浅析小型水库除险加固设计要点

2023-03-21刘懿姚彤悦南京市水利规划设计院股份有限公司

珠江水运 2023年3期

刘懿姚彤悦南京市水利规划设计院股份有限公司

1.引言

2021年9月，国务院常务会议部署加快中小型病险水库除险加固，要求2025年底前全部完成现有病险水库除险加固。根据水利部相关消息，2020年已经鉴定完成的小型水库达1.88万座，计划在2025年前全部完成除险加固任务。这些病险水库大多建成于上世纪50-70年代，受当时的社会和经济发展条件制约，建设经验不足，大多水库建造过程中采取边设计边施工的建造方法，有的甚至不经设计直接建造[1]，且受制于当时的生产力水平，建设水库的选址、设计、施工、管理运行等方面技术水平不高，水库大坝、库区地质条件、防洪排险、水资源利用、水库老化退化等方面均有一些共性和个性的问题。从现实来看，我国中小型水库存在的主要问题包括溢洪道布置不合理、坝体渗漏、坝基渗漏、坝体稳定性差、库区地质环境不良等[2]，大部分水库面临的病险具有复杂性，且有逐步加重的趋势，是多种问题的综合，开展病险加固既要针对性的措施也要综合施策。

中小型病险水库一般分布在农村地区，与城镇中水体及其设施维护管理可以及时到位的情况不同，农村地区水库相对来说管理人员素质不齐、监管措施缺位、投入资金少、初期建造质量差等问题更严重，因此，开展存量病险水库除险加固工作，要针对病险水库的特点，采取适宜的勘测、设计、施工、验收方案，提高实施效果，获取最大经济社会效益。杨建华[3]对位于新疆地区的中小型水库除险加固开展了研究，认为需要考虑风沙沉积导致库区基地的抬高，还要重视因库区水分相对充足引发动植物聚集导致出现对库区的损害；朱家胜等[4]认为水库病险主要有防洪、结构、渗流稳定性方面的安全问题以及输水涵洞和溢流洪道存在的安全问题；刘淼[5]认为水库区域的地质勘察资料对开展加固工作有直接影响，要保证一定的地勘深度；邓厚展[6]认为水库坝体设计标准偏低或水的冲刷会导致水库大坝的稳定性和安全性问题；陈远东[7]对小型水库除险加固和建设管理方法开展了探讨；王延红等[1]提出建立全国小型水库除险加固项目评价体系，对评价落后的地区发出警示，从而提升除险加固项目建设水平；曾小芳[8]提出利用水库加固方案优选评价指标体系对水库加固方案进行优选，可以得到较好的处理方案；麻立彬[9]为政府参与提高水库加固工作的有效性提出了一些有益思路。

为提高中小型水库除险加固项目的设计和实施水平，如期实现2025年水库除险加固目标，本文结合前人研究成果，针对中小型水库存在的问题以及除险加固处理措施开展讨论，以安徽省郎溪县的小型水库除险加固项目为例，简析中小型水库除险加固的设计要点。

2.中小型水库的主要病害问题

由于地理位置、生产条件、现实状况等不同，不同类型水库的具体病害问题有其特殊性，在进行除险加固设计时需要加以区分。同时，水库的建造背景、发挥作用、病险原因等方面也存在比较多的一致性，所以水库的病害问题也有一定的相似性，具体来说有以下几方面。

2.1 设计高程标准不统一

现有中小型病险水库大多建成于上世纪50-60年代，当时社会经济发展落后，社会处于物资匮乏时期，生产资料奇缺，没有统一的建设规范和标准，部分水库在设计采用老旧或者如今已不适用的高程标准，有的甚至没有使用高程标准开展设计和施工，如叹儿湾水库采用的高程系是废黄河高程系[10]，还有部分水库留存的原始资料仅有坝高等数据，找不到参考高程系。

2.2 水库大坝病害问题

大坝的质量问题与安全性最直接相关，是水库管理人员和人民群众最关心的事项，在进行病险水库治理时应将重点放在对其坝体病害的处置上。坝体的病险问题主要有以下几个方面：一是勘察设计深度不足造成的坝基缺陷、坝体强度和稳定性偏低、集水面积适用错误、泄洪通道不合理等问题；二是施工技术水平较低导致的因坝体夯实度不足引起沉降过大或者不均匀沉降、坝身出现裂缝或者渗漏、坝体局部发生滑坡等问题；三是管理使用不当引起的乱搭乱建、违章砍伐、随意开挖、过度开发等问题。如广西某水库因设计不当引发坝体滑坡，重庆某水库计算集水面积错误[11]，浙江丽水某小型水库坝体出现渗漏点导致渗流方面的安全隐患[12]，更有部分水库坝体坡面保护不力，有人为开挖种植的现象。

2.3 泄水通道病害问题

溢洪道和涵洞都是水库的关键水流通道，是水库具有使用功能的重要保证，对泄水通道的治理也是水库除险加固的重要方面。某些水库在设计之初对溢洪道和涵洞的安排就存在不合理性，导致溢洪道断面不足或发生缺陷等，如杨坪水库泄槽出口无消能设施[13]，有的水库在使用过程中缺少必要的维护和修理，出现堵塞、冲刷损坏、管道脱节、不均匀沉降等问题。

2.4 使用管理和维护方面问题

水库的管理维护是日常运营的重要一环，是保障水库耐久性的必要手段，这项工作做得是否到位直接关乎水库的使用功能。大部分中小型病险水库都存在不同程度的使用管理和维护方面的问题，诸如维护的人力物力财力投入不够、监测检测不及时、使用利用不合理等。

3.中小型水库除险加固设计应注意的问题

在除险加固工程上，设计是基础性的一个环节，是开展加固施工的依据，设计工作的好坏直接关系到除险工程的成败。工程设计人员在开展中小型水库除险加固设计时，需要对库区自然、水文环境以及工程地质状况进行充分调查了解，深入查明水库及相关区域存在的病害和隐患问题，采取综合策略，提高除险加固工程的实效性。

3.1 深入调查，充分考虑各项因素

要掌握库区所处位置的特殊情况，了解是否处于地震、滑坡或者其他工程的影响范围内，受这种强扰动影响的水库，在设计时采用灌浆、补种植被等方法提高岩土体的完整性，或者清除松动土质进行回填可以取得较好的效果。要充分调查库区水文资料，对库区降雨、水流以及下游用水、泄洪散水等情况要全面具体地分析，采取清淤扩容、改流引道、增加散水面积等方式进行处理。对可采用的技术措施进行详尽的论证和调研，如大型机器设备的可达性、施工对坝体和地基的影响等，研究使用代替办法或者增加其他工艺促进达到加固目的。

3.2 深化设计，采取合适的除险加固方案

在掌握全面的资料和考虑各项影响因素的基础上，对整个库区的消险加固工程有一个全局的方案，进而对各个部分进行细化设计，协调推进设计工作。中小型水库加固一般工程量都较小，但麻雀虽小五脏俱全，亦需要按照全面的除险加固工程开展设计。对于库区环境，调查清楚地质状况后确定是否需要采取措施对周边区域采取加固或者除险措施；对库内水域及库底部进行探测，确定是否要对水库进行清淤扩容处理；对坝体实际情况进行调查，看其稳定性和强度是否满足规范要求，看坝体是否存在渗漏或者裂缝等病害，有针对性地进行加固方案设计；摸清泄水通道等构筑物现状，大部分老旧水库的此类结构存在问题，且较为严重，需要进行加固修复或拆除重建。

3.3 加强管理，对水库除险加固全过程进行有效控制

水库除险加固，是需要各方通力合作才能完成的任务，项目设计方、建设方、施工方和勘察单位等都是担负相应任务的责任方，需要加强合作，共同直面问题和挑战，才能取得好的成效。对于勘察设计方，不仅承担着工程最早开展的工作，也要在全过程中保持与各方的互动和协作，及时处理在建设施工中出现的问题，在后期验收上，还要做到严格把关，确保建设成果和质量符合设计要求。同时要开展好服务工地活动，解答好建设方、施工方的疑问，对于疑难杂症要共同商讨解决方案，促进除险加固工作如期完成。

4.中小型水库除险加固工程设计案例

以安徽省郎溪县开展的小（2）型水库除险加固设计为例，浅析该类水库设计工作中应该把握的要点。郎溪县开展除险加固的该类型水库共有6座，均为探明的病险水库，需要及时开展除险加固工作。通过勘察设计，主要存在的问题及做法总结如下：

4.1 高程问题的处理

对水库进行勘察测量时发现水库原始资料记载使用的是吴淞高程，现测量采用1985年国家高程基准时，二者并不能换算，而且还出现同一地各水库换算结果不相同的现象。原因是由于水库在建设之初受技术和现实的限制，采用的高程基准不准确，且多年来水库运行维护中没有进行测量校核并及时修正错误。除险加固设计采用测量的水库溢洪道堰顶高程为正常蓄水位，与资料记载的正常蓄水位之差换算水库特征水位，进而实现高程的换算。

4.2 大坝问题的处理

大坝均有不同程度的渗漏问题，且多为散浸和窨潮。主要是由于建设时坝身填土质量不均匀且填筑技术工艺落后导致渗透系数过大造成的。解决渗漏可采用坝身加厚、充填灌浆、多头小直径深搅桩、高压喷射注浆法等，设计时根据实际情况确定采用防渗处理方式。如有的坝高超过10米，坝顶宽度达4米，背水坡无马道，大坝坝身单薄，渗径短，若采用深搅桩防渗墙，施工质量不易控制，没法达到很好地解决渗漏问题的目的，因此设计时采用背水坡培土加厚，增加马道并设置排水设施的方法解决。个别水库坝高较低，坝身和坝基主要由粉质粘土构成，加固设计采用多头小直径深搅桩或高压喷射注浆法。堵漏方式还要结合现场条件确定，如水库位于连片山区，大型机械可达性差，受树木或者大坝上方的架空线路约束，多头小直径深搅桩施工机器无法开展工作，宜采用高压喷射注浆法。

4.3 泄水通道问题的处理

本次设计的6座水库溢洪道均为开敞式，处在大坝一端，上部有简易交通桥。主要问题是使用年限长，通道破损严重，道口周边杂草丛生，极易形成堵塞；且道面交通桥仅有一块后置混凝土板，行走安全性无法保证。处理措施为拆除重建，保持堰顶高程和堰宽不变，根据新规范要求设计溢洪道具体形式和规模，人行通道处设计现浇混凝土交通桥，满足日常巡视和汛期抢险需要，提高使用安全性。

各水库的涵洞现状均为管涵，开启和关闭靠人力手动完成，无启闭机房。处理措施同样采取拆除重建的方法，根据安徽地区设计灌水率为1m3/s/万亩的要求考虑，结合每个水库的灌溉面积确定涵洞截面积。如水库设计灌溉面积为1000亩时，涵洞所需灌溉流量为0.1m3/s，还需要考虑后期涵洞检修，可设计涵洞的尺寸为1.0m×0.8m（高×宽），配备相应的铸铁框钢闸门，建设具备适当启闭力的手电两用螺杆启闭机，减少人工操作带来的困难。