廣東省某小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃遠(yuǎn)帆

(梅州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，廣東 梅州 514000)

1 小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固的重要性

廣東省絕大部分小型水庫(kù)建設(shè)于1960年左右，由于技術(shù)落后、資金缺乏等原因，原有水庫(kù)的建設(shè)質(zhì)量已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代實(shí)際需要；同時(shí)許多水庫(kù)在建設(shè)完成后未進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)管理，導(dǎo)致在運(yùn)行中存在不同程度的病險(xiǎn)問(wèn)題，潛在威脅下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展都具有十分重要的意義。

(1)提升水庫(kù)質(zhì)量，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。水庫(kù)是具有防洪、灌溉及供水等諸多功能的人工湖泊，不僅能保障國(guó)家工業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食生產(chǎn)安全，還在雨季具有調(diào)節(jié)洪水的功能，可以及時(shí)泄洪或者蓄洪[1]。如果水庫(kù)存在病險(xiǎn)問(wèn)題，其調(diào)洪能力將極大地降低，一旦發(fā)生垮壩，將對(duì)下游造成災(zāi)難性的后果。小型水庫(kù)的除險(xiǎn)加固對(duì)保障人類社會(huì)生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義[2]。

(2)提高水庫(kù)性能，充分發(fā)揮其效益。小型水庫(kù)的除險(xiǎn)加固可以充分發(fā)揮抵御干旱、洪水等自然災(zāi)害，保證工農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)和人類社會(huì)的正常運(yùn)行，對(duì)我國(guó)水利事業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展具有不可或缺的作用；而且水庫(kù)可以保持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，有效避免自然災(zāi)害的發(fā)生。加強(qiáng)小型水庫(kù)的除險(xiǎn)加固能夠提高水庫(kù)自身性能，進(jìn)而充分發(fā)揮其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益[3]。

(3)有效緩解水資源短缺。我國(guó)原本就屬于水資源較為短缺的國(guó)家，近年來(lái)隨著人口總量的進(jìn)一步增加，水資源短缺矛盾更加嚴(yán)峻，合理的水庫(kù)規(guī)劃則可以有效解決水資源短缺問(wèn)題[4]。目前許多大中型水庫(kù)供工業(yè)和城市用水，而小型水庫(kù)供農(nóng)業(yè)和農(nóng)村城鎮(zhèn)用水，由此小型水庫(kù)在推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和提高農(nóng)民生活質(zhì)量等方面起著關(guān)鍵的作用。但是大部分小型水庫(kù)年久失修，存在大量潛在威脅，導(dǎo)致水資源側(cè)滲流失或者雨季無(wú)法蓄水，造成水資源嚴(yán)重浪費(fèi)。小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作不僅是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的具體實(shí)踐，也是保障城鄉(xiāng)飲水安全和緩解水資源短缺的現(xiàn)實(shí)需要。

2 除險(xiǎn)加固工程技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 堆石壩體技術(shù)

堆石壩體是我國(guó)現(xiàn)代除險(xiǎn)加固工程中的常用壩體技術(shù)之一。該技術(shù)在實(shí)際施工過(guò)程中要求堆石壓實(shí)容重為23 kN/m3，孔隙率在30%以下，相對(duì)密度范圍應(yīng)在0.7以上。大塊石料占總石料的60%，中塊石料占30%，小塊石料占10%，且選用質(zhì)地堅(jiān)硬的石料，墊層碎石的顆粒直徑應(yīng)在自然厚度范圍之內(nèi)，通常為2～4 cm。采用“隨鋪隨砌”施工原則，以避免因出現(xiàn)碎石精細(xì)顆粒分離，而導(dǎo)致墊層石料由庫(kù)壩頂端向下傾倒的情況發(fā)生。

2.2 壩體粘土斜墻技術(shù)

壩體粘土斜墻技術(shù)是拆除水庫(kù)原壩坡表層已龜裂、疏松的廢棄土料，重新采用新鮮的夯實(shí)土料對(duì)壩體粘土斜墻進(jìn)行置換。該項(xiàng)技術(shù)通常運(yùn)用薄層輪加法，每層平均增加20 cm，并進(jìn)行夯實(shí)。滲透系數(shù)通常在1.0×10-5cm/s以下，壓實(shí)度應(yīng)在0.95以上；并需對(duì)每一填筑層進(jìn)行自檢和抽檢，未達(dá)標(biāo)的部位必須及時(shí)補(bǔ)壓或著進(jìn)行局部處理，直至復(fù)驗(yàn)合格后才可以進(jìn)行下一道工序。

2.3 灌漿技術(shù)

河壩灌漿技術(shù)具有投資小、效果好、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，一般應(yīng)在水庫(kù)水位較低時(shí)進(jìn)行施工，并且在灌漿前應(yīng)做灌漿試驗(yàn)[5]。此技術(shù)要求水泥采用32.5級(jí)綜合水泥，必須帶有出廠合格證；砂礫石中含泥率應(yīng)低于1%，針片形砂礫石超徑低于5%，細(xì)度模數(shù)應(yīng)控制在1.6～3.0范圍之間。常見(jiàn)的灌漿技術(shù)有帷幕灌漿、充填灌漿和劈裂灌漿技術(shù)等。帷幕灌漿技術(shù)是小型水庫(kù)壩基滲漏的有效防滲措施，其技術(shù)通常采用自上而下分段灌漿法，要求孔位與原設(shè)計(jì)偏差值小于10 cm，孔徑大于46 mm。依據(jù)滲透填充理論，采用充填灌漿的方法，對(duì)壩體土層空隙進(jìn)行低壓灌注，以提高河壩的防滲能力，灌漿壓力通常小于4.9×104Pa，灌漿材料采用普通水泥黏土漿液，要求水泥含量占20%。劈裂灌漿是以大于臨界水壓的壓力對(duì)河壩土層先劈裂，然后對(duì)裂縫及洞穴進(jìn)行灌漿。在水泥劈裂灌漿技術(shù)的應(yīng)用中，應(yīng)沿壩體軸線方向梅花狀方式布置，一般灌漿孔為2排，排間距為1 m，孔間距為2 m，孔徑應(yīng)為100 mm。劈裂灌漿的專業(yè)性極強(qiáng)，需要針對(duì)不同的土體進(jìn)行定向劈裂，一旦劈裂出現(xiàn)誤差，將嚴(yán)重影響整個(gè)工程的質(zhì)量。因此，在劈裂灌漿工程中對(duì)施工隊(duì)伍、灌漿質(zhì)量及施工監(jiān)測(cè)均具有較高的要求。

3 某小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 水庫(kù)工程概況

某水庫(kù)始建于1981年，2000年修整水庫(kù)大壩的壩坡、棱柱反濾和溢洪道，2009年進(jìn)行了除險(xiǎn)加固施工， 2020年進(jìn)行了安全鑒定，確定該水庫(kù)為三類等級(jí)壩，需要及時(shí)進(jìn)行水庫(kù)除險(xiǎn)加固。該水庫(kù)是1座集灌溉、防洪功能的小型水庫(kù)，集水面積為1.1 km2，水庫(kù)正常水位為181.50 m，庫(kù)容量為16.49萬(wàn)m3；其水庫(kù)主要由大壩、溢洪道和附屬設(shè)施等建筑組成。該水庫(kù)大壩最大壩高25.2 m，壩頂寬度為5.0 m，軸線長(zhǎng)116.0 m。大壩后壩腳采用棱體反濾體，反濾長(zhǎng)59 m，頂寬2.6 m，反濾高4.1 m，外坡平均坡比1∶1.2。輸水涵涵管全長(zhǎng)106.6 m，放水開(kāi)關(guān)采用手動(dòng)斜拉桿式閘門控制，拉桿采用φ60mm實(shí)心鐵。開(kāi)敞式溢洪道設(shè)于大壩左側(cè)，溢洪道進(jìn)口段長(zhǎng)寬為9.0 m×6.0 m，控制段長(zhǎng)寬14.3 m×3.3 m。最大下泄流量19.0 m3/s(P=0.5%)。依據(jù)水利部門的相關(guān)規(guī)定，若不及時(shí)對(duì)該水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理，水庫(kù)將無(wú)法正常蓄水，以致無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的效益。因此，水庫(kù)必須安全加固，消除不安全因素，發(fā)揮水庫(kù)的正常效益。

3.2 大壩存在的問(wèn)題

(1)大壩運(yùn)行大事記和臺(tái)賬等運(yùn)行管理資料不完善，日常巡查管理不夠到位。水庫(kù)未配備適用的抗震措施及防震減災(zāi)預(yù)案。

(2)水庫(kù)壩體填土滲透系數(shù)偏大，壩頂和后坡有多處白蟻活動(dòng)跡象，后坡縱橫排水溝淤積和被植被覆蓋，壩頂公示牌損壞和不完善，前坡混凝土護(hù)坡部分損壞，混凝土護(hù)坡未設(shè)排水孔，壩頂、前、后坡雜草較多。大壩后坡部分區(qū)域有下沉和沖溝現(xiàn)象，第三級(jí)壩坡坡比和原設(shè)計(jì)坡比相差較大。大壩后坡部分抗滑穩(wěn)定性沒(méi)有達(dá)到規(guī)范要求。

(3)大壩后坡抗震穩(wěn)定性沒(méi)有達(dá)到規(guī)范要求。水庫(kù)現(xiàn)有防汛物資儲(chǔ)備數(shù)量和種類不符合規(guī)范要求。水庫(kù)大壩缺少沉降、位移監(jiān)測(cè)等設(shè)施。

3.3 大壩加固設(shè)計(jì)

3.3.1 前坡加固設(shè)計(jì)

在大壩安全鑒定階段通過(guò)抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，大壩前坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，因此維持坡比1∶2.65不變。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安全檢查情況，護(hù)坡混凝土面板部分出現(xiàn)凹陷和裂縫，并且未設(shè)置排水孔，擬拆除原有混凝土護(hù)坡后，重新現(xiàn)澆前坡C20混凝土護(hù)坡厚0.12 m，單塊混凝土護(hù)坡尺寸長(zhǎng)寬3.0 m×3.0 m，分縫采用2 cm寬的瀝青松木板，下墊瀝青油毛氈一層，寬度為30 cm，護(hù)坡底平鋪砂礫石墊層厚0.12 m，排水孔橫向、縱向間距為2.5 m，呈梅花樁布置；同時(shí)在排水孔下墊鋪土工布，避免滲漏及淤泥堵塞。

3.3.2 后坡加固設(shè)計(jì)

加固前后坡坡比分別為1∶2.60、1∶2.42和1∶2.06，通過(guò)抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，大壩后坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。加固后后坡坡比分別為1∶2.60、1：2.42和1∶2.50，對(duì)第三級(jí)壩坡進(jìn)行培厚，重建第二級(jí)馬道處排水溝，排水溝長(zhǎng)87 m，后坡面采用植草護(hù)坡。

3.3.3 反濾體加固設(shè)計(jì)

根據(jù)大壩安全鑒定成果，計(jì)算得知大壩后坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)沒(méi)有達(dá)到規(guī)范要求，原設(shè)計(jì)棱體反濾體高為5.0 m，現(xiàn)狀棱體反濾體高4.1 m比原設(shè)計(jì)低了0.9 m。本次加固擬加高反慮體以降低壩體浸潤(rùn)線，使得大壩后坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果能滿足規(guī)范要求，加固后棱體反濾體高為5.5 m，頂寬1.5 m，外坡平均坡比1∶1.5；其中樁號(hào)K0+52.6到樁號(hào)K0+81.3段基礎(chǔ)需要加深，暫定為3 m，基礎(chǔ)加深段長(zhǎng)30 m，棱體反濾體總長(zhǎng)73 m。

3.3.4 壩體灌漿技術(shù)

根據(jù)地勘資料和《大壩安全評(píng)價(jià)報(bào)告》中滲流復(fù)核計(jì)算，該水庫(kù)大壩的滲透系數(shù)較大。為提高壩體的防滲能力，本次除險(xiǎn)加固工程采用水泥漿液加壓封堵壩體巖層中存在的洞穴和裂隙，擬設(shè)計(jì)對(duì)壩基和壩體分別采用帷幕灌漿技術(shù)和充填灌漿技術(shù)。在水庫(kù)壩頂沿壩軸線布置2排灌漿孔，排間距為2 m，孔間距為5 m，深度至壩基以下2 m處，呈梅花樁布置。灌漿材料成分為純水泥漿，其中含有10%水泥的黏土漿。灌漿后工程效果應(yīng)達(dá)到密度為1.3～1.6 t/m3，黏度為30～100 s，膠體率大于80%，壩體穩(wěn)定性小于0.1 g/cm，失水量在10～30ml/30 min之間，具體灌漿壓力值通過(guò)灌注試驗(yàn)確定。同時(shí)，在施工結(jié)束后，需采用鉆孔方式檢查灌漿效果。

4 展 望

小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固是水利工程建設(shè)領(lǐng)域的重要任務(wù)之一。目前我國(guó)小型水庫(kù)約有10萬(wàn)座，但是大部分始建于20世紀(jì)60年代，受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)條件和建設(shè)技術(shù)的制約，以及后期對(duì)維護(hù)管理的不重視，致使有40%以上的水庫(kù)病險(xiǎn)問(wèn)題突出，嚴(yán)重威脅國(guó)家社會(huì)及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全；因此，小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固已成為一項(xiàng)迫在眉睫的重點(diǎn)工程[6]。

壩體灌漿技術(shù)是水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的核心內(nèi)容，目前灌漿防滲技術(shù)眾多，但各種技術(shù)均存在不同問(wèn)題[7]。例如，帷幕灌漿技術(shù)必須控制好灌漿的壓力，壓力不足難以充分灌漿，影響防滲效果，壓力過(guò)大容易破壞壩體結(jié)構(gòu)，形成新的病險(xiǎn)；充填灌漿技術(shù)是對(duì)壩體防滲處理使用最早的方法，但是大量實(shí)踐表明，此技術(shù)的成墻性差，防滲效果不佳，特別不適于大面積壩體土層的防滲；劈裂灌漿技術(shù)需要考慮壩體的應(yīng)力分布條件，如果劈裂的方向及力度出現(xiàn)誤差，極容易對(duì)大壩造成毀滅性破壞。因此，在現(xiàn)實(shí)的施工中要求足夠細(xì)致，選取最適合的灌漿技術(shù)進(jìn)行壩體除險(xiǎn)加固，同時(shí)應(yīng)加大對(duì)除險(xiǎn)加固技術(shù)的研究，在保證水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果的基礎(chǔ)上向簡(jiǎn)捷化、精準(zhǔn)化及信息化的方向發(fā)展。

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