小型水库除险加固设计方案分析

张 娟

(韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 韶关 512000)

1 问题的提出

水库安全事关人民群众生命财产安全和公共安全。加快病险水库除险加固，消除大坝安全隐患，是深化水库管理体制改革，健全长效运行管护机制，保障水库安全运行和效益发挥的有效措施[1]。遥田水库位于广东省新丰县遥田镇联丰村境内，距县城约60km。该水库始建于1976年，运行至今已近46年，是一座以灌溉、供水为主，兼顾防洪、发电的小(1)型水利水电工程。水库设计灌溉面积5362亩，供水人口规模为19380人，电站装机容量为435kW。水库投产运行后，在防洪减灾、乡镇供水、农业灌溉、水力发电以及水生态保护等方面都发挥了积极作用。由于近年来暴雨等极端天气加剧，洪水灾害频繁，导致水库电站多次被淹，对枢纽安全运行产生不利影响。2018年遥田水库大坝安全类别评为三类坝。为保证水库防洪兴利效益的正常、稳定发挥，有效保障当地农业用水需求，亟需对水库开展除险加固设计。本文结合遥田水库除险加固实际，对小型水库的加固要点进行分析和探讨。

2 工程概况及存在问题

2.1 工程概况

遥田水库主要由大坝、溢洪道、输水建筑物和下游二级电站等组成，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级；水库设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为500年一遇，消能防冲洪水标准为20年一遇，施工洪水标准为枯水期5年一遇，抗震设防烈度为Ⅵ度。水库调洪演算成果见表1。

表1 遥田水库调洪演算成果表

2.2 存在问题

水库安全评价结果显示，枢纽工程存在以下问题。

(1)大坝：①遥田水库大坝现状为均质土坝，坝顶宽度为4.25m，不满足相关规范要求；大坝上下游坝坡坡度较陡，经复核计算，坝坡稳定安全系数不满足规范要求。②大坝上游干砌石护坡腐蚀风化严重，护坡质量较差，基本不能防止波浪及雨水淘刷，影响坝坡安全；因坝体土料遭冲刷流失，下游坝坡排水沟内部淤积且杂草丛生，其排水功能无法正常发挥(如图1所示)。③根据相关地质勘察报告，坝体填筑质量较差，土体整体呈松散—稍密实，压实度不均匀，渗透系数不满足SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》[2]规定的数值。结合现场调查分析，坝基无严重的集中渗漏及渗透稳定问题，但存在坝基绕渗问题，对坝体稳定不利。④经计算，大坝坝肩下游浸润线的最高溢出点高于下游坝坡排水棱体顶高程，且大坝两侧坝肩未设排水棱体，不满足设计规范要求。⑤上、下游坝坡均发现多处蚂蚁筑巢现象。

(2)溢洪道：现状溢洪道底板与侧墙均置于强风化花岗岩上，缺乏排水措施，且侧墙墙身腐蚀风化严重。

(3)输水隧洞：①输水隧洞洞身混凝土老化开裂、渗漏较严重，裂缝宽度不满足规范要求。②现有输水隧洞出水口浆砌石结构存在裂缝，且下游输水明渠段出水口基础及消能设施已被山洪冲毁，强风化花岗岩已出露，影响大坝排水棱体的安全稳定和大坝的正常运行。③输水隧洞进水口拦污栅破烂、锈迹严重，斜拉闸门传动杆有生锈、防锈漆脱落现象。

(4)安全监测：未设置大坝变形、位移及测压管观测设施，无法及时监测大坝的安全性态。

3 除险加固设计方案

针对水库的上述问题，拟在原址开展水库除险加固工作。加固工作应在消除水库枢纽病、险情的前提下，充分利用现有建筑物，尽可能地降低工程造价。除险加固工程内容主要为：①对大坝坝体和坝基进行防渗处理，并整修上游护坡、排水棱体和进行白蚁防治；②溢洪道整修；③右坝废弃输水涵封堵；④左侧输水隧洞加固；⑤完善安全监测设施等。

3.1 大坝加固

结合遥田水库大坝存在的问题，采取的针对性加固措施有：①对大坝进行防渗处理；②清除原干砌石护坡后现浇120mm厚C20砼面板护坡，护坡块尺寸为4m×4m，块上设排水孔；③上游坝脚新建阻滑墙，并利用清表干砌石压脚；④下游坝坡排水棱体拆除表层风化干砌石，并培厚干砌石2m；⑤对下游坝坡进行白蚁防治。

3.1.1坝体防渗方案比选

大坝加固的核心问题为坝体防渗。防渗墙的厚度应满足抗渗及耐久性要求，在渗透压力作用下，其耐久性主要取决于机械力侵蚀和化学溶蚀作用。由于2种侵蚀破坏作用都与水力坡降密切相关，因此防渗墙的厚度应根据其允许的水力梯度和承受的最大水头以下式计算：

B=H/Jp=45/80=0.56m

(1)

式中，H—防渗墙承受的最大水头，m；Jp—防渗墙的允许水力梯度(通常取Jp=80～100)。

防渗墙的厚度亦应考虑便于施工。对于冲击钻造孔其墙厚不小于0.6m，对于液压抓斗其墙厚不小于0.5m。参考已建的类似工程，防渗墙厚度最终确定为0.6m。结合地质钻探资料，大坝地基岩土层自上而下依次为第四系残坡积层、强风化花岗岩、弱风化花岗岩。由于防渗墙的深度应穿过强风化岩层，并深入弱风化花岗岩1m，故防渗墙的最大深度确定为45m。

防渗墙宽度和深度确定后，对以下3种防渗方案进行比较：方案一(塑性砼防渗墙方案)，墙厚0.6m；方案二(普通砼防渗墙方案)，墙厚0.6m；方案三(坝体劈裂灌浆+坝基帷幕灌浆方案)，劈裂灌浆与帷幕灌浆共用一孔，灌浆孔双排布置，其排距1m、孔距2.5m，以梅花形布置。不同方案比选见表2。由于大坝存在的主要问题是坝体浸润线较高，以及下游坝坡、渗流不稳定，因此大坝加固的关键就在于降低坝体浸润线，确保下游坝坡渗流、稳定满足规范要求。经过方案的技术、经济比选，并结合工程实际特点，坝体防渗方案选择方案一(塑性砼防渗墙方案)。

表2 遥田水库坝体防渗方案比选表

在塑性混凝土防渗墙配合比的选择上，应尽量使防渗墙的变形模量和应力应变关系调整至与周围土层较接近，方可保证其无论在何种荷载作用下，其应力较小且变形均匀，从而提高防渗墙的安全度。塑性混凝土的主要技术指标为：抗压强度R28=1.0～5.0MP；弹模≤200MPa；渗透系数：K≤10-7cm/s；渗透破坏比降≥300；坍落度为180～220mm；扩散度为350～400mm；模强比为200～500；水胶比0.85～1.20。

3.1.2大坝渗流稳定计算

坝体防渗方案确定后，大坝渗流稳定分析典型计算断面如图2所示。采用渗流有限元分析法进行计算，分析工况主要包括4种：①上游正常蓄水位(234.70m)与相应的下游水位(195.40m)；②上游设计洪水位(236.75m)与相应的下游水位(195.40m)；③上游校核洪水位(237.38m)与相应的下游水位(195.40m)；④上游库水位由正常蓄水位(234.70m)降落至1/3坝高(218.74m)。渗流计算结果如表3。结果表明，大坝在各工况下浸润线逸出点高程均低于排水棱体顶高程，能有效地防止坝坡发生冻胀破坏和渗透变形。

图2 大坝渗流计算模型图

表3 大坝渗流计算成果表

3.1.3坝坡稳定计算

坝坡稳定计算断面亦如图2所示。对于土坝，其坝坡稳定计算参数根据地质勘察报告中的土工试验成果并参考类似工程确定，反滤体的物理力学指标根据相应规范并结合同类工程经验值确定[3]。坝体土样抗剪参数通过饱和慢剪试验获得，凝聚力、内摩擦角均取为地勘建议值。由于大坝为均质土坝，故选择计及条块间作用力的简化Bishop法计算坝坡的圆弧滑动稳定[4]。分析工况同上述渗流稳定工况，稳定计算成果见表4。结果表明，各工况下坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

表4 坝坡稳定计算成果表

3.1.4白蚁防治设计

由于大坝运行年限较长，存在白蚁隐患。根据广东省水利厅颁布的DB44/T 2282—2021《水利工程白蚁防治技术规范》相关要求，堤坝工程扩建或除险加固时必须对原堤坝内的白蚁隐患进行全面的检查和彻底处理。结合水库大坝蚁害实际情况，设计拟采用水利部推广的“找标杀、找标灌、找杀(防)”措施(共3个环节、9道工序)，即通过找准白蚁经常出现的位置并诱杀白蚁，同时对蚁穴进行回填粘土和灌浆处理，不仅可根治白蚁危害，同时灌实后还可加固大坝，确保水库安全运行。

3.2 溢洪道加固

针对溢洪道存在的现状问题，在满足结构、稳定要求的前提下，拟对挡墙进行修复，即凿除原表层水泥砂浆后采用M12.5水泥砂浆重新抹面，并增设临坝侧安全护栏。

3.3 右坝废弃输水涵封堵

经过现场调查，右坝废弃输水涵于上世纪90年代进行过封堵，距今时间久远，其封堵质量不好，且在水位较高时会出现渗水现象。右坝废弃输水涵的封堵措施为：在进口处开挖出输水涵管，并对涵管内灌水泥浆堵实，堵实长度为73.3m；外部新建C20砼截水墙对右坝废弃输水涵进行封堵，截水墙长2.8m、厚1m、高3.3m。

3.4 左坝输水隧洞加固

输水隧洞位于坝体左侧，其洞长150m，断面为城门洞式(底宽0.9m、高1.5m)。针对输水隧洞现状问题，其加固措施为：在进口处更换斜拉闸闸门和斜拉杆，并新建消力井；下游出水口段新建消力池，两侧新建C20砼挡墙；输水隧洞出口段在高程204.41m处新建C20钢筋砼底板并与现状输水隧洞出口段衔接，同时在高程198.39m处分级放坡，自下而上坡比分别为1∶4.5、1∶3；在高程194.02m处新建C20砼消力池，消力池长10m、宽3.5m，消力坎高1.3m，并在消力池两侧新建C20砼侧墙。

3.5 安全监测设计

3.5.1安全监测原则

为了确保大坝安全运行，有必要对主要建筑物设置完善的安全监测设施。安全监测布置遵循以下原则：①应能全面、准确地反映建筑物在施工期、蓄水期及运行期的实际工作状态。②应结合影响大坝安全的主要问题，有针对性地设置监测项目和布置监测仪器。对于重要监测断面或重点监测项目，宜采用2种以上的监测手段。③应选择性能稳定可靠、量程和精度满足监测要求的监测仪器和设备。采用的监测方法应技术成熟，便于操作[5]。④宜采用先进技术或为后期技术改进留有余地。若采用自动化监测设备，同时应具备人工监测条件。

3.5.2安全监测范围及方式

遥田水库安全监测范围包括坝体、坝肩以及对大坝安全有重大影响的近坝区岸坡和其他建筑物、设备等。监测方式主要包括人工巡视检查和仪器监测，其中巡视检查主要针对施工期、运行期水库的各主要建筑物进行，分为日常、年度、特殊情况下的巡视检查等。

(1)大坝变形监测：传统的变形变监测是在监测区建立控制网，使用精密测距仪和经纬仪为主要手段，选择控制网中高等级点建立统一基准，将这些监控网点与各部位的独立基准点联测，从而形成整体监测网络系统[6]。目前，GNSS精密定位技术已在大地测量、地壳形变监测、精密工程测量等诸多领域得到了广泛的应用和普及，其具有全天候作业及实现数据自动化传输、管理和分析的特点[7]。因此，大坝变形监测选用GNSS监测系统。根据SL 551—2012《土石坝安全监测技术规范》[8]规定，监测纵断面一般不少于4个；监测横断面间距在坝轴线长度小于300m时，宜选取20～50m；当坝轴线长度大于300m时，宜选取50～100m。结合上述布设原则，水库变形监测纵断面选取4个，横断面则根据坝长及坝体结构类型确定。

(2)大坝渗流监测：坝体渗流监测项目包括扬压力、渗流压力、渗流量、绕坝渗流和水位监测等。扬压力、绕坝渗流须采用埋设测压管及渗压计监测；渗透压力、水位可采用渗压计进行监测。

4 结语

在系统梳理遥田水库枢纽工程的现状问题基础上，提出了针对性的水库除险加固设计方案。本文形成主要结论如下：

(1)经计算，大坝防渗墙厚度确定为0.6m，最大深度为45m，通过方案的技术、经济比选后选择塑性砼防渗墙方案。防渗方案确定后，大坝的渗流稳定、坝坡稳定计算均满足规范要求。

(2)通过选用GNSS监测系统进行大坝变形监测，能全面反映大坝在施工期、蓄水期及运行期的工作状态。

(3)工程实践表明，通过实施有效的除险加固治理，可充分发挥水库的社会、经济、生态效益，保障当地人民生命财产安全，并进一步促进农村经济的可持续发展。该工程可为我国类似的小型水库除险加固积累建设经验。