广东省某小型水库除险加固工程设计与应用

黄远帆

(梅州市水利水电勘测设计院，广东 梅州 514000)

1 小型水库除险加固的重要性

广东省绝大部分小型水库建设于1960年左右，由于技术落后、资金缺乏等原因，原有水库的建设质量已经无法满足现代实际需要；同时许多水库在建设完成后未进行相应的维护管理，导致在运行中存在不同程度的病险问题，潜在威胁下游人民群众的生命财产安全。小型水库除险加固工程对当地社会、经济和生态发展都具有十分重要的意义。

(1)提升水库质量，保障人民生命财产安全。水库是具有防洪、灌溉及供水等诸多功能的人工湖泊，不仅能保障国家工业可持续发展和粮食生产安全，还在雨季具有调节洪水的功能，可以及时泄洪或者蓄洪[1]。如果水库存在病险问题，其调洪能力将极大地降低，一旦发生垮坝，将对下游造成灾难性的后果。小型水库的除险加固对保障人类社会生命财产安全具有重要的意义[2]。

(2)提高水库性能，充分发挥其效益。小型水库的除险加固可以充分发挥抵御干旱、洪水等自然灾害，保证工农业正常生产和人类社会的正常运行，对我国水利事业的健康持续发展具有不可或缺的作用；而且水库可以保持生态系统的平衡，有效避免自然灾害的发生。加强小型水库的除险加固能够提高水库自身性能，进而充分发挥其社会、经济和生态效益[3]。

(3)有效缓解水资源短缺。我国原本就属于水资源较为短缺的国家，近年来随着人口总量的进一步增加，水资源短缺矛盾更加严峻，合理的水库规划则可以有效解决水资源短缺问题[4]。目前许多大中型水库供工业和城市用水，而小型水库供农业和农村城镇用水，由此小型水库在推动农村经济发展、改善农业生产条件和提高农民生活质量等方面起着关键的作用。但是大部分小型水库年久失修，存在大量潜在威胁，导致水资源侧渗流失或者雨季无法蓄水，造成水资源严重浪费。小型水库除险加固工作不仅是落实科学发展观的具体实践，也是保障城乡饮水安全和缓解水资源短缺的现实需要。

2 除险加固工程技术现状

2.1 堆石坝体技术

堆石坝体是我国现代除险加固工程中的常用坝体技术之一。该技术在实际施工过程中要求堆石压实容重为23 kN/m3，孔隙率在30%以下，相对密度范围应在0.7以上。大块石料占总石料的60%，中块石料占30%，小块石料占10%，且选用质地坚硬的石料，垫层碎石的颗粒直径应在自然厚度范围之内，通常为2～4 cm。采用“随铺随砌”施工原则，以避免因出现碎石精细颗粒分离，而导致垫层石料由库坝顶端向下倾倒的情况发生。

2.2 坝体粘土斜墙技术

坝体粘土斜墙技术是拆除水库原坝坡表层已龟裂、疏松的废弃土料，重新采用新鲜的夯实土料对坝体粘土斜墙进行置换。该项技术通常运用薄层轮加法，每层平均增加20 cm，并进行夯实。渗透系数通常在1.0×10-5cm/s以下，压实度应在0.95以上；并需对每一填筑层进行自检和抽检，未达标的部位必须及时补压或着进行局部处理，直至复验合格后才可以进行下一道工序。

2.3 灌浆技术

河坝灌浆技术具有投资小、效果好、操作简便的优点，一般应在水库水位较低时进行施工，并且在灌浆前应做灌浆试验[5]。此技术要求水泥采用32.5级综合水泥，必须带有出厂合格证；砂砾石中含泥率应低于1%，针片形砂砾石超径低于5%，细度模数应控制在1.6～3.0范围之间。常见的灌浆技术有帷幕灌浆、充填灌浆和劈裂灌浆技术等。帷幕灌浆技术是小型水库坝基渗漏的有效防渗措施，其技术通常采用自上而下分段灌浆法，要求孔位与原设计偏差值小于10 cm，孔径大于46 mm。依据渗透填充理论，采用充填灌浆的方法，对坝体土层空隙进行低压灌注，以提高河坝的防渗能力，灌浆压力通常小于4.9×104Pa，灌浆材料采用普通水泥黏土浆液，要求水泥含量占20%。劈裂灌浆是以大于临界水压的压力对河坝土层先劈裂，然后对裂缝及洞穴进行灌浆。在水泥劈裂灌浆技术的应用中，应沿坝体轴线方向梅花状方式布置，一般灌浆孔为2排，排间距为1 m，孔间距为2 m，孔径应为100 mm。劈裂灌浆的专业性极强，需要针对不同的土体进行定向劈裂，一旦劈裂出现误差，将严重影响整个工程的质量。因此，在劈裂灌浆工程中对施工队伍、灌浆质量及施工监测均具有较高的要求。

3 某小型水库除险加固工程的设计应用

3.1 水库工程概况

某水库始建于1981年，2000年修整水库大坝的坝坡、棱柱反滤和溢洪道，2009年进行了除险加固施工， 2020年进行了安全鉴定，确定该水库为三类等级坝，需要及时进行水库除险加固。该水库是1座集灌溉、防洪功能的小型水库，集水面积为1.1 km2，水库正常水位为181.50 m，库容量为16.49万m3；其水库主要由大坝、溢洪道和附属设施等建筑组成。该水库大坝最大坝高25.2 m，坝顶宽度为5.0 m，轴线长116.0 m。大坝后坝脚采用棱体反滤体，反滤长59 m，顶宽2.6 m，反滤高4.1 m，外坡平均坡比1∶1.2。输水涵涵管全长106.6 m，放水开关采用手动斜拉杆式闸门控制，拉杆采用φ60mm实心铁。开敞式溢洪道设于大坝左侧，溢洪道进口段长宽为9.0 m×6.0 m，控制段长宽14.3 m×3.3 m。最大下泄流量19.0 m3/s(P=0.5%)。依据水利部门的相关规定，若不及时对该水库进行除险加固处理，水库将无法正常蓄水，以致无法发挥其应有的效益。因此，水库必须安全加固，消除不安全因素，发挥水库的正常效益。

3.2 大坝存在的问题

(1)大坝运行大事记和台账等运行管理资料不完善，日常巡查管理不够到位。水库未配备适用的抗震措施及防震减灾预案。

(2)水库坝体填土渗透系数偏大，坝顶和后坡有多处白蚁活动迹象，后坡纵横排水沟淤积和被植被覆盖，坝顶公示牌损坏和不完善，前坡混凝土护坡部分损坏，混凝土护坡未设排水孔，坝顶、前、后坡杂草较多。大坝后坡部分区域有下沉和冲沟现象，第三级坝坡坡比和原设计坡比相差较大。大坝后坡部分抗滑稳定性没有达到规范要求。

(3)大坝后坡抗震稳定性没有达到规范要求。水库现有防汛物资储备数量和种类不符合规范要求。水库大坝缺少沉降、位移监测等设施。

3.3 大坝加固设计

3.3.1 前坡加固设计

在大坝安全鉴定阶段通过抗滑稳定复核计算，大坝前坡抗滑稳定安全系数满足规范要求，因此维持坡比1∶2.65不变。根据现场安全检查情况，护坡混凝土面板部分出现凹陷和裂缝，并且未设置排水孔，拟拆除原有混凝土护坡后，重新现浇前坡C20混凝土护坡厚0.12 m，单块混凝土护坡尺寸长宽3.0 m×3.0 m，分缝采用2 cm宽的沥青松木板，下垫沥青油毛毡一层，宽度为30 cm，护坡底平铺砂砾石垫层厚0.12 m，排水孔横向、纵向间距为2.5 m，呈梅花桩布置；同时在排水孔下垫铺土工布，避免渗漏及淤泥堵塞。

3.3.2 后坡加固设计

加固前后坡坡比分别为1∶2.60、1∶2.42和1∶2.06，通过抗滑稳定复核计算，大坝后坡抗滑稳定系数未能达到标准要求。加固后后坡坡比分别为1∶2.60、1：2.42和1∶2.50，对第三级坝坡进行培厚，重建第二级马道处排水沟，排水沟长87 m，后坡面采用植草护坡。

3.3.3 反滤体加固设计

根据大坝安全鉴定成果，计算得知大坝后坡抗滑稳定安全系数没有达到规范要求，原设计棱体反滤体高为5.0 m，现状棱体反滤体高4.1 m比原设计低了0.9 m。本次加固拟加高反虑体以降低坝体浸润线，使得大坝后坡抗滑稳定计算结果能满足规范要求，加固后棱体反滤体高为5.5 m，顶宽1.5 m，外坡平均坡比1∶1.5；其中桩号K0+52.6到桩号K0+81.3段基础需要加深，暂定为3 m，基础加深段长30 m，棱体反滤体总长73 m。

3.3.4 坝体灌浆技术

根据地勘资料和《大坝安全评价报告》中渗流复核计算，该水库大坝的渗透系数较大。为提高坝体的防渗能力，本次除险加固工程采用水泥浆液加压封堵坝体岩层中存在的洞穴和裂隙，拟设计对坝基和坝体分别采用帷幕灌浆技术和充填灌浆技术。在水库坝顶沿坝轴线布置2排灌浆孔，排间距为2 m，孔间距为5 m，深度至坝基以下2 m处，呈梅花桩布置。灌浆材料成分为纯水泥浆，其中含有10%水泥的黏土浆。灌浆后工程效果应达到密度为1.3～1.6 t/m3，黏度为30～100 s，胶体率大于80%，坝体稳定性小于0.1 g/cm，失水量在10～30ml/30 min之间，具体灌浆压力值通过灌注试验确定。同时，在施工结束后，需采用钻孔方式检查灌浆效果。

4 展 望

小型水库除险加固是水利工程建设领域的重要任务之一。目前我国小型水库约有10万座，但是大部分始建于20世纪60年代，受当时经济条件和建设技术的制约，以及后期对维护管理的不重视，致使有40%以上的水库病险问题突出，严重威胁国家社会及人民群众的生命财产安全；因此，小型水库除险加固已成为一项迫在眉睫的重点工程[6]。

坝体灌浆技术是水库除险加固工程的核心内容，目前灌浆防渗技术众多，但各种技术均存在不同问题[7]。例如，帷幕灌浆技术必须控制好灌浆的压力，压力不足难以充分灌浆，影响防渗效果，压力过大容易破坏坝体结构，形成新的病险；充填灌浆技术是对坝体防渗处理使用最早的方法，但是大量实践表明，此技术的成墙性差，防渗效果不佳，特别不适于大面积坝体土层的防渗；劈裂灌浆技术需要考虑坝体的应力分布条件，如果劈裂的方向及力度出现误差，极容易对大坝造成毁灭性破坏。因此，在现实的施工中要求足够细致，选取最适合的灌浆技术进行坝体除险加固，同时应加大对除险加固技术的研究，在保证水库除险加固效果的基础上向简捷化、精准化及信息化的方向发展。

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