高背岌水库大坝除险加固措施

李跃楠

(山东百盛建工集团有限公司，山东 济南 250109)

水库工程对防汛、供水、生态、发电等具有重要意义。我国现有水库9.8万座，其中大中型水库0.47万座、小型9.4万座，部分中小型水库存在年久失修或病险的问题。近年来，对0.28万座大中型水库和6.9万座小型水库进行了除险加固，工程安全状况不断改善。中小型水库80%以上修建于20世纪50至70年代，大部分已超过或接近设计使用年限，年久老化[1]。同时，超标准洪水、强烈地震等自然灾害，可能导致工程不同程度损毁。随着岁月推移，水库损坏现象突出，尤其是小型水库，管护力量薄弱，疏于日常维修养护，积病成险[2]。为应对推进水库治理工作，西北口、沙沟、林山等水库对大坝主体、启闭机、闸门、隧洞、溢洪道进行了改造升级，修建了管理值班房，强化了水库软硬件设施建设，巩固了水库的蓄水调节能力[3-5]；针对水库除险加固工程，为确保目标按期完成，倒排工期，细化工作措施，强化节点控制，落实项目资金，加强建设管理，坚决打赢水库除险加固攻坚战[6]；围绕水库运行安全和效益发挥，全面排查、及时整治各类安全隐患，做好日常巡查、维修养护、安全监测、调度运用、人员培训等工作，强化水库信息化建设和标准化管理，全面提升水库运行管护水平[7]。

1 工程基本情况

本文研究实例为高背岌水库，其位于广东省梅州市蕉岭县三圳镇，水库于1971年开建，1975年建成投用，属小(2)型水库。水库主体工程包括拦河土坝、溢洪道、输水涵管，功能以灌溉为主，兼防洪等综合效益，灌溉面积为350亩。库区长1.5km，集雨面积0.8km2，河道比降0.22，20年一遇设计洪水位为158.26m，相应库容15.82万m3。水库大坝坝型为均质土坝，坝顶高程160.5m，坝顶长73m，最大坝高26m。

2 存在问题与安全评价

2.1 主要问题

(1)现场检查情况：①库区两岸为较雄厚的山体，植被较发育，库岸基本稳定。②防浪墙局部有裂缝，防浪墙无排水孔。③上游混凝土护坡局部有裂缝，左岸分缝处长有杂草。④下游坡面长有杂草，排水沟堵塞，下游排水棱体表面杂草丛生。⑤前后坡无塌陷现象，后坡无冲沟。

(2)主要存在问题：大坝为均质坝，右坝肩下游侧山体底部干砌石挡墙有渗水现象，前坡混凝土护坡局部有裂缝。地勘揭示坝体填土的填土结构较松散，压实度不达标，坝坡抗滑稳定不满足规范要求。

2.2 大坝安全评定

2.2.1工程质量评价

(1)坝体填土质量：填土成分主要为粉质粘土，湿，稍密，以粉粒为主，其次为粘粒和砂粒，局部含较多碎石；岩芯部分呈土柱状，部分呈松散状，切面不平整，难搓成细土条状，干强度与韧性中等。ZK3孔在钻进过程全漏水，其余钻孔均有轻微漏水现象，各孔在钻进过程中无塌孔现象。土体状态呈可塑状，中-高压缩性。填土的干密度平均值为1.46g/cm3，含水率W=25.9～30.7%，粘聚力C=16.4～19.9kPa，内摩擦角Φ=15.9°～22.4°。共进行标准贯入试验15次，实测击数N′=6～10击，校正击数N=5.7～7.8击，平均6.6击，标准值6.3击，标准差0.597，变异系数0.090，修正系数0.958。综合钻进情况、标准贯入试验、岩芯表象和注水试验结果等综合分析，填土的填土结构较松散，压实度不均匀，不符合现行规范要求。

(2)坝体填土的渗透性：据填土取样进行室内土工渗透试验，其渗透系数为2.34×10-4～4.29×10-4cm/s，结合现场注水试验其渗透系数为2.45×10-4～2.38×10-3cm/s，判断填土属中等透水层，不满足均质土坝规范要求。坝体填土临界水力比降：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(1)

式中，Gs—比重；n—孔隙率。计算得出临界水力比降Jcr为0.916，建议安全系数为2，允许水力比降J为0.458。

(3)坝址两岸山体稳定性：近坝址右岸山体坡度50°～70°，较高，表层多为残坡积粉质粘土，左岸强-弱风化岩出露，植被较发育，主要生长有杂树、杂草等。未见塌方、滑坡等不良地质现象，山体稳定性总体较好。

(4)坝基渗透性：坝基表层岩土层为残坡积粉质粘土。据取样进行室内土工渗透试验，其渗透系数为3.24×10-5～3.94×10-5cm/s；结合现场注水试验渗透系数为1.58×10-5～4.19×10-5cm/s，判断残坡积粉质粘土属弱透水层。

经现场踏勘结合向水库管理人员访问，未发现坝下游坝基部位存在渗漏现象，不存在坝基渗透稳定问题。大坝运行近50多年以来，未发现坝体存在明显绕坝渗漏、坝体失稳及变形等工程地质问题。

2.2.2防洪能力复核

根据SL 252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》的规定，永久性建筑物设计防洪标准为20年一遇，校核洪水标准为300年一遇。根据SL 258—2017《水库大坝安全评价导则》7.6条防洪能力复核结论：水库防洪标准及大坝抗洪能力均满足规范要求，洪水能够安全下泄，大坝防洪安全性评为：A级。

2.2.3渗流安全评价

高背岌水库大坝防渗和反滤排水设施不完善。大坝渗流压力与渗流量变化规律正常。坝体土体逸出点的渗透比降各工况均小于坝体填土允许渗透比降，满足规范要求。正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位、骤降工况浸润线逸出点高程均高于顶高程，不满足规范要求。大坝防渗和反滤排水设施不完善，渗流出逸点高于棱体排水设施顶高程，根据SL 258—2017第8.6.4节规定，认为大坝渗流性态不安全，评定为“C级”。

2.2.4结构安全评价

大坝未发现明显的位移、裂缝、错动迹象，运行正常；正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位、水位骤降工况土坝上游坝坡稳定系数满足规范要求，下游坝坡稳定系数不满足规范要求。根据SL 258—2017第9.8.4节规定，认为大坝结构不安全，评为“C级”，同时参考专家组安全鉴定结论与现场安全检查，高背岌水库大坝安全鉴定评定为“三类坝”。

3 除险加固措施

3.1 工程等别与洪水标准

工程为小(2)型工程，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物(包括大坝、溢洪道、输水涵管)为5级，次要建筑物为5级。建筑物洪水标准见表1。

表1 水库建筑物洪水标准

3.2 设计风速

设计风速的取值根据SL 189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》第6.26条：“正常运用条件下，采用多年平均年最大风速的1.5倍；非常运用条件下，采用多年平均最大风速”的规定，本次设计复查，正常运用条件设计风速取1.5×14=21.0m/s，非常运用条件取为14.0m/s。

3.3 设计安全标准

(1)土坝坝坡抗滑稳定安全系数：按SL 189—2013第8.2.3条规定，对5级建筑物：当采用瑞典圆弧法时，正常运用条件下，安全系数k≥1.15；在非常运用条件Ⅰ下，k≥1.05。

(2)溢洪道抗滑稳定安全系数：根据SL 253—2018《溢洪道设计规范》第5.3.9条规定，溢洪道泄洪闸控制段堰体按抗剪强度公式计算的抗滑稳定安全系数基本组合Kc≥1.05，特殊组合Kc≥1.0；边墙抗滑稳定安全系数基本组合Kc≥1.05，特殊组合Kc≥1.0；边墙抗倾覆稳定安全系数K0≥1.5。

3.4 大坝除险加固措施

现状水库前、后坡坝坡坡比分别为1∶2.3和1∶2.5。现状后坡坡度较陡，导致浸润线及逸出点偏高，大坝渗流性态不安全，坝体稳定计算不满足规范要求；坝体与原山体连接的填土松散，致使右坝肩下游侧山体底部干砌石挡墙存在渗水现象；原坝体填土松散或原施工质量较差，导致前坡混凝土局部出现裂缝。因此，本次大坝除险加固主要解决坝体的的渗流及后坡稳定问题。在水库除险加固项目中，防渗加固措施方式、方法相对较多。对于坝体防渗，常用的防渗加固措施包括灌浆、复合土工膜、各种型式的防渗墙等[9]，最终大坝加固方案为：充填灌浆+新建坝顶混凝土路面+拆除重建局部迎水坡护坡面板+后坡培厚+充填灌浆+反滤体。

3.4.1充填灌浆

对坝体进行充填灌浆，提高坝体的整体性，降低坝体填土渗透系数。本次设计拟于加固后坝顶中心线两侧各设1排灌浆孔，灌浆孔中心线与坝顶中心线的距离1m，排距2m，孔距3m，2排灌浆孔错位布置，灌浆孔入粉质粘土层2m，注浆管上端孔口压力不应大于0.2MP。由于现场检查发现右坝肩下游挡墙出现渗水现象，拟在桩号坝0+000～坝K0+025加密设置充填灌浆，于坝轴线偏上游和下游各1m设双排孔，孔距1.5m；本次充填灌浆孔数为60个，数量可根据现场实际情况增加，保证做好大坝防渗措施。

3.4.2新建坝顶混凝土路面

大坝坝顶现状宽度为5.21m，坝顶长度73m，最大坝高26m。根据SL 189—2013第6.3.1条规定，该坝顶宽度满足规范要求取值(4～6m)，维持现状防浪墙顶高程161.3m、坝顶高程为160.5m，坝顶拆除泥结石路面，重建C25混凝土路面，路面厚200mm，下部设100mm厚6%水泥石屑垫定层，路面向下游侧倾斜2%，坝顶排水排向下游。

3.4.3拆除重建局部迎水坡护坡面板

拆除前坡(桩号坝0+044～坝0+000)抗压强度不满足设计要求的混凝土面板，不改坝前坡坡比为1∶2.58，重建护坡采用0.15m厚现浇C25砼面板，砼护坡下设100mm厚的砂石垫层，纵缝间距8m，横缝间距均4m，采用三毡四油隔缝。为保证水位骤降时坝体上游坡顺利排水，本次设计对前坡整个砼面板护坡加设排水孔，每板设4孔，孔距、排距均为2m，梅花型布置，采用直径150mm水钻钻孔施工，孔深300mm，排水管采用DN50PVC排水管，单根管长300mm，临土侧管端设置堵头，在管周采用电钻钻直径5mm的孔，孔距为30mm，梅花状布置，排水管临土侧包扎土工布，采用级配砂回填，排水管周边采用120mm厚C30砼封孔。解决原混凝土面板未设置排水孔，局部面板开裂，不利于水位降落期坝前坡坝内渗水的顺利排出，从而影响坝坡稳定的问题。

3.4.4后坡培厚

结合坝顶培厚，本次设计采用下游坡培厚，采用两级坡，中间设一道马道，马道高程150.5m，宽度1.5m，培厚后坝体后坡坡度由上至下分别为为1∶2.5、1∶2.75。由于原坝体填土渗透系数为3.5×10-4cm/s，为保证坝内渗水顺畅排出，防止因浸润线抬高而危及大坝安全，本次设计坝体培厚土料选用压实后渗透系数接近原坝体填土渗透系数的土料。由于后坡培厚拆除了原下坝步级，本次设计在下游坝坡新建下坝步级。方便管理人员日常巡视及汛期巡视，坝后坡一级坝坡步级采用C20砼步级与马道连接，踏步宽375mm，高150mm，坝后坡二级坝坡步级采用C20砼步级与棱体连接，踏步宽413mm，高150mm。

3.4.5拆除重建反滤棱体

为使坝体内渗水顺畅排出，在下游坝坡坡脚设排水棱体，棱体总高度6.5m，棱体顶高程为140.53m，顶宽2m，外坡为1∶1.5，内坡为1∶1，并于排水棱体底部设置集渗沟。排水棱体与坝基接触面铺设四层过渡反滤层由内及外分别设300mm粗砂层、300mm小砾石层及300mm砾石小卵石层和干砌石，最外层干砌石

棱将3层反滤体包裹，坡脚设集渗沟，內空尺寸为0.5m×0.8m(宽×高)。下游坝坡周边设顺坡向排水沟，与高程140.53处水平向排水沟、排水棱体外坡脚排水沟共同组成坝面排水系统，排水沟采用C20砼结构，內空尺寸为0.3m×0.3m。坝面交通由棱体顶平台，与顺坡向步级组成，在坝面中部设置1个步数。经安全鉴定，坝区及近坝处存在蚁害。拟对坝体及坝周边10m范围内蚁源区进行全面施药灭杀白蚁，总治理面积为5974.5m2。在施工过程中要严格按照水利白蚁防治规程的“三环节八程序”实施，即：找、标、杀；找、标、灌；找、杀(防)”，在施药灭杀白蚁过程中要注意环保做好药物的处理，灭杀白蚁后对坝体及坝肩与山体连接处的蚁巢采取灌浆法充填蚁巢穴，以确保工程安全运行。

4 结语

水库除险加固工程意义重大，将对周边地区防洪、供水、灌溉，以及保障下游人民群众生命财产安全起重要作用。本文主要对高背岌水库存在问题及采取的加固措施进行分析。后续应持续提升水库工程运维精细化管理水平，不断完善运行管理制度，构建安全、技术、巡查等职责明确的管护队伍，保证水库安全高效运行。一方面，加快推进病险水库除险加固，坚持建管并重，完善度汛方案和超标准洪水应急预案，做好汛情通报和应急处置，落实水库完成除险加固前主汛期空库运行或限制水位运行的要求；另一方面常抓水库安全鉴定工作，按时开展到期安全鉴定水库的安全鉴定工作，实现水库大坝安全鉴定“动态清零”，着力筑牢织密水库安全底线。强化水库工程设施的维修养护，重点对大坝、溢洪道、排水系统、进库公路、管养房等进行维护，补好运行管理的短板。此外，还持续推进水库雨水情安全监测项目，有力提升水库预警硬件设施保障水平。