某小型水库病险隐患分析及采取的对策

2022-11-29吴晨

地下水 2022年6期

吴晨

(西安市污水处理管理中心，陕西西安 710000)

1 问题的提出

西安市当前的小型水库超过70座，而其中基本上都是在六七十年代建设起来的。由于当时技术水平不高，缺少足够的资金支持，所以，在建设时并没有严格的根据先勘察设计后施工的步骤开展，存在着防洪标准偏低，达不到有关规范、规定要求，工程质量偏差等问题。近年来，这些小型水库在各种因素的影响下，表现出了各种不同的问题，无法发挥出其工程作用，甚至对下游带来了一定的安全隐患。下面选择了其中的一个小型水库，针对其中的病险问题开展了分析，并提出了除险加固工程措施。

2 工程概况及主要问题

2.1 工程概况

西安市戏河流域的某小型水库，其坝址以上有着4.55 km2的流域面积，河长6.3 km，平均比降7.8%，总库容36.36万 m3,兴利库容21.72万 m3,而且该水库的设计灌溉面积为3 000亩。主要的建筑物包括了大坝、放水设施、溢洪道等，属小(2)型工程，V等级。大坝于1976年开工，1980年完工开始蓄水。蓄水运行多年后2010年经大坝安全鉴定存在主要问题为：坝体施工碾压质量不满足规范要求；坝顶高程不能满足规范要求；溢洪道过流能力不足，没有相应的构造措施和消能措施；放水、输水建筑物均有损坏，不能正常使用；无监测设施和通讯设施；防汛道路年久失修。为消除上述水库病险隐患于水库2012年进行过除险加固，主要内容：大坝加固，溢洪道加固，上坝道路改造，完善大坝安全监测设施等。经过除险加固，消除了水库存在的病险问题，水库正常运行。现状坝顶高程542.60(1985国家高程基准)，最大坝高21.5 m，坝长153.07 m，坝顶宽度5 m。

2.2 存在问题

按照《水库大坝安全鉴定办法》规定，大坝实行定期安全鉴定制度，每隔6～10 a进行一次。2010年对水库大坝安全鉴定后，2021年起水库大坝安全鉴定处于超期状态。因此，2021年12月，对该水坝做了安全鉴定，结论是：水库工程质量没有达到合格的要求，在防洪、渗流、结构、抗震、金属结构安全性评价方面分别是“B”、“C”、“C”、“C”、“B”级，因此，将其综合评定为“三类坝”。

存在主要问题：经现场踏勘，2021年9月连续强降雨后，坝体含水量饱和造成坝顶裂缝，下游坝坡滑坡已出现明显的质量问题。溢洪道泄槽段边墙局部破损，淤积严重，需尽快修复。现状滑坡段坝体下游排水棱体已损坏。输水涵洞下部消能结构已破损，跌坎竖向防护砌体存在着一定的滑踏风险。现场检查发现，闸门存在部门锈蚀。经计算大坝降落期坝体浸润线出逸点高程远高于排水棱体顶高程，会产生渗透破坏。经计算坝坡抗滑稳定不满足规范要求，且现状坝坡已出现滑坡现象。经计算坝体抗震稳定性不满足规范要求。根据现场踏勘结合地质勘探，对大坝做了综合分析，结论是其安全隐患比较的严重，必须要对整个大坝做除险加固工作，将其中存在的安全隐患消除，保证水库安全运行。

3 原因分析及采取的对策

3.1 原因分析

大坝的渗流安全评价性为“C”级，造成原因主要为土坝的压实度和渗透系数达不到标准，排水效果不好浸润线远高于排水棱体顶部；坝体部位碾压后长期使用发生开裂，坝体部位存在渗漏通道。大坝的结构安全性评价为“C”级，造成原因主要为土坝断面不足，坝坡坡度偏陡，坝坡的抗滑稳定不满足规范要求。大坝的抗震安全性评价为“C”级，造成原因主要为原设计地震烈度小于新的地震烈度区划图确定场地基本烈度。大坝的防洪安全性评价为“B”级，造成原因为泄洪建筑物，主要存在结构裂缝，或溢流面及泄槽未衬砌，出现冲蚀破坏；输水建筑物出现裂缝、冲蚀，影响建筑物结构的整体性。大坝的金属结构安全性评价为“B”级，金属结构存在锈蚀一定程度影响水库安全。

3.2 采取的对策

3.2.1 坝体加固设计

开挖采用台阶式开挖，台阶宽度不小于1.5 m，单阶高度不大于1 m；填筑土渗透系数不大于1×10-5cm/s,施工填筑含水率控制在最优含水率的-2%～+3%偏差范围以内。为保证填筑土压实质量，填土宽度不小于3 m，填筑施工由最低部位开始，按水平分层平行向上铺土填筑，不得顺斜坡填筑，填筑土压实度不小于0.98。

同时为了提高背水坝坡的稳定性，在背水坡马道以上坝坡采用菱形框格(2 m×2 m)进行防护，框格高30 cm宽30 cm，采用C25混凝土浇筑，框格内植草护坡；马道一下坝坡修整后采用草皮护坡。

3.2.2 坝体加固后渗流复核

1)渗流断面确定

除险加固工程通过培厚下游坝坡对坝体进行加固，加固后的大坝渗流分析，是选择了二维有限元分析法，以其中的最大断面开展渗流分析，以此计算来推算出整个大坝渗流情况，图1展示的是断面图。表1则表示的是大坝坝体分区土层渗透系数指标。渗流计算采用Autobank7.0软件进行二维有限元渗流计算。

图1 渗流计算断面材料分区图(单位：m)

表1 大坝坝体分区图层渗透系数指标表

2)渗流分析计算工况

根据规范要求，结合本工程情况，渗流计算工况：①上游设计洪水位540.00 m与下游相应最低水位；②上游正常蓄水位538.70 m与下游相应最低水位；③上游校核洪水位540.91 m与下游相应最低水位；④校核洪水位突然下降到正常蓄水位，这一过程对上游坝坡稳定所带来的最不利工况。

3)渗流计算成果

表2为坝体加固前后渗流计算结果，图2～图5则是加固后渗流状况。

表2 坝体加固前后渗流计算成果表

图2 正常蓄水位等势线及浸润线分布

图3 设计洪水位等势线及浸润线分布

图4 校核洪水等势线及浸润线分布

由流网图及渗流稳定计算结果可知，加固后各种工况下坝坡渗透比降均小于其允许比降，坝体渗漏出逸点较低均在排水棱体以下，坝体培厚措施有效降低了浸润线，加固后的大坝渗流稳定满足规范要求。

3.2.3 坝体加固后坝坡稳定复核

1)稳定断面确定

加固后的大坝坝坡稳定计算选取最大断面为计算断面，断面图见图1，大坝坝体分区土层各项参数见表3。按照《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》，稳定计算中采用简化毕肖普法。计算采用Autobank7.7-水工结构有限元分析系统。

表3 大坝坝体分区土体特性指标表

图5 校核洪水位降至正常蓄水位工况下等势线及浸润线分布

2)稳定分析计算工况

根据规范要求，结合本工程情况，稳定计算工况：①设计洪水位下稳定渗流期上、下游坝坡；②正常蓄水位下稳定渗流期上、下游坝坡；③校核洪水位下稳定渗流期上、下游坝坡；④从校核洪水位降至正常蓄水位下水位降落期上游坝坡；⑤正常蓄水位下稳定渗流期，在出现了地震的情况上、下游坝坡；⑥设计洪水位下稳定渗流期，在出现了地震的情况上、下游坝坡。

3)稳定计算成果

表4为计算的坝体加固前后稳定结果，图6～图11则是加固后稳定状况。

表4 坝体加固前后稳定计算成果表

经稳定计算可以看出，上、下游坝坡在进行加固后，各类工况下所对应着的稳定最小安全系数都达到了规范要求，坝体培厚有效提高了坝体的抗滑稳定性。

图6 工况一最不利滑动面

图7 工况二最不利滑动面

图8 工况三最不利滑动面

图9 工况四最不利滑动面

图10 工况五最不利滑动面

图11 工况六最不利滑动面

3.2.4 溢洪道加固设计

针对现状溢洪道进口段、控制段及泄槽段护底均为干砌石护底，透水性较强，泄洪期间影响坝肩渗流稳定及泄槽段破损严重等问题。溢洪道首先清除底板表层淤堵物，拆除已经破损的干砌石底板，采用40 cm厚M10浆砌石砌筑底板每10 m设一道伸缩缝，缝宽2 m，采用聚乙烯泡沫板填缝。现状结构完好的干砌石底板表面冲洗后采用3 cm厚的M10砂浆抹面。