江山龙头水库加固设计及处置后变形监测分析

摘 要：为保障龙头水库的安全运营，结合其实际情况，对水库加固进行设计研究，并通过处置后的变形监测分析来评价加固设计效果。分析结果表明：龙头水库面临的问题主要包括大坝渗漏、溢洪道开裂、输水建筑物漏水、管理设施破损及白蚁等问题，因此，对其进行加固设计是十分重要的。在现场调查基础上，从大坝加固、泄水建筑物加固、输水建筑物加固及白蚁防治等方面进行设计工作。在加固设计措施落实基础上，分析变形监测成果，得出水库加固后的运营效果良好，说明加固设计措施是合理的，为类似工程积累了经验。

关键词：龙头水库；加固设计；变形特征；变形预测

中图分类号：P 642" " " " " " " " 文献标志码：A

在长期运营条件下，水库会出现很多工程问题[1-2]，例如江山市龙头水库面临大坝渗漏问题、溢洪道开裂问题、输水建筑物漏水问题、管理设施破损问题及白蚁问题等，因此，对其进行加固设计具有重要意义。在水库加固设计方面，已有不少相关研究，例如马秋乐等[3]对大西海子水库进行防渗加固处理。李斌飞[4]探究了金陵水库的加固处理措施。李中朋[5]分析了小型水库在加固过程中的常见问题，并分析了对应解决措施。张卓[6]总结了帷幕灌浆法在水库加固处理中的施工要点。上述分析充分说明对水库进行加固处理是十分重要的，但均未涉及龙头水库的加固设计研究。因此，本文以龙头水库为工程背景，对水库加固进行设计研究，并通过处置后的变形监测分析来评价加固设计效果，保障后续安全运营。

1 工程概况

1.1 水库基本信息

龙头水库位于江山市贺村镇龙头村洞坞北面，水库坝址以上集水面积为1.44km2，主河道总长为1.05km，河道比降为35‰。该水库始建于1964年，截至1969年大坝高度达到19m，主要建筑物由大坝、溢洪道，输水设施等组成。

在坝址区地质条件方面，龙头水库坝址区位于江山贺村镇龙头村，地形为山谷出口的缓坡地段。右岸为自然边坡，坡度约15°～25°，溢洪道上部可见弱风化基岩出露，左岸为残坡积层堆积，地形低矮。坝址区河床宽度约为180m，沟谷呈不对称“U”形，两岸边坡稳定，植被覆盖良好，未见有滑坡、崩塌等不良地质现象。

在龙头水库流域情况方面，龙头水库位于江山市贺村镇龙头村大洞坞北面，水系属长江流域下镇水。下镇水的起点是衢州江山市凤林镇官田村，终点是江西省玉山县下镇镇渎口村，河长为21km，比降为2%，流域面积为85.8km2，平均年降雨量为1864.3mm，平均年径流深为1096.9mm，在浙江省内面积为40k㎡。

结合库区地形、水文等资料，计算龙头水库现状工程规模特征参数，见表1。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017）规定，该水库现状校核洪水位为154.82m，相应水库总库容为133.84万m³，判断该水库工程规模为小（1）型。

1.2 水库加固改造必要性分析

1.2.1 水库存在的问题

大坝问题：大坝左坝脚存在1处持续性渗漏点。大坝迎水坡水下部分护坡存在破坏，砌石块体脱落，坝脚浆砌块石基础局部破损。大坝坝顶为泥结石路面，易积水，且易滋生杂草。上、下游侧无防护措施。大坝背水坡两侧未设坝顶排水沟，大坝坝脚排水沟未进行砌护。

表1 龙头水库现状工程规模特征参数

频率（%） 特征水位 水库水位（m） 库容（万m³）

死水位 137.9 0.4

正常水位 154.06 122.04

P=2 设计洪水位 154.66 131.31

P=0.1 校核洪水位 154.82 133.84

溢洪道问题：溢流堰表面裂纹较多，溢洪道底板及挡墙多处破损及裂纹。溢洪道尾部无导洪措施，易对下游村庄农田造成安全威胁。

输水建筑物问题：左坝肩启闭机房兼管理房漏水，输水管道启闭机启闭力不满足要求。右坝肩涵管管径过小，达不到水库放空要求。

管理设施问题：水雨情自动测报系统破损。大坝无常规安全监测项目。

其他问题：库区白蚁较多，大坝存在白蚁病害。

1.2.2 加固建设的必要性

龙头水库以灌溉为主，一旦失事，将给水库下游居民的生产和生活带来巨大的负面影响，因此，需要对水库实施加固，保障水库大坝及下游防洪安全。

实施除险加固工程是继续发挥水库功能的重要前提。为了更好地发挥水库的功能、充分发挥其经济效益与社会效益，必须实施除险加固工程。

实施除险加固工程是当地乡村振兴建设的需要。水库建设不仅是加固建设，还是水库功能提升的建设，这也是新农村建设的一部分。

综上所述，为避免重大生命财产损失，对水库进行加固建设是非常必要的。

2 水库加固设计

结合工程实际，将水库加固内容设计为4方面，即大坝加固设计、泄水建筑物加固设计、输水建筑物加固设计和白蚁防治设计。

2.1 大坝加固设计内容

结合龙头水库大坝现状特征，其大坝加固应侧重于防渗处理。对比附近工程经验，常用的大坝防渗处理方法有以下4种。

方案一：在上游侧加设黏土斜墙。前趾挖至中风化基岩，周边挖至相对不透水层或下部帷幕灌浆处理。可以采用当地附近较为丰富的黏土，节省投资成本。但施工时间长，质量较难控制，两岸坝肩绕渗须利用帷幕灌浆，增加造价，且当前大坝迎水坡均已采用块石护砌，黏土斜墙施工势必破坏原有护坡，增加工程投资。

方案二：套井回填黏土防渗墙。在坝中，布置采用冲抓钻造孔，也可利用当地材料，施工速度快，施工质量容易控制。

方案三：低弹模塑性混凝土防渗墙。低水位时可以施工，质量易控制，防渗效果和耐久性好。施工内容较单纯，且均为机械化施工，不同工种干扰较少，进度较快。但砼防渗墙施工至少需要10kV以上的高压线，需要接入附近高压线路施工，审批流程复杂，施工用电架设成本极高，且施工工作面较大，对大坝防洪安全有一定影响，因此需要减少大坝施工。

方案四：坝体黏土充填灌浆。低水位时可以施工，施工容易，可与基础帷幕灌浆结合，节省投资成本。但本工程大坝为粉质黏土，孔隙比大，块茎差异较大，可灌性差，因此帷幕效果难以达到预期。

各防渗方案的适用条件、防渗效果和施工条件见表2。

通过对比，本次设计推荐采用冲抓套井黏土回填方案，且结合龙头水库大坝的实际情况，此方案的主要优点：坝体防渗效果较好，能保证施工质量，耐久性较高。所有防渗施工场地均在坝顶进行，易于布置设备与材料。施工内容较单纯，不同工种干扰较少，进度较快。对大坝心墙进行套井回填，能有效提高周边坝体填筑料的压实度。

综上所述，坝体采用套井回填黏土的方法进行防渗，且套井为一排孔，坝顶清表后进行套井施工，套井孔径为ø110cm，孔距0.75m，有效防渗厚度为0.8m，最大孔深为25m，且嵌入强风化灰岩不少于0.5m，套井回填土料采用黏性土料，要求黏土含量为30%～40%，渗透系数小于1×10-5cm/s。

在坝顶、坝坡加固设计方面，坝顶拓宽至5m，采用沥青路面，自下而上依次为细粒式黑色沥青砼厚4cm、粗粒式沥青砼厚6cm、5%水泥稳定碎石层厚20cm。本次加固整体保留现状干砌块石护坡，局部破损处采用块石填充修复，在干砌块石以上增设草皮护坡，靠近坝顶处设置一排绿篱，起到安全警示的作用，绿篱采用红叶石楠。对大坝背水坡进行清表30cm，采用草皮护坡，坡比从上至下依次为1∶2.0、1∶2.5、1∶2.5。整体保留现状排水棱体，局部破损处采用块石填充修复。

按照上述加固处理后，对坝体进行稳定性验算，其结果见表3。根据表3，加固后大坝在各种运用条件下的边坡抗滑稳定安全系数均大于规范允许安全系数，因此，大坝坝坡稳定满足要求。

2.2 泄水建筑物加固设计内容

保留进口段、实用堰段、泄槽段、消能段、渠道段和溢洪道支流段的原始结构，对其破损位置进行加固修复，并统一对底板进行加厚抹面处理。

溢洪道支流段下游为右坝肩输水涵管出水池，出水池下游为新建桥涵段。该段两岸新建C25砼重力式桥墩，顶宽为1.5m，高为6.2～6.4m，在桥墩上设C30钢筋砼台帽，桥净跨5m，桥板为C30钢筋砼现浇桥板，厚50cm。

2.3 输水建筑物加固设计内容

对右坝肩原坝下输水涵管进行封堵，即采用C25砼堵头对老涵管进出口进行封堵，进口顶部留ø25通气孔、灌浆孔各一个，涵管进口封堵长度不小于1m，边灌边拔对老涵管进行封堵，在进口通气孔出浆后封孔，挖除出口原出水池后进行土方回填。在左坝肩输水涵管加固设计方面，整体保留现状涵管，涵管采用DN800mm钢筋砼管，全长40m，且进水口处设拦污栅，进水口高程为148.60m，涵管出口底高程为148.00m，出口接灌溉渠道。

在右坝肩输水涵管设计方面，涵管采用DN800mmPE管，全长140m，采用非开挖定向钻施工，孔径ø1000mm。

2.4 白蚁防治设计内容

结合坝坡整理和护砌，挖除坝内蚁穴，施加白蚁防治药物，为防止附近白蚁进入大坝，设计时沿大坝四周山体挖白蚁防治带，在白蚁防止带埋设白蚁防治药物。同时，应及时清除适宜白蚁繁殖的杂草，并在坝体土方回填料中加入白蚁防治药物。

3 水库处置后的变形监测分析

3.1 分析方法构建

在对大坝进行加固处理后，会在坝体上布置变形监测点，龙头水库的布置原则：沿坝轴线设置4个监测断面，每个断面在坝顶及背水坡设3个测点，监测项目包括垂直位移和水平位移，变形控制值为30mm。

结合工程实际，龙头水库加固处置后的变形监测分析思设计路如下。1）以坝体中部监测点3-1#、3-2#和3-3#的监测成果为基础，分析其现有变形特征。2）对上面3个监测点进行变形预测，通过后续变形规律来掌握坝体后续变形特征。

综上所述，再进一步进行变形预测模型构建。结合以往经验，提出利用广义回归神经网络构建坝体变形预测模型，其模型结构有4层，如图1所示。

结合广义回归神经网络原理，各层基本特征如下。①输入层。将大坝变形监测数据输入至模型结构中。②模式层。利用激励函数对变形信息进行映射处理，其主要作用是将输入层信息从低维空间映射至高维空间。③求和层。对模式层输出值进行信息变换处理，这个处理过程包括求和过程和参数转变过程。④输出层。对求和层输出结果进行整合，完成变形预测。

为合理评价变形预测精度，将评价指标设定为相对误差，值越小越好。

3.2 分析结果

3.2.1 坝体加固后的变形特征

按照5天一次的监测频率进行统计，共得到31期监测成果。经统计，3-1#、3-2#和3-3#的坝体垂直变形量分别为21.05mm、17.88mm和15.56mm，其详细变形数据见表4。由表4可知，3个监测点的坝体垂直变形量具持续增加特征，且对3者的垂直变形速率特征参数进行统计，得到3-1#的变形速率为0.05mm/期～1.60mm/期，均值为0.68mm/期，3-2#的变形速率为0.03mm/期～1.30mm/期，均值为0.58mm/期，3-3#的变形速率为0.03mm/期～1.65mm/期，均值为0.50mm/期。通过数据对比，3个监测点的垂直变形具较大的波动性，即随着波动增加，垂直变形量也增加。

统计得到3-1#、3-2#和3-3#的水平变形量分别为18.93mm、12.47mm和14.83mm，其详细变形数据见表5。由表5可知，3个监测点的坝体水平变形量也具持续增加的特征，且对3者的水平变形速率特征参数进行统计，得到3-1#的变形速率为0.28mm/期～1.16mm/期，均值为0.61mm/期，3-2#的变形速率为0.02mm/期～0.91mm/期，均值为0.40mm/期，3-3#的变形速率为0.08mm/期～0.82mm/期，均值为0.48mm/期。因此，坝体水平变形也呈现较大的波动规律，这与垂直变形特征相近。

综合上述，坝体垂直变形、水平变形持续增加，但过程具有较大的波动性，且其累计变形值均小于变形控制值，因此说明坝体处置后的变形控制良好。

3.2.2 坝体后续变形特征

按照分析思路，再利用广义回归神经网络对坝体变形进行后续预测，坝体垂直变形的预测结果见表6。由表6可知，3-1#垂直变形量预测结果的相对误差均值为2.02%，3-2#垂直变形量预测结果的相对误差均值为2.09%，3-3#垂直变形量预测结果的相对误差均值为2.04%，预测精度较优。

根据预测结果，3-1#～3-3#在32期～34期垂直变形预测结果中的变形速率均值分别为0.23mm/期、0.25mm/期和0.24mm/期，具有很小的增加趋势，因此，坝体垂直变形具明显收敛趋势。

坝体水平变形的预测结果见表7。由表7可知，3-1#水平变形量预测结果的相对误差均值为2.02%，3-2#水平变形量预测结果的相对误差均值为2.09%，3-3#水平变形量预测结果的相对误差均值为2.04%，预测效果较好。根据预测结果，3-1#～3-3#在32期～34期水平变形预测结果中的变形速率均值分别为0.21mm/期、0.22mm/期和0.20mm/期，具有很小的增加趋势，因此，坝体水平变形也具明显收敛趋势。

综上所述，各监测点的垂直变形、水平变形后续变形规律相近，即具有明显的收敛特征，说明龙头水库坝体加固设计是合理有效的，为后续安全运营奠定了坚实基础。

4 结论

通过江山市龙头水库加固设计及处置后的变形监测分析，得出以下结论。1）龙头水库已运营多年，出现了较多问题，例如大坝渗漏问题、溢洪道开裂问题、输水建筑物漏水问题、管理设施破损问题及白蚁问题等，因此，对该水库进行加固处理具有较强的紧迫性。2）结合工程实际，将水库加固内容设计为大坝加固设计、泄水建筑物加固设计、输水建筑物加固设计和白蚁防治设计。3）通过水库加固后的变形监测分析，得出坝体不仅现阶段的变形值在控制范围内，后续变形趋于收敛的同时，也在控制值范围内，因此，充分验证了水库加固设计的合理性。

参考文献

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