小型病险水库除险加固设计常见的问题分析

熊 岩

(秭归县水利和湖泊局，湖北 宜昌 443600)

水库为拦洪蓄水和调节水流的水利工程建筑物，可用于灌溉、发电、防洪和养鱼。水库一般建设在山沟或河流的狭口处，形成具有拦河功能的人工湖泊。水库由大坝、溢洪道和放水建筑物组成。可以按照库容的大小划分为小型、中型和大型。存在危险因素的水库被称为病险水库，为汛期顺利度汛带来隐患[1]。病险水库的成因主要是水库设施老化、水库建设标准偏低等，导致坝体渗水、坝身薄弱等现象出现。病险水库除了渗水问题外，还存在水库整体结构安全性不足的问题，对于小型病险水库，由于多种病害的影响，自身结构安全存在坝坡过于陡峭、坝体不稳定等问题。使得水库在汛期无法实现对应的功能，对人民的居住环境，甚至生命财产造成威胁。

开展小型病险水库的除险加固，提高水库的防洪能力，是实现水资源可持续开发利用的需要[2]。病险水库的除险加固包括大坝的加固、溢洪道的加固以及防水设备的加固。在工程的实施过程中会因设计方案以及施工条件等因素而产生一定的问题，这些问题导致加固工程不能达到预期效果，致使水库依旧存在溃堤的风险。为了解决上述问题，提出小型病险水库除险加固技术的常见问题分析，并针对现阶段存在的问题对加固工程进行优化设计，从而保证水库的运行安全。

1 小型病险水库加固设计常见问题

通过调查中国部分地区小型病险水库已经完成和正在进行的除险加固工程，可以提取出现阶段各个地区在水库除险加固设计中经常出现的问题，并按照问题难度进行整合[3]。

1.1 小型病险水库原始资料不足

小型病险水库的原始资源包括建筑资料、历史降水资料、水文地质资料等。中国大部分水库建设时间较早，在水库的建设过程中没有严格的监督规范，缺乏完善的水库管理体制，因此现阶段小型水库的原始资料不足[4]。这一问题增加了病险水库除险加固设计的难度，致使小型病险水库除险加固设计方案不合理。另外水文资料的缺失会影响对水库洪水水文的准确分析与判断，无法将除险与加固工作量化，导致设计结果无法达到预期。

1.2 设计方案科学性与合理性不强

小型病险水库的除险与加固设计是一项系统工程，在设计与实施的过程中需要针对水库的实际情况，在考虑多个影响因素的情况下，制定具有针对性的加固方案，以提升除险加固方案的应用效果。当前，相关的设计人员在进行设计时由于重视程度不够，经常凭借先前的经验来设计具体的加固方案，并没有结合水库运行的实际情况，也没有全面分析水库病险的具体问题，导致设计方案不科学[5]。实用性不强，方案内容也不够具体，无法达到整治效果。

1.3 水库加固设计、施工方案与加固实际情况不符

由于小型病险水库的数量较多，因此水库除险加固工作的任务量较大，许多地区的施工技术较为薄弱，同时也没有足够人力与物力资源支持，因此加固设计的施工质量无法得到保障[6]。一般来讲水库加固设计按照水库的结构可以分为大坝、溢洪道、放水设施3个部分，针对不同部分指定不同加固设计和施工方案，但受到实际施工工艺与施工时间限制，在病险水库除险加固完成后，依旧存在一定程度上的大坝渗漏、裂缝等问题。

1.4 基础设施利用率低下

在除险加固设计中需要利用的基础设施包括土工膜铺设、混凝土、钢筋、注浆原料、金属结构等，但在实际设计与施工过程中，为了降低工程成本，会出现设施利用率低下、覆盖材料选用不当的情况，从而可能引发安全风险。

1.5 水库运行管理与加固设计适配性低

病险水库在除险加固工作完成之后，需要经过一段时间的恢复管理才能继续投入使用。但针对部分地区，当地只存在一个水库，要求加固工程快速恢复以维持水库的正常运行[7]。而一般的加固设计方案都需要一周左右的恢复时间，导致水库实际运行管理与加固设计方案的适配性较低，在实际施工中可能会出现管理与设计施工之间的矛盾。

1.6 金属更换安装难度大

受到早期水库设计、建筑以及安装水平等因素约束，水库内部金属设计不够合理，水库质量较低。而在加固设计中需要对水库内部金属结构进行调整，并选用耐腐蚀性更高的金属材料替换原水库中的材料。

1.7 加固后续检查考核监督体系不健全

小型病险水库除险加固设计涉及多个步骤和内容，除了需要加强施工工作的管控之外，还需要对设计与施工的匹配性进行监督，定期对工程的施工进度进行考核验收，必要时还需要在加固施工完成后对工程项目进行复查审核，才能保证加固设计的有效性。而在实际加固工程中，设计人员将相关除险加固方案制定完成后交给施工人员，施工人员在该方案的基础上予以实施，工程实施完成后重新启动另一个项目。在此过程中无检查、无考核，加固结果存在较大安全隐患。

2 小型病险水库除险加固设计问题解决措施

针对现阶段小型病险水库除险加固设计中存在的一系列问题，提出相关的解决措施，旨在保证水库的运行安全。根据中国水利水电工程等级划分标准的相关规定，确定待处理病险水库的基本类型，以及大坝、溢洪道、输水泄洪洞及调水工程等主要建筑的等级和次要建筑的基本等级[8]。接着确定水库的基础防洪标准以及淤积年限。在此基础上通过加强工作力度、优化工程设计内容、完善监督与管理制度等多个步骤，解决小型病险水库除险加固设计的常见问题。

2.1 水库除险加固工程优化设计

为解决传统设计中存在的问题，在传统除险加固设计的基础上进行优化设计。首先对病险水库的整体情况进行前期勘察、实地测量，做好前期的资料准备和勘察工作，并找到影响因素，进而针对水库中的大坝、溢洪道等多个设施，利用专业技术进行加固设计，制定具体的加固方法和措施，从而保证小型水库的安全供水[9]。其中水库加固断面设计结果如图1所示。

2.1.1土坝灌浆加固设计

在土坝加固设计时，部分设计过程中出现地勘记录粗陋、坝型和坝体选型错误的情况，因此在土坝加固设计施工中，利用灌浆的方式实现对土坝加固处理。具体灌浆加固处理流程如图2所示。

按照图2中灌浆处理流程准备灌浆浆液，并在水库大坝轴线上游1.5m布一排孔，孔距5m，计算造孔数量。采用准备好的浆液灌浆，浆液中的黏土黏率需大于90%。计算各孔孔深，并根据式(1)计算灌浆压力。

图1 小型病险水库加固断面示意图

图2 大坝灌浆处理流程

(1)

式中，P—实际灌浆压力；P0—正常大气压下的灌浆压力；m—灌浆每加深1m的允许增加压力值;h—灌浆段的总深度[10]。

按照灌浆工艺将浆液灌入灌浆孔，当坝基灌浆达到终灌标准后，拔出灌浆管，孔口用稠浆灌满，浆面下沉后再灌，直至浆面不下沉为止，最后回填夯实。土坝灌浆加固结果的坝顶超高复核数据见表1。

表1 坝顶超高复核计算 单位：m

2.1.2黏土心墙加固设计

黏土心墙高度和长度不满足要求，因此需要在加固时将黏土心墙加高至校核洪水位[11]。黏土心墙加固结果如图3所示。

图3 黏土心墙加固示意图(单位：m)

2.1.3溢洪道加固

小型病险水库溢洪道可以分为进口溢流堰、渐变段、一级陡坡段、二级陡坡段一级消力池组成。在水库溢洪道的除险加固处理中，首先对进口溢流堰全部拆除，选用C20钢筋混凝土重建建筑，在原厚度基础上增加10cm，并使用相同的方法对渐变段进行加固处理[12]。对于陡坡的加固处理需要在泄槽上增设伸缩缝，并在其中填充防水缓冲材料，其目的是避免冻融引起的涨裂。假设水库为正常水位，且溢洪道中的相关建筑元素经过加固处理，通过计算泄洪流量与泄槽水流水深等参数，计算溢洪道除险加固的目标泄流能力，泄流能力计算公式为：

(2)

式中，Q—水流量；m—泄流流量系数；σ和ε—淹没系数和侧向收缩系数；B—溢流堰的总净宽；H0—计入流速水头的堰上总水头[13]。

泄槽水深计算方法为：

(3)

式中，hb—泄槽水深；h—溢洪道断面水深；v—不存在掺气时断面的流速；ξ—修正系数，取值为常数。

经过计算得出加固后小型病险水库溢洪道中泄槽水深的计算结果，见表2。

表2 泄槽不同位置掺气水深 单位：m

2.2 设计计算洪水及调洪时段

采用洪水分析及调洪演算方法，充分考虑水库周边流域地形、制备以及河道粗糙率等相关参数，从而计算出加固设计结果。一般情况下水库调洪时段为0.5h或1h，但由于河道长度短、流域面积小，会导致洪水位的上升速度较快，若设定调洪时段为0.5h或1h，会因为时段设置过长而错过洪峰，致使坝顶高程不足[14]。因此根据实际洪水流速和流量准确计算调洪时段，并将调洪时段控制在10min之内。

2.3 规范小型水库日常运行和管护

除了除险加固方法的优化设计之外，在加固工程完成后，需要对水库日常运行进行严格把控，并提升对小型水库的管护效率[15]。针对相应的水库建立自动监控计算机管理系统，该系统建设结构如图4所示。

图4 水库自动监控管理系统结构

利用建立的自动监控管理系统，在除险加固后根据工程规模、类型、重要性等条件，配置并完善观测设施与仪器。有组织地进行阶段性观测与专项监察，收集相关运行数据与资料，为水库维修与防汛抢险及时提供第一手资料，间接保证水库的运行安全。

3 除险加固效果验证实验分析

为了检验提出的解决方案是否能够解决小型病险水库除险加固设计常见的问题，设计除险加固效果的验证分析选择如图5所示的水库作为此次验证的实验环境。

图5 小型病险水库环境示意图

该水库对应的河流包括3条支流，河长67.5km，流域面积为647km2，属于小型河流的研究范畴。实验水库对象所处环境的气候条件为半湿润温带季风型大陆性气候，年平均降水量为700mm，年平均径流量为1.69亿m3。在上述水库背景下，分别将传统的水库除险加固设计方案与优化的水库除险加固设计方案应用到实验环境中，利用图6所示的水库溃坝风险评估方法得出实验结果。

图6 水库风险分析的一般程序

按照图6中的程序实现流程，充分考虑多个可能引发水库溃坝的影响因素以及共同效益，得出除险加固优化设计方法的应用效果，见表3。

表3 不同除险加固方案下水库溃坝概率分析结果

从表3中的计算结果数据可以看出，传统的小型病险水库除险加固设计方案的水库加固结果的综合风险概率为0.17%，而应用优化小型病险水库除险加固设计方案水库的加固结果的综合风险概率为0.12%，相比之下水库溃坝风险概率降低了0.05%。

4 结语

水利工程“三分建，七分管”，建设是基础，管理是关键，发挥效益才是最终目的。结合小型水库的具体运行情况，从管理、经济等多个角度建立相应的安全运行机制，提出加固工程设计优化、演算调洪、规范日常管理3个方面改进建议，以保证小型水库的运行稳定与安全，相比传统的小型病险水库除险加固设计方案水库溃坝风险概率降低了0.05%。然而在此次研究工作中，只分析与解决了传统除险加固设计中的部分常见问题，但是根据不同的坝型、坝基和病因情况，需采用不同的处理方法，因此在设计中存在的其他问题，还需要在未来的工作中进一步改进。