某水库病害特点及除险加固技术研究

马妍博 袁明道 黄春华 张旭辉 广东省水利水电科学研究院

1.工程概况

某水库除险加固工程修建于某村境内，水库集雨面积为1.2km2，设计总库容为15m3，设计灌溉面积为200亩，属于小Ⅱ型水利工程。随着水库运营年限的不断增加，水库出现了一系列病害问题，水库的调节能力日趋下降，为了改善水库所处的运行环境，需要对水库病害特点进行分析，并对水库实施加固处理。

2.水库除险加固的重点

2.1 大坝

大坝作为本水库中最重要的建筑物，不仅直接决定着水库是否可以正常发挥功效，还在一定程度上保护着水库下游人们的生命及财产安全。如果大坝出现了渗漏、坝体不稳或者存在溃坝隐患，会出现十分危险的情况。所以，水库挡水建筑物大坝是整个水库结构中最为重要的水工建筑物。大坝的类型主要分为土坝、堆石坝、浆砌石坝等，其中主要以土坝居多，所以土坝存在的问题也比较多，最主要的问题是坝顶高程不足、坝体渗漏、坝坡较斗、无人看管、杂草丛生并伴有白蚁生长等。堆石坝、浆砌石坝虽然与土坝相比存在的问题较少一些，但也不排除其有老化、渗漏以及坝基不稳等基本问题。

2.2 溢洪道

按照当前的水库防洪要求和标准来看，所有水库溢洪道必须硬底化，但是由于我国大部分水库建设年代久远，所以多数水库溢洪道为土渠和乱石堆砌的沟渠，完全不能达到泄洪的基本要求，防冲刷要求更是无从谈起。另外，有一些水库中的溢洪道以混凝土、坝浆砌石为主，这些溢洪道从表面上来看能够达到要求和标准，但是随着水库容量和水位的变化，水库溢洪道的过流能力依然无法达到泄洪的要求和标准。

3.水库病害产生的主要原因

纵观我国大部分的小型水库，大约有95%以上由土石坝建造而成，由于建设之初受到技术方面的限制，导致水库的质量并不符合相关标准，其在经历很长一段使用时间后，不论是在抗震还是防洪方面都会或多或少出现一些问题。加之，地方政府部门对小型水库的重视程度不高，使得许多小型水库陷入了无人管理的尴尬局面，长此以往小型水库的金属结构、稳定安全等方面出现严重的问题。小型水库病害形成的原因主要包括以下几个方面：

3.1 防洪标准不达标

本水库在建设之初同样受技术方面的限制，其防洪能力逐渐减弱，在泄洪设施的建设上由于建设标准低，以至于其在汛期和洪水泛滥期间无法充分发挥应有的防洪作用，从而给生活在下游人们的生命及财产安全造成了严重的威胁。同时，由于该水库在设计之初对质量要求较低，使得在使用过程中出现了严重的质量隐患。除此之外，大坝泄水建筑的泄水能力和顶部高程无法满足设计标准，即大坝的防洪标准不达标。出现这种情况的根本原因是水文资料年代久远，洪水信息发生了一定的改变，泄水建筑出现了安全问题，其作用无法实现。

3.2 抗震烈度低

水库大坝的抗震烈度比较低，无法满足现行标准，导致该状况的根本原因是新抗震烈度区划图的要求比较高，水库原地震烈度设计低；原来设计时没有对地震工程情况进行认真分析，经过仔细勘验以后发现大坝的抗震烈度较低。

3.3 大坝结构强度差

大坝的抗滑稳定性和结构强度无法满足现行规定，导致这种情况的根本原因是土石坝坝体的横断面较窄，大坝坡度较陡，坝坡的抗滑稳定性无法满足规定；护坡破损严重，对大坝的安全造成了严重的威胁；大坝基础没有进行彻底清理或者施工质量比较差，导致大坝结构强度差。

3.4 输水及泄洪建筑不安全

输水以及泄洪建筑的稳定性和结构强度无法满足现行的规定，导致这种情况的根本原因是没有合理设计衬砌结构、涵管以及输水隧洞或者在设计时未严格规范，使其出现了漏水、冲蚀、剥离、露筋以及裂缝等问题，从而使建筑物的整体性受到了一定的影响，尤其是坝下预埋的管道出现漏水情况，会使坝体受到侵蚀。泄洪建筑存在的主要问题有失稳、结构出现裂纹、泄槽和溢流面没有进行衬砌等，从而导致冲蚀损坏的情况。

3.5 缺少完善的金属结构和机电设备

水库的机电设备和金属结构已经使用了几十年，已经接近折旧年限或者超过折旧年限，这就使得其锈蚀和老化问题严重，无法实现正常运行，给水库水位安全造成一定的威胁。

3.6 管理设施缺失

水库没有完善的观测系统和水文测报系统，甚至有些小型水库没有观测设备，加之水库的管理设备比较陈旧，防汛道路狭窄，部分水库没有设置专用的防汛通道，导致水库运行管理水平和重量低下。

3.7 渗流不安全

大部分小型水库的坝体和坝基都会出现渗流现象，这一现象产生的主要原因有坝体施工材料质量不合格、坝体单薄，其在长期的水流冲击下导致坝体土料出现裂缝。同时，由于下游坝体的排水棱体设计水平不高，其功能和作用逐渐失效，导致下游坝体浸润线持续增高，从而造成坝体渗漏。

4.水库加固策略

针对上述问题，本文提出详细的加固策略，包括加固大坝、加固坝基、加固溢洪道、加固下游消能防冲设施等，具体进行如下分析：

4.1 加固大坝

大坝的主要类型是单曲拱坝，在进行加固除险时，可以使用以下两种办法：第一，合理加高坝顶位置的非溢流坝体、对溢流堰进行升级改造、对坝体实施灌浆防渗处理以及在大坝顶部设置交通桥等。使用型号为C20的混凝土对非溢流坝的坝顶进行抬高，使其宽度增加3m左右，在坝顶上游和下游位置设置1.2m的不锈钢栏杆；第二，使用“上堵下排”的策略处理拱坝的渗漏问题。对坝体进行灌浆布孔操作，在漏水坝的位置单排布置，孔距保持在2m左右。

4.2 加固坝基

在坝基进行帷幕灌浆防渗处理的时候，使用自坝顶钻孔灌浆的办法，从而实现对基础帷幕的灌浆处理。坝体使用帷幕灌浆的处理办法，所以坝体灌浆轴线一定要与基础帷幕灌浆轴线相吻合，帷幕灌浆主要是借助坝体钻孔灌浆平台来实现，保证坝体防渗与基础防渗的有机融合，进而构成比较封闭的防渗体系。

4.3 加固溢洪道

坝顶无闸控制泄洪表孔的装置是拱坝溢洪道，主要位置在大坝中间，其类型为开敞式，其高度可以达到580多米，宽度可以达到36m 左右，主要的消能结构类型为挑流式，下泄流量最大值可以达到801.00m³/s。认真分析溢洪道易出现的问题，要想有效改善泄流条件，就要重新建设溢洪道的溢流堰，将原来的溢流堰表面拆除，溢洪道的顶部高程保持不变，对其坝顶高程进行合理的加高处理。使用WES幂曲线作为堰面曲线，曲线的下面与反弧段进行连接，在挑流消能的时候，使用挑流鼻坎的策略，从而使下游坝脚的抗冲刷能力得到改善。以坝顶交通桥的设计要求为基础，位于溢洪道顶部桥墩的厚度保持在0.5m左右，水平长度保持在3m左右，其类型为等厚型，出口设置成矩形，进口设置成半圆形。

4.4 加固下游消能防冲设施

大坝主要的消能形式为挑流式，下游河床中碎石块的厚度可以达到5m左右，抗冲刷的能力比较差，与大坝相交位置的主要构成物质为灰岩夹页岩，其中夹页岩的性质较软。由于夹页岩的裂纹发育较好，会被雨水冲刷而导致剪断情况发生，这就会给大坝造成比较严重的危害。要想使下游的抗冲刷问题得到较好的处理，需要先清理大坝内部的杂物和淤泥，将表层覆盖物清理干净，直到漏出基岩面为止，并将基岩面清洗干净。

4.5 加固输水设施

在左岸坝体里面设置输水钢管，其断面为圆形，长度在13m 左右，直径为0.9m，进口处的高程保持在560m左右，使用蝶阀控制输水钢管。输水钢管已经使用了二十多年，出现了严重的生锈问题，受混凝土浇筑质量和钢管生锈问题的制约，使得输水钢管的渗漏问题比较严重。对现场的情况进行认真分析以后，结合资金筹备情况，决定挖掘坝体埋管的出口位置，挖掘的深度为10cm，重新埋设的输水管要与原有的输水管进行良好的焊接，使用闸阀控制输水钢管，并加设闸阀室和一道检修闸阀。

4.6 加固防汛道路

大坝左岸坝肩为水库防汛公路的起点，该公路为村级公路，总长度可达到2000m，路基的宽度可达到5m，没有路面结构。对水库枢纽的主体工程进行认真分析以后，在路基整修时，按照乡级公路的标准执行，路面为泥结石，这样会对抢险防洪起到较好的作用。路面层次从路基开始分别为碾压碎石垫层、水泥稳定层、混凝土路面，使用的混凝土强度为C25型。

4.7 加大工程观测

水库大坝的施工等级为二级，使用人工观测和巡视的办法进行安全监测，工程监测只能及时观测渗流量和水位。使用水尺对上游坝面进行观测；坝体的渗流量即需要观测的渗流量，在下游坝脚集水沟位置设置三角堰，以此实现对水库的坝基渗漏量、坝体以及水库总渗流量的观测。

4.8 增加抗震及稳定能力

水库受到地震灾害以后，会使水库的建筑设施以及水库本身受到严重的损坏，给水库所在地的沙土密实度带来一定的影响，密实度不高的沙土受到地震灾害以后会变得非常松散，使防御洪水灾害的能力降低。如果想要实现较好的处理效果，就要对水库中的沙土进行换填处理，以此改变和提高水库土壤的密实度，也可以对水库的原有沙土进行压实，以此提升密实度，并借鉴过往成功的经验来采取处理措施。水库大坝的坡度比较陡，这样就会使坝坡的稳定性受到一定的影响，因此需要不断提升大坝的稳定性，对大坝的坝坡进行加固处理。认真分析大坝的坝坡以后，采取降低坡度的办法来处理，主要有削坡和培土这两种办法。在实际施工的时候，即使使用的材料具有较好的透水性，也要依据上游和下游的实际情况来选择科学的加固策略。

4.9 加固土石坝

土石坝在受到重力和其他外力的作用下，会出现向外移动和向下移动的走势，这就对坝坡内岩土的抗剪强度提出了更高的要求，如果土石坝可以抵抗外力说明其是稳定的，否则就会出现失稳滑坡等问题。同时，又由于土石坝滑坡受到多种因素的影响，比如雨水渗入、施工方式、施工进度以及地震等，这些不利因素的出现都会引起坝坡内孔隙水压力性质的改变，从而严重降低坝坡的抗剪强度。为此，当坝坡出现滑坡时，需要从以下几个方面做起：（1）对滑坡出现的原因进行全面勘探；（2）进行土工试验，从而确定滑坡产生的原因；（3）制定具有针对性的坝体滑坡加固方案。在通常情况下，土石坝加固需要通过人工填筑坝料完成。

4.10 非工程措施

本项目提出的非工程措施主要有以下几个方面：

（1）建立水库工程管理单位，并保证水库管理人员管理经费和水库的日常养护费用充足，为水库除险加固工作的进行提供资金基础。

（2）建立完善的水库自动化管理机制，随着科学技术的日新月异，水库管理应逐渐向着自动化、智能化方向发展。

（3）完善水库对外通讯设施设备，对外通讯设施设备是水库除险加固工作顺利、有序开展的根本保证。

（4）不断加大对水库管理人员的培训力度，努力提升其自身的业务素质和专业素养，加强计算机技术方面的培训和学习，以此提升水库管理的质量和水平。

（5）建立健全水库日常检查、维修养护以及防汛方案，并认真贯彻落实下去，为水库除险加固工作的开展提供制度保障。

5.结束语

综上所述，该水库是一个兼发电、防洪、养殖为一体的小型水库，水库经过多年的运行后出现了一系列的病害问题，不能充分发挥出发电、防洪等方面的作用。对水库进行除险加固后，水库的安全隐患逐步消失，其设计效益也充分发挥出来，保证了灌区农作物产量的稳定，社会效益显著。同时，希望通过对本文的研究，可以对日后类似水库的除险加固工作带来帮助和借鉴。