小型水库常见病险及除险加固处理技术分析

梁泽文

（中山市水库水电工程管理中心，广东 中山 528400）

小型水库具有防洪、抗旱、供水等多种功能。全国各地分布着众多的小水库，保证生产生活的水资源充足。然而许多小型水库由于建成年代已经久远，受当时设计水准、施工工艺、施工材料的局限性，当前许多在用小型水库存在多样病险，水库的安全运行存在隐患。除险加固是消除水库隐患的有效措施，但在具体实施中要发挥技术的作用。

1 小型水库的常见病险分析

1.1 防洪能力不足

小型水库的作用体现在2个方面：一是可以提高区域内的水资源综合利用效率，发挥灌溉作用服务当地的生产生活；二是具有防洪作用。许多小型水库的建成年代较早。当时针对水库的防洪设计标准不高，例如水库坝顶的设计高度不能满足蓄水的要求，可能会引发洪水漫过坝顶，有发生堤坝崩塌的隐患。 有些水库的放水施工不够完善，导致横断面过流能力难以保证， 溢洪道内部大量黏土积存，水库的放水功能不足[1]。

1.2 抗震能力差

一些地区存在不良地质条件，需要保证小型水库具有一定的抗震能力。许多小型水库由于年久失修，结构部分老化，导致抗震能力低下。如果发生剧烈震动，水库结构会有龟裂、变形、浸水、崩塌等多种问题发生， 给坝基的稳固性带来不利影响。

1.3 坝体结构不稳定

坝体结构不稳定主要表现为堤坝的防滑性与稳定性下降， 堤坝的倾斜面存在变形、崩塌、滑坡等现象。这些问题的发生是由于坝坡过于倾斜，而浸润线过高，大坝的稳固性受到影响。一些坝体的实际承载已超过了材料的最大承载能力。

1.4 坝体发生渗漏

坝体发生泄漏是最常见的问题。坝基、库肩、库体等部位经常会发生漏水现象。 其原因是由于坝基清理不全面，坝基的岩石发生开裂。水坝填充时采用的材料质量不好，难以保证坚固性、渗透性。

1.5 建筑物发生老化

由于水库建成后使用时间较长， 构造物、管道等老化，一些机电设备也发生磨损，易导致崩塌、堵塞、截断、水泄漏等问题的发生， 对水库的安全会有影响[2]。

2 小型病险水库除险加固处理技术

2.1 技术条件分析

某水库的最大坝高断面如图1所示。

图1 主土坝计算简图

2.1.1 填土

针对坝体施工，其所用的填土土料来源于附近山体的坡积土和花岗岩发生风化后的土层，土质为黏土质砂与含有低砂的黏性土。土工试验结果表明，填筑土料的干密度ρd的取值范围为1.59g/cm3～1.73g/cm3，均数1.69g/cm3，质地较为密实；标贯试验成果表明，多填筑土为硬塑与中密，填土的压实强度可以达到设计要求。结合各类土样试验粒径分布曲线，坝体的填土细粒Pc平均水平为49.2%，属于易发生渗透的流土质，计算临界水力比降的公式为Jcr=（Gs-1）×（1-n），可靠系数2.0，经计算，临界水力比降Jcr=0.953，水力比降的计算J允许=0.476。

花岗岩体的填筑土的渗透系数确定。结合注水试验结果K3.75×10-3m/s（取最大限值），室内的试验计算K20=1.56×10-5cm/s （取最大限值）。坝体的填土层属于中等～弱透水性土质。钻孔注水试验多在坝体上部进行且钻孔多在坝项的一侧（不在坝项中部），注水试验渗透系数可能会稍偏大，结合室内试验成果，坝体的填土属于中等～弱透水性。

针对大坝前坡面与后坡面的保护采用了干砌石，分别并在坝前、后坡设计有马道，避免雨水冲刷的影响，以提升坡体的稳定性。大坝坝顶与坝坡未发现有裂缝。

2.1.2 坝基

根据前期资料，主坝土坝段河床冲积层厚16m～18m，上、中、下层分别为含砾-砾质中粗砂、砂卵砾石和含泥砂卵砾石层（本层厚1.5m～3.0m，局部尖灭），渗透性强；右岩滩地冲积层厚25m～28m；上层为砂壤土、壤土、黏土等，渗透性弱；河床和滩地冲积层下为全风化土和强风化岩。

本次针对坝体土料的力学指标复核依据《地质报告》中有关岩土层材料参数建议值。主坝为混凝土防渗心墙，由于没有其防渗墙材料试验的渗透参数，本次复核根据经验选取。各坝段各土层物理力学指标如表 1所示。

表1 主坝（河床段）坝体各土层物理力学参数表

2.1.3 工况的计算

复核计算通过有限元分析，依据二维平面计算渗流的稳定性。通过对土坝各工况进行计算分析。荷载工况分类如下。

工况1：上游蓄水位正常、下游最低水位；工况2：上游高水位、下游高水位。

特殊组合工况如下。工况3：上游洪水位与下游最低水位；工况4：上游防洪高水位骤降至防洪起调水位（骤降所需时间按24h考虑）。

2.1.4 渗流计算结果

主坝典型断面各相应工况的渗流计算流网见图2～图5，渗流量计算结果见表2。

表2 渗流量计算结果汇总表

图2 为荷载基本组合，上游蓄水位正常24m、下游最低水位9.4m； 单宽渗流量0.72（m3/d/m）。采用有限元分析对大坝进行稳定复核计算，以便对其安全稳定状况作出合理评价。

图2 主坝渗流工况1计算流网图

图3为荷载基本组合， 上游高水位31.17m、下游高水位21.84m，单宽渗流量1.48（m3/d/m）。根据该工况，采用有限元边坡计算可以得出此工况下的坝坡的稳定安全系数及渗流量。

图3 主坝渗流工况2计算流网图

图4为特殊荷载组合，上游洪水位33.17m与下游最低水位25.65m； 单宽渗流量1.81（m3/d/m）。复核计算通过有限元分析，根据二维平面计算渗流的稳定性。

图4 主坝渗流工况3计算流网图

图5为荷载特殊组合，上游防洪高水位31.17m骤降至防洪起调水位18m（骤降所需时间按24h考虑），下游低水位25.56m骤降到18m， 单宽渗流量1.11（m3/d/m）。

图5 主坝渗流工况4骤降过程计算浸润线

对渗流计算结果进行分析，主坝的渗流分析结论如下：1）主坝塑性混凝土墙进入弱透水层——全风化层，各种工况下等水头线在塑性混凝土区域集中，水头骤减，表明大坝采用混凝土防渗墙的防渗措施（防渗墙底部插入风化花岗岩，防渗墙顶部插入坝体，顶部达到26.0m高程，已超过水库正常水位24.0m。）起到了良好的防渗、截渗效果。由于渗流场在塑性混凝土区域以下的水头降低很低，已基本与大坝下游坝区地下水位一致[3]。2）土坝段计算单宽渗漏量均很小，说明坝体（堤身）防渗效果不足。3）经现场检查，主土坝背水坡无出现牛皮涨现象，排水体运行存在隐患。

2.2 小型水库加固措施

针对老旧小型水库，对坝面进行处理先要对坝体的稳定性加以综合评价。许多坝体经过稳定复核，说明难以满足大流量时保证坝体可靠性的要求，其主要原因是坝体的排水效果不好，导致浸润线抬高；坝体碾压后长期使用后发生开裂，坝体部位存在渗漏通道，坝体会受到渗透而破坏，坝体的稳定性受到了影响。发生渗漏后，坝体的稳定性会受到直接的影响。因此需要解决渗漏问题，保证坝体的稳定性。一些坝体的设计坡度过大，当时使用的筑坝材料力学指标没有长久使用要求，因此要解决渗漏问题，就要对坝体进行培厚处理。也可以在坝脚处增加压重平台。对坝体的培厚处理要考虑到工艺特点。特别是对新老坝体的接触面要保证处理效果，常用的表面处理方法包括刨毛、铺筑、碾压。

除险加固的实施中，要考虑到扩建溢洪道的影响，还要考虑到新建隧洞的方便，不能影响到开挖施工。高边坡的处理要综合分析。高边坡的地质条件较为复杂，存在许多引发滑坡的诱因。为了有效防治滑坡灾害，该工程在加固中采用了多种体现出实用价值的施工方法：①抗滑桩的应用是进行治理滑坡的有效措施。动面倾角如果较为缓和，抗滑桩的使用可以保证效果。②沉井作为一类有效的混凝土框架结构，通常采用分段下沉的方式，它应用于滑坡治理中体现出挡土墙的作用，应用于滑坡的治理体现出实用效果。③混凝土框架可以应用于护坡治理，具有结构轻、节省材料、施工简单、适用范围广且易于方便等优势，可以为滑坡体的表层处理提供保证，可以控制地表水对坡体产生的影响，避免发生渗透，还能避免坡体的过早风化，能保护坡体，防止坡体下滑。框架护坡可以与其他措施联合使用。④ 滑坡的治理可以采用建立混凝土挡墙的方式。这一方法的应用能改变坡体的受力条件，可以有效控制滑坡体发生变形。⑤加固边坡也可以选择预应力锚索，这种方法也比较常用。其特点是不会破坏岩体，也不会影响到坡体，具有工艺简单，方法灵活等特点，能确保坡体的受力条件平稳，提高了坡面岩体的抗压强度。 ⑥ 对于岩性较好的病险部位，施工采用锚杆和喷混凝土的方式可以有效保护坡面。在技术条件能保证的前提下，针对滑坡的防治可优先选择减载与压坡。高边坡的治理可以有多种方法。加固方式的选择要结合病险水库的实际，科学合理的选择，保证方案可行、投资造价较低、效果明显[4]。

在灌浆施工前，对裂缝先要加以预处理。混凝土构件如果存在较细（0.3mm以下）的裂缝，要保证彻底清除裂缝表面存在的灰尘、浮渣等。然后使用有机溶剂将缝隙两侧20mm～30mm内清洗干净，干燥后加以处理。混凝土构件如果存在较宽的裂缝（大于0.3mm）需要沿着裂缝开出“V”形槽，先沿裂缝挖出，然后再向两侧加以扩展，清除碎屑、粉尘加以修补。

黏性土质给工程地基的处理带来了多方面的不利条件。该类土质由于孔隙较大，压缩性也比较高，如果地基处理不好会导致建筑物发生较大幅度的沉降，在发生沉降时还会分层，存在不均匀沉降，这会导致建筑物发生大面积的开裂，可靠性难以得到保证。此外，软土基本身的含水量就比较多，透水性较弱，抗剪强度比较低，地基的稳固性会受到影响，由于抗剪强度减弱，也会影响到工程的质量。该类软土基还具有较高的灵敏度，在水利工程施工时，如果地基软黏土还没有发生破坏时，它自身还具有较强的抗剪强度，但是如果发生破坏，强度会同时下降，因此在施工中要考虑到软土基存在的不利影响。

土坝坝体的散浸或集中渗漏较为普遍。这种隐患过去多采用在迎水面铺筑黏土斜墙贴坡，坝后修建排水体，前堵后排。由于须放空水库、工期长、花工时多，所用黏土料也多。但这种方法多数治不好病且迎水面容易造成滑坡，而现在运用坝身帷幕灌浆，劈裂式或充填式，灌注纯黏土浆或掺少量的水泥，效果十分显著。而且可以不放空库水施工。土工薄膜防渗在土坝整治中具有防渗效果好、质量轻、运输方便、施工简单、造价不高等优点。只要使用得当，在绝大多数情况下，完全可以替代传统的防渗材料。特别是在土坝防渗整治中，如果施工时能放空库水，那么选择在土坝上游坝面铺设土工薄膜整治坝体渗漏则是一种较好的方法。

3 结语

小型水库在长期使用后会有多种病险。针对常见病险，要有可靠的除险加固措施，明确施工要点，保证方法的科学合理性，为小型水库的可靠运行创造基础条件。