数，直角形翼墙无坎宽顶堰，偏安全考虑认为B=b;

H0——包括行进流速水头的堰前水头，认为H0=H。

举例:兴国县××乡××村××塘坝，集雨面积为0.4km2，校核洪水标准为50年一遇，河谷形状为峡谷形，河流纵坡比较平顺，满库时坝前水面宽度(B)经测量为200m，溢洪道堰顶至坝顶水深(H)为1.5m，满库时水面长度(L)经测量为200m。设计:溢洪道的溢流净宽。

计算步骤:

a.确定塘坝所在分区:根据指南查计算水文分区图，知在Ⅰ区。

b.集雨面积为0.4km2，洪水频率2.0%，查指南附录C.2表可得洪峰流量Qm=16.87m3/s和洪水总量Wi=3.6×104m3。

溢洪道的溢流净宽可按下式计算:

c.V滞= θ·B·H滞·L=0.3×200×200×1.5=1.8×104m3;

参照武汉水利电力学院农水系编的《小型水库工程》，利用公式进行容积估算，亦可查指南附录B。

e.溢洪道的溢流净宽:

设计溢洪道的宽取为3.5m。

对位于高暴雨区或有特殊要求的塘坝，也可挖深溢洪道，使溢洪道的底板高程低于正常水位50～100cm，在底板上设一厚10～15cm的挡水板，挡水板顶部高程与正常水位平齐，当遇超标准洪水时，开启挡水板加大泄洪能力。

2.3 泄槽段

泄槽底板根据基础情况，可采用混凝土或浆砌石衬砌，混凝土衬砌厚度不小于20cm，强度等级据水流速度大小一般为C20～C25，浆砌块石衬砌厚度不小于30cm。若基础为坚硬岩体，也可不做衬砌保护。

2.4 消能段

出口消能的方式主要有挑流消能和底流消能两种方式。挑流消能适用于出口为高陡山谷、基础抗冲性能满足要求时，底流消能适用于出口底板基础条件差、抗冲性能不满足要求时。

3 塘坝坝下涵管除险整治技术要点

对于需整治处理的坝下涵管，加固方案有拆除重建和维修加固两种方式。拆除重建方式中可采用原址或异址重建钢筋混凝土结构涵管或小管径顶管法等处理方案。维修加固方式中可采用保留原管身段、对涵管进行接长、并重建进出口段，或采用内衬PE管法进行处理，但均需注意其适用条件，经多方案比较后确定。

3.1 拆除重建

对于原结构形式为瓦、素混凝土、钢丝网薄壳等的坝下涵管，或结构已遭破坏的坝下涵管，原则上应拆除重建。

3.1.1 原址或异址重建钢筋混凝土结构涵管

重建的坝下涵管一般由进口段、管身段及出口段三部分组成。

3.1.1.1 进口段

塘坝的涵管进水口型式主要有分级卧管式进水口(斜涵)、斜拉闸门式进水口两类。

a.分级卧管式进水口。适用于引水流量小、水头在30m以下的情况，此结构简单，施工方便，且便于引取表层水，对农作物生长有利。

b.斜拉闸门式进水口。适用于基础稳定的情况，施工方便，造价低。

3.1.1.2 管身段

管身断面型式主要有圆形、矩形和城门洞形。管身四周设C25混凝土结构的截水环，用以防止管身外围产生集中渗流。混凝土结构分缝宽20mm，缝内设止水铜片(紫铜)，沥青杉板填缝。

a.对于坝高≥10m的塘坝，为满足检修要求，管身推荐采用尺寸为80cm宽(B)×120cm高(H)的钢筋混凝土平涵。

b.对于坝高＜10m的塘坝，管身结构仍采用钢筋混凝土，结构以满足灌溉要求而确定。

3.1.1.3 出口段

出口段一般距坝脚较近，若出口流速较大，可设消力池以减小流速，使水流平顺而均匀地进入渠道。

对于异址重建钢筋混凝土结构涵管，原涵管应进行可靠的封堵，封堵长度可取涵管长的1/3。

3.1.2 小管径顶管法

小管径顶管法不需破坝，主要适用于管径小于50cm的坝下涵管重建工程，工程量少，施工期短，节约劳力，节约钢材、水泥和资金，工程质量可以得到保证，对塘坝蓄水影响小。

重建的涵管中心线应通过土坝填土部分的坝体，避开两坝肩的山坡，以免碰到坚硬的原山体或岩石，导致顶管失败。同时也要求土坝坝体的沉陷已稳定，否则重建的输水涵管会因不均匀沉陷而遭到损坏。其工作原理是根据打桩的原理，将钢管顶进坝内。

3.2 维修加固

对于结构未遭破坏的坝下涵管，可采用保留原管身段，对涵管进行接长，并重建进出口段，或采用内衬PE管法进行处理。

进出口段重建设计与“原址或异址重建钢筋混凝土结构涵管”的进出口段设计相同。对于涵管内衬PE管，其管径应小于原有管道的管径，规格尺寸可参照规范《给水聚乙烯管道管材标准》(GB/T 13663—2000)。

4 结语

近年来，国家高度重视农村塘坝除险整治工作，专门拿出资金用于农村塘坝除险整治。做好塘坝除险整治工作，保证塘坝运行安全可靠，对夯实农村经济和社会发展基础具有重要意义。■

1 SL 274—2001碾压式土石坝设计规范［S］.

2 SL 189—96小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则［S］.

3 SL 253—2000溢洪道设计规范［S］.

4 武汉水利电力学院农水系.小型水库工程［M］.北京:人民教育出版社，1978.

5 GB/T 13663—2000给水聚乙烯管道管材标准［S］.