病险山塘群分类加固整治设计方案探究

罗仁斌

（福建省永川水利水电勘测设计院有限公司韶关分公司，广东 韶关 512000）

1 引言

山塘作为一种常规挡、泄水建筑物，其库容一般小于10万m3，由大坝、溢洪道、输水涵管等主要建筑物组成［1］。山塘承担着区域内的农田灌溉、环境改善和人居消防等多重功能，对当地群众生产生活十分重要。 广东省韶关乳源瑶族自治县目前存在病险山塘多宗，其建设年代久远，建设技术落后，大部分山塘运行至今已存在不同程度的安全隐患 （如图1），主要表现为：①上游坝坡年久失修，坡面不平整且坡比过陡，存在局部塌陷、渗漏现象；②下游坡面土体裸露，杂草丛生，局部存在较大面积的跌窝、冲刷坑现象，水土流失严重，且缺少系统的排水导流设施；③现状坝顶宽度较小且多为土坝路面，雨天坝顶道路泥泞难行；④输水涵管老化、漏水严重，部分涵管出口长度不足，且无消能设施，导致下游存在多处冲坑； ⑤现状溢洪道宽度不满足泄洪要求，缺少系统的溢洪设施。 为消除山塘安全隐患，保证山塘持续发挥工程效益，亟需对病险山塘进行专项除险加固治理。

图1 典型山塘现状

2 概况

2.1 水文气象

广东省韶关乳源瑶族自治县水资源丰富， 水系分散，全县水力资源理论蕴藏量达56.25万kW。 县域内河流众多，主要河流共有8条。 工程所在地属中亚热带季风气候，光、热、雨资源丰富，年平均日照时数为1499.7h， 年 平 均 气 温19.6 ℃， 年 均 降 雨 量1565.62mm，无霜期300d，多年平均最大风速14.8m/s，瞬时最大风速22m/s。

2.2 地质条件

工程区域位于华南台地粤湘褶皱带的西南端，区域构造分区被划在东南沿海断裂褶皱带的西南端，主要构造线走向为北东—南西向，燕山期断裂和褶皱构成了本区地质构造的主体， 新生代的红色断凹盆地零星分布在早期构造之上。 工程区抗震设防烈度为6度，地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱周期值为0.35s。 坝址区地层岩性主要为土坝坝体填筑土（Qs）、第四系坡积层（Qdl）及下伏基岩。 土坝主要由两岸山坡坡积含砾粉质黏土（硬塑～可塑）填筑而成，土质稍密～中密，局部较密实，压实度相对较均匀，填筑质量一般，渗透性属弱透水。 坝基为第四系坡积层（Qdl）含砾粉质黏土（棕色、黄褐色，硬塑～可塑），其压缩性中等，透水性属弱透水。

3 加固设计方案

3.1 工程设计标准

工程区域内现状多宗山塘大坝的挡水高度均低于15m，且上下游最大水头差均小于10m。 整治加固标准参照小（2）型水库平原区、滨海区的防洪标准，即设计标准为10年一遇，校核标准为20年一遇。溢洪道防洪标准与大坝一致， 消能防冲设施防洪标准为10年一遇， 施工洪水标准为枯水期5年一遇。 根据SL252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》［2］相关技术条款，主要建筑物级别确定为5级，次要建筑物级别为5级。

3.2 工程加固总体布置

该工程多宗山塘需要除险加固，工程任务为保证下游农田灌溉功能正常发挥。 在对山塘现状问题系统分析基础上，提出针对性的工程措施：①对坝面凹凸不平、杂草丛生的大坝进行修整处理；②对现状大坝迎水坡为土坡的， 设计新建C20混凝土护坡或C20混凝土挡墙；现状迎水坡为混凝土挡墙，且较为完好的，只需进行贴面处理，同时坝顶新建泥结石路面和两侧路缘石，背水坡撒播草籽、新建贴坡排水或C20挡墙，坝后设置排水沟；③重建或新建溢洪道、交通桥或人行桥；④重建或新建梯级输水涵管、底涵。

3.3 大坝加固方案

针对不同大坝实际情况，实施分类加固整治方案。

（1）方案1。 现状大坝坝高较矮，且坝体单薄、迎水坡坡度较陡时， 采用迎水坡培厚、 新建挡土墙方案，同时坝顶铺设泥结石路面及新建C20现浇混凝土路缘石；背水坡陡于1∶1.5的按坡度1∶1.5进行修坡，缓于1∶1.5的按原坡度进行修坡，并撒播草籽，采用干砌块石护坡或新建挡墙（图2）。该方案加固措施整体性好、美观，且日常维护方便，施工较容易。

图2 方案1加固断面图

（2）方案2。 当现状大坝迎水坡修建有挡墙，且结构较完好时，仅需对该迎水坡挡墙进行贴面处理即可，坝顶及背水坡处理同方案1（图3）。 该方案在原大坝基础上进行修复，对坝体扰动较小，可减少工程投资。

（3）方案3。当现状大坝坝高较高，且迎水坡坡度较缓时，采用迎水坡培厚、新建混凝土护坡，以及坡脚设固脚方案（图4），该方案可有效保护水库坡面免受水面直冲，且可减小渗流，保证坝体安全。 坝顶及背水坡处理同方案1。

3.4 溢洪道加固方案

大部分山塘溢洪道是在原山坡开挖成明槽予以泄洪，其结构简陋，且进水条件较差，部分山塘甚至没有设置溢洪道。 经长期运行，溢洪道受冲刷损毁严重。 同时，溢洪道泄洪能力不足，堰顶高程与坝顶高程的高差偏小，遇到特大暴雨时，山塘最高水位几近溢顶，严重影响大坝的运行安全。 因此，该工程针对无溢洪道的山塘进行溢洪道新建，对现状溢洪道已损坏或过流能力不足的进行溢洪道重建和维修。

新建或重建溢洪道由溢流段、陡槽段、消力池、出水渠道4部分组成（典型断面如图5）。其中，溢流段侧墙采用C20混凝土重力式挡墙结构， 底板采用30cm厚C20混凝土， 对于有通行要求的溢洪道考虑新增桥板；陡槽段侧墙采用C20混凝土重力式挡墙结构，底板采用20cm厚C20混凝土，底板下铺设10cm厚碎石、砂混合垫层；消力池侧墙采用C20混凝土重力式挡墙结构，底板铺设30cm厚C20混凝土，且底板下设置垫层；出水渠道侧墙采用C20混凝土重力式挡墙结构，底板采用20cm厚C20混凝土结构。

图5 溢洪道典型断面图

3.5 输水涵管加固方案

现状山塘输水涵管大多以坝下埋管输水方式为主，结构上多为石砌涵管（涵洞）、炼瓦管、陶土管、篾笼管、木涵管等，其质量差、隐患多，且多已破裂漏水。同时，涵管与坝体接触不佳，导致管周渗水；且管身多置于软土上， 极易导致坝体不均匀沉陷而酿成事故。根据现状山塘具体情况，现状山塘无输水涵管的需新建输水涵管；现状山塘已建有输水涵管，但输水涵管进水口破损严重， 且底涵堵塞或过流能力不足的，需重建输水涵管；现状山塘输水涵管完好可继续使用的，无需改造，维持现状即可。据统计，约40宗山塘需采用破坝开挖方式， 输水底涵采用预制钢筋混凝土Ⅱ级承插管；其余3宗水库采用虹吸式输水涵管，涵管采用DN400压力钢管。 对于迎水坡新建挡墙或贴面的山塘， 将输水涵管紧贴挡墙并布置为一个整体；引水陂新建混凝土护坡的山塘，将斜涵沿迎水坡布置。

3.6 白蚁防治方案

山塘管理机构应设有固定的防治人员， 开展白蚁危害的防治工作，防治工作应坚持“以防为主、防治结合、因地制宜、综合治理”的方针，坚持“平常查找、及时灭杀、隐患处理相结合”的原则，防治范围包括坝区管理范围及四周环境［3］。 水库管理部门每年应编制年度防治计划，做好普查、防治和处理隐患工作，并建立防治工作档案，不断总结经验，提高防治效果。

4 山塘大坝稳定计算

4.1 渗流稳定计算

根据已有的工程地质勘探和土工试验结果，对具有代表性的大坝加固典型断面进行渗流及稳定计算。所选典型断面为土体物理力学指标值相对较差、大坝较高，代表性较好的断面。 计算工况包括：①山塘水位处于正常蓄水位的稳定渗流； ②山塘水位处于设计洪水位的稳定渗流； ③山塘水位处于水位骤降期的不稳定渗流。 渗流计算采用土石坝二维渗流计算分析软件， 该程序适用于不规则边界的各向异性渗流场，能有效解决土石坝的复杂渗流问题。程序的求解方法是基于三角形单元的有限元法， 用改进平方根法直接求解线性代数方程组。 渗流量计算采用以下有限元分析基本公式：

式中 ［K］为透水系数矩阵；{H}为总水头向量；{M}为单元储水量矩阵；t为时间；{Q}为流量向量。 加固后，各工况下坝体计算坡降值及渗流量如表1。 由结果可见，坝身在各工况下均不会产生渗流破坏。

表1 背水坡渗流出口比降计算成果

4.2 抗滑稳定计算

选取具有代表性的山塘作为典型断面， 以此进行大坝抗滑稳定计算。计算工况为：①正常蓄水位稳定渗流期的背水坡； ②设计洪水位稳定渗流期的背水坡； ③山塘水位处于水位骤降期的迎水坡。 根据SL2574—2020《碾压式土石坝设计规范》，抗滑稳定采用瑞典圆弧滑动法计算， 抗滑稳定安全系数采用有效应力法计算。根据规范要求，对5级土石坝，坝体抗滑稳定安全系数为：正常运用条件K=1.15，非常运用条件K=1.05［5］。计算结果如表2，结果表明大坝上下游坝坡抗滑稳定安全系数大于规范要求， 坝体无滑动风险。

表2 山塘大坝抗滑稳定计算成果

4.3 附属挡土墙结构稳定计算

选取韶关乳源瑶族自治县山塘大坝迎水坡新建C20混凝土挡墙（挡墙顶高程为547.50m，挡墙总高4.5m，顶宽0.5m，底宽2.8m，迎水侧坡度为1∶0.4，背水侧垂直），以及韶关乳源瑶族自治县山塘大坝背水坡新建C20混凝土挡墙（挡墙顶高程为90.50m，挡墙总高2.0m，顶宽0.4m，底宽1.6m，墙前垂直，墙后坡度为1∶0.4）作为典型计算断面。作用于挡土墙的主要荷载有自重、土压力、静水压力、扬压力（包括浮托力、渗透压力）和其他荷载等。结合本工程的地质报告中的相关地质参数，工程区域地质构造稳定，地震基本烈度小于等于6度，故不考虑地震工况。计算成果表明，迎水坡、背水坡挡土墙在各种工况下，挡土墙抗滑、抗倾覆稳定安全系数均大于规范规定值， 满足规范要求；其基底最大应力均小于修正后地基承载力，地基承载力满足设计要求， 且基底应力不均匀系数亦满足规范要求。

5 结语

（1）病险山塘除险加固事关当地群众生产生活，也是经济建设的必然选择。 结合广东省病险山塘除险加固工程实际，在分析已有基础资料的基础上，针对现状山塘存在问题进行了系统梳理和整体加固方案布置。 重点对山塘主要建筑物（大坝、溢洪道和输水涵管等）进行了针对性的分类加固治理，并对大坝渗流稳定、 抗滑稳定和附属挡土墙的结构稳定进行了计算，结果表明相关计算均满足规范要求，大坝整体结构偏安全。

（2）针对广东省病险山塘的实际情况进行分类整治，实践表明，工程实施后可增加山塘的蓄水能力，有效改善当地农田的灌溉条件， 并具备一定的生态和防洪效益，可有效保障当地人民的生命财产安全。