關(guān)于小型病險土石壩除險加固的探討

黃云超　喬一樂　孫文杰

【摘 要】本文簡述了我國病險水庫的病險情況以及各種病險情況所對應(yīng)的工程措施。針對某工程實例，采用理正軟件對病險土石壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定計算，并對其邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析，驗證其除險加固措施的合理性，并分析其可行性，評價壩體加固前后的安全性對比，論證除險加固工程措施的效果。對于目前我國正在開展的病險水庫除險加固工作具有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】病險土石壩；除險加固；加固措施

0 引言

我國的水庫建成數(shù)量居于世界首位，但同時水庫病險問題十分突出。病險水庫，國內(nèi)是指現(xiàn)狀抗洪標(biāo)準(zhǔn)低于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)或者因較嚴(yán)重質(zhì)量問題而不能正常運(yùn)行的水庫，也即《大壩安全鑒定辦法》規(guī)定的三類壩。據(jù)統(tǒng)計，截至2013年3月，中國共修建中小型水庫97264座，其中大部分為土石壩，這些水庫中仍然有47614座病險水庫，占總數(shù)的49%，其中包括1096座中型水庫和46518座小型水庫（其中?。?）型水庫5400座，?。?）型水庫41118座）[1]。

我國的病險水庫絕大多數(shù)是建于20世紀(jì)50～70年代的中小型土石壩。限于當(dāng)時的條件，水庫在施工過程中往往存在或多或少的問題，使得工程在建成之初就存在一定的問題；再加上運(yùn)行多年，水庫自身的老化，使得水庫的病險比率比較高。病險水庫由于不能正常運(yùn)行，其效益的發(fā)揮就要受到一定的限制，然而在汛期，這種情況就變得更為嚴(yán)重，由于病險水庫抵御洪水的能力較低，故在雨季病險水庫的潰壩率要高于一般水庫，一旦失事，后果不堪設(shè)想。為保證水庫安全運(yùn)行、正常發(fā)揮效益，對病險水庫進(jìn)行除險加固就是一個緊迫的任務(wù)。

1 小型土石壩病險特點(diǎn)

通過分析現(xiàn)有小型水庫土石壩中所存在的各類安全隱患，總結(jié)出了以下幾個方面的小型水庫土石壩的安全問題：

（1）水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)較低。即大壩頂高程不滿足要求或泄水建筑物泄水能力不滿足要求。造成的原因主要有：水文情況發(fā)生變化；泄洪建筑物存在安全隱患，不能正常發(fā)揮功能[2]。

（2）大壩滲流不安全。即壩體或壩基存在滲漏，壩體出現(xiàn)管涌、流土、接觸沖刷等滲透破壞問題。造成的原因主要有：大壩施工時清基或壩基防滲處理不徹底；土石壩填筑壓實度和滲透系數(shù)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)[2]；土石壩兩岸岸坡與壩體接觸部位存在薄弱帶等。

（3）上游壩坡不安全。上游壩坡存在的問題主要有滑坡、局部塌坑以及護(hù)坡?lián)p壞等問題。造成的原因主要有：建設(shè)時大壩填筑壓實度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)；上游水位變化對護(hù)坡的侵蝕作用；較大滲流的影響。護(hù)坡?lián)p壞則主要是由于混凝土老化引起的。

（4）壩頂。壩頂存在的問題主要有防浪墻不封閉或損壞，道路不平整。造成的原因主要有：水庫運(yùn)用時防浪墻的老化或破壞以及壩頂?shù)缆返膿p壞。

（5）下游壩坡不安全。下游壩坡存在的問題主要有滑坡、局部塌坑以及排水系統(tǒng)不完善等問題。造成的原因主要有：建設(shè)時壩體填筑質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)；滲流和沉降的影響以及人類活動的破壞等。

（6）下游導(dǎo)滲體不安全。下游導(dǎo)滲體存在的問題主要有滑坡、排水通道堵塞等問題。造成的原因主要有：運(yùn)行期間長時間的滲流作用的影響。

（7）其他問題

①泄洪建筑不安全。即泄洪建筑的強(qiáng)度及穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。溢洪道的問題主要是邊坡及導(dǎo)墻不穩(wěn)、兩岸山體滑坡、堰體失穩(wěn)等[3]。

②輸水建筑物不安全。輸水建筑物的主要問題是：壩內(nèi)涵管出險和金屬結(jié)構(gòu)以及機(jī)電設(shè)備無法正常使用。

③管理設(shè)施不完善。

④抗震不安全。

⑤其他的諸如庫區(qū)山體滑坡，白蟻等生物性災(zāi)害也會引起相應(yīng)的安全隱患。

2 小型土石壩病險加固辦法

通過前文中所描述的小型土石壩的主要病險，給出相應(yīng)病險的解決辦法：

（1）水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)較低。對于防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低的水庫，首先要對基本的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查和完善，確保各類基本數(shù)據(jù)都被統(tǒng)計在內(nèi)，保證相應(yīng)土石壩的洪水標(biāo)準(zhǔn)與實際情況相符[4]。進(jìn)行洪水復(fù)核后，通過方案比較以確定采取加高大壩或擴(kuò)大泄洪設(shè)施或?qū)烧呓Y(jié)合起來使用，以確保水庫在相應(yīng)的洪水標(biāo)準(zhǔn)下安全運(yùn)行。

（2）大壩滲流不安全。大壩防滲的原則是“上堵下排”，上堵是指通過修建防滲工程減少上游滲流來水量，主要工程措施有防滲鋪蓋、粘性土截水墻、混凝土防滲墻、帷幕灌漿、高噴灌漿、固結(jié)灌漿以及鋪設(shè)土工膜等；下排是指通過下游導(dǎo)滲體的作用使得壩體內(nèi)滲水盡快流出，這就要求導(dǎo)滲體的設(shè)計施工以及后期維護(hù)要引起足夠的重視。滲流是一個連續(xù)并不斷發(fā)展的過程，具有一定的隱蔽性，我們要防患于未然，在平時加大對壩體滲流的監(jiān)測工作，一旦發(fā)現(xiàn)異常，必須查明原因，并采取相應(yīng)的措施。

（3）上游壩坡不安全。解決上游壩坡存在的問題的方法：

①防治大壩滑坡：造成滑坡的主要原因是滑動力大于抗阻力。防治滑坡的原則是盡量減少滑動力和增加抗阻力。常見的滑坡處理方法有開挖回填、放緩壩坡、增設(shè)防滑體、培厚壩體、多種土料摻合和增加防滲設(shè)施等[5]。

②防治大壩塌陷：大壩塌陷主要是由于滲流引起的，其相應(yīng)的解決方案有：開挖回填、壩體灌漿等。

③對于護(hù)坡?lián)p壞問題，可以平整壩坡以后，重新修建即可。

（4）壩頂。解決壩頂存在的問題的方法：防浪墻維修或重建、壩頂交通道路平整或重建。

（5）下游壩坡不安全。解決下游壩坡存在的問題的方法：滑坡、局部塌坑等問題的解決辦法和上游壩坡的解決方案一致；完善排水系統(tǒng)使其成為一個系統(tǒng)，保證排水順暢且不沖刷壩體。

（6）下游導(dǎo)滲體不安全。解決下游導(dǎo)滲體存在的問題的方法：導(dǎo)滲體加固或拆除重建。

（7）其他問題

①泄洪建筑不安全。解決泄洪建筑存在的問題的方法：泄洪系統(tǒng)加固可根據(jù)水庫具體情況采取修補(bǔ)、改建、擴(kuò)建、新建等措施，以使其發(fā)揮正常的作用和功能[6]。具體為邊坡及導(dǎo)墻的加固或者新建，堰體加固，底部護(hù)砌，庫區(qū)邊坡的加固或削坡等。

②輸水建筑物不安全。解決輸水建筑物存在的問題的方法：壩內(nèi)涵管出險：廢棄封堵現(xiàn)有涵管，新建隧洞替代；在涵管內(nèi)部加設(shè)鋼管；金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備無法正常使用的水庫：修補(bǔ)和更換設(shè)備；輸水洞進(jìn)出口損毀：拆除重建輸水洞進(jìn)出口。

③管理設(shè)施不完善。新建管理設(shè)施。

④抗震不安全。需要對壩體進(jìn)行壓實加固或?qū)\層液化土進(jìn)行挖除并重新回填非液化土。

⑤對于山體滑坡應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)段加固；而應(yīng)對白蟻、穴居動物等生物性災(zāi)害，則需要定期檢查，及時捕殺危害性動物，確保大壩安全。

3 實例分析[7]

3.1 工程概況

某小型水庫是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的小（2）型水庫。水庫建于1975年，下游保護(hù)區(qū)內(nèi)有0.10萬人、400畝農(nóng)田，水庫的地理位置重要。水庫總庫容15.56萬m3（除險加固后），工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級。

工程現(xiàn)狀：

大壩為砂殼心墻壩，壩頂高程105.0m，最大壩高16.5m，壩長90m，壩頂寬3.0m；壩頂為土路，坑洼不平；上游壩坡無護(hù)砌，灌木叢生，局部較陡；下游壩坡雜草叢生，壩坡不規(guī)則；干砌石排水棱體陡直。

綜合分析某小型水庫原有資料和現(xiàn)場查勘情況以及理正計算結(jié)果，可知水庫存在的部分主要問題如下：

（1）大壩心墻頂高程不足；

（2）通過計算可得大壩滲透比降不滿足規(guī)范要求；

（3）上游壩坡無護(hù)砌，雜草、灌木叢生，上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求；

（4）下游壩坡雜草叢生；下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求；

（5）排水棱體陡直、損壞。

3.2 工程除險加固方案

3.2.1 工程除險加固方案的確定思路

在確定具體水庫加固方案的時候，我們依據(jù)前文總結(jié)的水庫主要病險的加固辦法，結(jié)合水庫具體特征，考慮方案的效果、可行性以及經(jīng)濟(jì)合理性，最終選定水庫加固方案。

（1）加高心墻，加高心墻可以通過壩頂開挖，重新回填粘土料來完成，或是采用壩體灌漿，用防滲墻加高心墻；

（2）上游壩坡放緩，清理表層壩坡，新建混凝土護(hù)坡；

（3）下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求：下游壩坡放緩，清理表層壩坡，新建壩面排水系統(tǒng)；

（4）排水棱體續(xù)建。

3.2.2 工程除險加固前后的理論計算對比

1）加固前大壩滲透穩(wěn)定復(fù)核

（1）大壩滲流

大壩滲流計算使用理正軟件；計算斷面選取大壩主河槽段最大壩高斷面。

基本計算參數(shù)：

表1 壩工計算土體參數(shù)

計算結(jié)果：按照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》[8]（SL189-96）規(guī)定，允許滲透坡降：

[J]=（Gs-1）（1-n）/K（1）

式中：Gs——土的土粒比重；n——土的孔隙率；

K——安全系數(shù)，取1.5～2，此次取1.5。

壩體填土（砂殼）：Gs=2.65，e=0.650，n=e/（1+e）=0.394

[J]=（2.65-1）（1-0.394）/1.5=0.667

壩體填土（心墻）：Gs=2.7，e=0.735，n=e/（1+e）=0.424

[J]=（2.70-1）（1-0.424）/1.5=0.653

不同工況下，大壩現(xiàn)狀滲流計算結(jié)果匯總于表2。

表2 大壩加固前滲透計算成果表

滲透穩(wěn)定分析結(jié)論：由計算成果得出，在興利水位和校核水位運(yùn)行工況下，壩體滲透坡降均不滿足規(guī)范要求。

（2）大壩穩(wěn)定采用瑞典圓弧法計算，使用理正軟件；計算斷面選取大壩主河槽段最大壩高斷面。加固前大壩穩(wěn)定復(fù)核結(jié)果匯總?cè)绫?。

表3 大壩現(xiàn)狀穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果表

從表3中可以看出，在各種運(yùn)行工況下，大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。

2）加固后大壩滲透穩(wěn)定復(fù)核

（1）大壩滲透穩(wěn)定計算

計算參數(shù)同加固前。加固后滲流計算結(jié)果匯總?cè)绫?。

表4 大壩加固后滲流計算成果表

從表4可以看出：在各種運(yùn)行工況下，加固后大壩滲透坡降均滿足規(guī)范要求。

（2）壩坡穩(wěn)定計算

計算參數(shù)同加固前。計算成果列于表5。

表5 大壩加固后穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果表

從表5可以看出：在各種特征水位運(yùn)行工況下，大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

通過文中水庫加固前后的理論計算結(jié)果：大壩加固前在興利水位和校核水位運(yùn)行工況下，壩體滲透坡降均不滿足規(guī)范要求；在各種運(yùn)行工況下，大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。在采取加固措施后，通過理論計算我們可以知道：大壩加固后在各種運(yùn)行工況下，壩體滲透坡降均滿足規(guī)范要求；大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。通過上述分析我們知道加固方案解決了水庫的病險問題，同時結(jié)合水庫的具體情況，可知加固方案具有可行性，可以實施。

4 總結(jié)

本文通過簡述小型土石壩水庫的病險情況以及各種病險情況所對應(yīng)的工程措施。針對某工程實例，采用有限元分析軟件對病險土石壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定計算，并對其邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析，驗證其除險加固措施的合理性與可行性，評價壩體加固前后的安全性對比，論證除險加固工程措施的效果；并對工程設(shè)計過程中所存在的問題進(jìn)行分析，力求設(shè)計方案可以最大限度的降低成本和提高工程質(zhì)量。

在對水庫除險加固時，我們應(yīng)該進(jìn)行詳細(xì)的研究，針對水庫的具體病險情況，做出相應(yīng)的工程的措施。針對水庫的薄弱環(huán)節(jié)，或者是在使用過程中發(fā)現(xiàn)的隱患做相應(yīng)的工程措施，以解決問題；同時水庫工程又是一個有機(jī)的整體，任何一部分發(fā)生變化，都會對別的部位產(chǎn)生影響，除險加固工程應(yīng)該保證可以解決問題，同時又不產(chǎn)生新的問題并兼具較高的性價比。本文中所論述的小型土石壩水庫的除險加固流程和方案確定原則對于我國正在開展的病險水庫除險加固工作具有重要的借鑒意義。

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[7]某小型水庫除險加固初步設(shè)計報告[D].華北水利水電大學(xué)，2013.

[8]SL189-96 小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S].

[責(zé)任編輯：湯靜]