水库大坝除险加固工程设计探究

刘典鹏

（莱州市水利工程建设养护中心，山东 莱州 261400）

1 水库大坝渗漏原因分析

通过地质勘查与现场采样等方式，对水库大坝在运行中出现的渗漏现象原因进行分析，总结包括下述两个方面。

第一点原因是水库大坝的面板层发生变形。采用压力推算法，对大坝整体结构进行分析，发现上游地区中的坝体与坝坡砌石结构已由于长年受到冲击发生了严重的损坏，下游地区的坝体与坝坡由于植被与草皮缺失，遭受到雨水冲刷现象较为严重，整体结构发生变形，已无法满足水库大坝防渗需求。

第二点原因是水库大坝工程中的接缝止水结构发生损坏。止水结构层受到外界环境的侵蚀与干扰，已出现了严重的破损，针对此种问题不采取措施进行及时处理与解决，最终会造成水库大坝止水结构失效，最终使大坝发生泄洪、失稳等运行风险[3]。因此，要实现对大坝结构的稳定化处理，应当及时进行坝体、坝坡、坝基的检查与维修，定位损伤点，对其进行加固与防渗漏处理。

2 水库大坝除险加固工程设计

2.1 大坝病害探测与检查

针对水库大坝的渗漏问题，为了防止影响范围的进一步扩大，需要在最快时间内完成对其除险加固工作。为了查明渗漏问题的具体原因，确保工程施工时具备客观的依据，首先需要完成对水库大坝病害的探测和检查。在探测的过程中，引入地球物理高新技术，主要探测区域为水库大坝输水涵洞渗漏情况、范围及通道；水库大坝坝体溢洪道渗漏情况、范围及通道；坝体有无内部损伤问题，损伤程度以及可能引发的安全事故的隐患[4]。在探测的过程中，采用高精度探底雷达装置，通过宽频带短脉冲的形式，由天线发射装置发送到地下，并经过地下目的体反射到地层表面，通过天线接收装置接收，根据这一过程中产生的信号信息完成对大坝病害的探测。由于水库大坝含水区域与周围介质之间存在差异较大的电磁性，因此可以通过这一特点，对大坝具体渗漏范围进行探测，在对上述雷达装置的天线进行选择时，通常选用100MHz型号和500MHz型号两种，根据不同探测需要对其进行合理选择。表1为两种型号天线参数对应表。

表1 两种型号雷达装置天线参数对应表

根据表1中的内容对雷达装置天线进行合理选择，并根据上述论述完成对大坝病害的探测与检查。除上述内容以外，在探测的过程中，还可以引入单点投射探测方法，在大坝一侧安装检波装置，在大坝的另一侧设置多个激振点，通过人为的方式控制激振点产生振动，并利用检波装置对波的信息进行获取，针对波在介质当中的传播速度、振动特性等完成对坝体各个测点位置局部范围内的密实度检查，并以此实现对坝体胶结质量的检查。

2.2 坝体与坝基防渗处理

按照上述论述内容，完成对大坝病害的探测与检查后，结合水库大坝的稳定结构特征，对其坝体与坝基进行防渗处理[5]。图1为水库大坝稳定结构示意图。

图1 水库大坝稳定结构示意图

在明确图1水库大坝稳定结构的基础上，采用防渗轴线选择和防渗边界确定的方式，实现对坝体和坝基的防渗处理。水库大坝的防渗范围包括坝体、坝基以及两坝肩结构。防渗过程中，采用垂直防渗方案，将防渗轴线设置在原坝土的轴线附近。同时，为了能够实现对原有坝土、坝体等结构的利用，将其作为工程施工的平台，以此减少了对施工平台开挖的步骤，节省大量人力和物力。为了达到预期理想防渗效果，选择将原坝体的轴线作为防渗轴线[6]。根据水库大坝的特点，在确定渗漏边界时，可选择将水库大坝正常情况下的蓄水位与地下水位线延长交点作为边界点，通过对渗流量的计算，确定其边界设定是否满足渗透变形的要求。若满足，则继续完成下一步工程施工操作，若不满足则需要将防渗底界作为底，继续向下延伸5m~10m，重新选定边界点。结合水库大坝原有坝土的土地特征和地基特点，确定防渗处理的具体方案为：

坝体结构采用混凝土防渗薄墙，将其深度控制在30m以内，将混凝土防渗墙的厚度控制在40cm以内。针对坝体以下的坝基位置，可以直接采用常规的帷幕灌浆的方式进行防渗处理，设置单排孔布孔结构，每两个相邻钻孔的间隔为2m，按照常规方式完成水泥灌浆操作[7]。在实际灌浆施工过程中，若渗漏现象严重，则针对严重位置的灌浆需要采用填充式灌浆处理方法，并布设双排孔结构，将排距设置为1.0m，将相邻钻孔之间的距离设置为1.5m，将最大灌浆孔的深度设置为35m，以此完成对坝体和坝基的灌浆操作，实现防渗处理。

2.3 溢洪道与输水隧洞加固

渗漏通道的产生是由于在以往水库大坝除险加固过程中布置溢洪道时的渗漏问题没有得到彻底解决，最终在坝体上形成了一个集中的渗漏通道。在渗漏通道当中渗漏量通常能够达到0.50L/S以上，若不对其进行及时处理，则会造成肩坝发生沼泽化，严重影响水库大坝的正常运行[8]。因此，针对这一问题，还需要对溢洪道进行加固处理。图2为水库大坝溢洪道加固结构示意图。

图2 水库大坝溢洪道加固结构示意图

图2 中，1为水库大坝溢洪道；2为注浆管；3为水库大坝两侧边坡内的注浆板结构；4为周围坝土。将溢洪道设置在渗漏严重的肩坝，在完成对溢洪道的开挖后，用75#浆砌石衬砌，进行挑流效能设计，并在出口位置上设置消能设施。同时，在原有溢洪道的基础上，采用等宽矩形下挖式消力池设计方案，以此能够进一步降低工程的施工量。针对出口尾渠的设计，在出口跌水段采用与消力池轴线相互垂直的布设方式，并将下泄流量控制在5.5m3/s~6.5m3/s范围内，将单宽下泄流量设置在1.052m3/s·m以下。针对溢洪道的出口，采用跌水效能的方式与河道直接连接，以此减少对河道的破坏，从而确保河道能够正常运行。

在完成对溢洪道的加固处理后，还需要对输水隧洞进行加固，以此确保下游农田灌溉具有充足的用水条件。根据水库大坝所在位置的地形以及地质条件，综合完成对输水隧洞的布置。针对输水隧洞的出口消能采用消力池布置方式，并同时增加开挖的工程量以及衬砌的工程量。除此之外，输水隧洞当中还细化分为有压洞段、无压洞段，前者的轴力通常设置在200KN以上，后者的轴力通常设置为80KN。综合上述论述，完成对输水隧洞的加固处理。

3 工程加固效果分析

为了证明本文设计的工程在应用中可以满足应用效果，并能起到加固作用，下述将选择某地区功能性水库大坝作为此次研究的实验工程。所选的水库大坝位于该地区村镇，该水库主要由溢洪道、大坝与输水洞构成，对该地区水库展开地质勘察，进行水库大坝基础工程信息的获取，具体内容见下表2：

表2 水库大坝基础工程信息

此水库在地区内的主要作用包括防洪、灌溉、确保下游耕地安全、辅助渔业生产等，同时，也可以对地区经济建设发展中的供电工程、畜牧业与农业等养殖业工程提供帮助。此项目工程在2017年正式投入建设并开工，并在2018年完成建设正式投入市场使用。但此水库大坝工程在实际投入使用后，已经在去年出现了安全隐患，为了保证此项目工程可以继续为地区群众生活造福，或避免此工程项目长久失修对大坝下游地区居住群体或农业耕地建设造成威胁，需要采取措施对此工程项目进行除险加固设计。完成设计后，要求此水库大坝在投入使用后的总库存容量只可增不可减，同时要求此水库兼具其早期功能。

建设施工中，按照上文提出的步骤，先进行水库大坝中现有裂缝点、病害点的检查，有必要时可调派技术人员到现场使用辅助性仪器设备进行损伤点探测。掌握水库大坝的故障点后，对水库中的坝体与坝基进行基础防渗加固处理，在此基础上，对水库中的输水隧洞与溢洪道进行稳定加固。完成对此工程项目的设计施工后，将其投入地区进行试运行，并设定上游堤坝与下游堤坝的多种不同工况，通过此种方式，掌握水库大坝在实际应用中的洪水位线（预警水位线/最高水位线）最低水位线。

了解实验相关参数后，对上游堤坝与下游堤坝的安全系数进行评估，从地震工况、设计洪水位线工况、正常蓄水水位线工况、水位骤降工况多个工况条件进行水库大坝稳定性的评估，确保不同工况条件下水库大坝均具有抵御能力后，正式将其投入地区使用。记录设计的水库大坝工程在使用后6个月内的渗漏量，设计一个针对此水库大坝安全运行的渗漏阈值（根据最高水位线与最低水位线设计大坝最高渗漏量），当记录的大坝渗漏量<最高渗漏量时，证明本文设计工程的防渗加固效果良好，反之，当记录的大坝渗漏量>最高渗漏量时，证明本文设计工程的防渗加固效果没有达到预期，需要进行工程的回收与整改优化。按照上述设计的内容进行实验，完成实验后，将不同月份的记录结果绘制成折线图（折线图中标注设计的最高渗漏量数值），对应结果见下图3。

图3 水库大坝试运行渗漏量记录结果

从上文实验结果可以看出，在为期6个月的实验周期内，水库大坝的坝渗漏量完全小于最高渗漏量，证明此次设计的工程可以在地区内起到较好的防渗加固效果。

4 结语

为了发挥水库大坝在地区经济建设中的更高作用，本文对此类工程的除险加固设计展开了设计研究。在此基础上，为了证明本文设计的工程在应用中可以满足应用效果，选择试点工程对设计的成果进行检验，检验后通过对实验结果数据的解析得出结论：在为期6个月的实验周期内，水库大坝的渗漏量完全小于最高渗漏量，说明了此次设计可以对原有的水库大坝工程起到优化作用。但此次设计成果也存在一定局限性，例如，没有选择参照工程作为对比，没有对水库的防洪功能与发电功能进行检验。因此，可将提出的疑点作为后续设计工作的研究重点，进一步从多个角度进行工程使用中的功能与性能的优化，以此种方式，实现对地区经济发展、城市化建设提供助推力量。