黃云超　喬一樂(lè)　孫文杰

【摘 要】本文簡(jiǎn)述了我國(guó)病險(xiǎn)水庫(kù)的病險(xiǎn)情況以及各種病險(xiǎn)情況所對(duì)應(yīng)的工程措施。針對(duì)某工程實(shí)例，采用理正軟件對(duì)病險(xiǎn)土石壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算，并對(duì)其邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析，驗(yàn)證其除險(xiǎn)加固措施的合理性，并分析其可行性，評(píng)價(jià)壩體加固前后的安全性對(duì)比，論證除險(xiǎn)加固工程措施的效果。對(duì)于目前我國(guó)正在開(kāi)展的病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作具有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】病險(xiǎn)土石壩；除險(xiǎn)加固；加固措施

0 引言

我國(guó)的水庫(kù)建成數(shù)量居于世界首位，但同時(shí)水庫(kù)病險(xiǎn)問(wèn)題十分突出。病險(xiǎn)水庫(kù)，國(guó)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(wèn)題而不能正常運(yùn)行的水庫(kù)，也即《大壩安全鑒定辦法》規(guī)定的三類(lèi)壩。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2013年3月，中國(guó)共修建中小型水庫(kù)97264座，其中大部分為土石壩，這些水庫(kù)中仍然有47614座病險(xiǎn)水庫(kù)，占總數(shù)的49%，其中包括1096座中型水庫(kù)和46518座小型水庫(kù)（其中?。?）型水庫(kù)5400座，小（2）型水庫(kù)41118座）[1]。

我國(guó)的病險(xiǎn)水庫(kù)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(shí)的條件，水庫(kù)在施工過(guò)程中往往存在或多或少的問(wèn)題，使得工程在建成之初就存在一定的問(wèn)題；再加上運(yùn)行多年，水庫(kù)自身的老化，使得水庫(kù)的病險(xiǎn)比率比較高。病險(xiǎn)水庫(kù)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(xiǎn)水庫(kù)抵御洪水的能力較低，故在雨季病險(xiǎn)水庫(kù)的潰壩率要高于一般水庫(kù)，一旦失事，后果不堪設(shè)想。為保證水庫(kù)安全運(yùn)行、正常發(fā)揮效益，對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固就是一個(gè)緊迫的任務(wù)。

1 小型土石壩病險(xiǎn)特點(diǎn)

通過(guò)分析現(xiàn)有小型水庫(kù)土石壩中所存在的各類(lèi)安全隱患，總結(jié)出了以下幾個(gè)方面的小型水庫(kù)土石壩的安全問(wèn)題：

（1）水庫(kù)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(wèn)題。造成的原因主要有：大壩施工時(shí)清基或壩基防滲處理不徹底；土石壩填筑壓實(shí)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(wèn)題主要有滑坡、局部塌坑以及護(hù)坡?lián)p壞等問(wèn)題。造成的原因主要有：建設(shè)時(shí)大壩填筑壓實(shí)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)；上游水位變化對(duì)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(wèn)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(kù)運(yùn)用時(shí)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(wèn)題主要有滑坡、局部塌坑以及排水系統(tǒng)不完善等問(wèn)題。造成的原因主要有：建設(shè)時(shí)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(lèi)活動(dòng)的破壞等。

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

（7）其他問(wèn)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(wèn)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(wèn)題是：壩內(nèi)涵管出險(xiǎn)和金屬結(jié)構(gòu)以及機(jī)電設(shè)備無(wú)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(kù)區(qū)山體滑坡，白蟻等生物性災(zāi)害也會(huì)引起相應(yīng)的安全隱患。

2 小型土石壩病險(xiǎn)加固辦法

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

（1）水庫(kù)的防洪標(biāo)準(zhǔn)較低。對(duì)于防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低的水庫(kù)，首先要對(duì)基本的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查和完善，確保各類(lèi)基本數(shù)據(jù)都被統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，保證相應(yīng)土石壩的洪水標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際情況相符[4]。進(jìn)行洪水復(fù)核后，通過(guò)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(lái)使用，以確保水庫(kù)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(guò)修建防滲工程減少上游滲流來(lái)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(guò)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(jì)施工以及后期維護(hù)要引起足夠的重視。滲流是一個(gè)連續(xù)并不斷發(fā)展的過(guò)程，具有一定的隱蔽性，我們要防患于未然，在平時(shí)加大對(duì)壩體滲流的監(jiān)測(cè)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(wèn)題的方法：

①防治大壩滑坡：造成滑坡的主要原因是滑動(dòng)力大于抗阻力。防治滑坡的原則是盡量減少滑動(dòng)力和增加抗阻力。常見(jiàn)的滑坡處理方法有開(kāi)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(kāi)挖回填、壩體灌漿等。

③對(duì)于護(hù)坡?lián)p壞問(wèn)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(wèn)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(wèn)題的方法：滑坡、局部塌坑等問(wèn)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(gè)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(wèn)題的方法：導(dǎo)滲體加固或拆除重建。

（7）其他問(wèn)題

①泄洪建筑不安全。解決泄洪建筑存在的問(wèn)題的方法：泄洪系統(tǒng)加固可根據(jù)水庫(kù)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(kù)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(wèn)題的方法：壩內(nèi)涵管出險(xiǎn)：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(wú)法正常使用的水庫(kù)：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(duì)壩體進(jìn)行壓實(shí)加固或?qū)\層液化土進(jìn)行挖除并重新回填非液化土。

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

3 實(shí)例分析[7]

3.1 工程概況

某小型水庫(kù)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?。?）型水庫(kù)。水庫(kù)建于1975年，下游保護(hù)區(qū)內(nèi)有0.10萬(wàn)人、400畝農(nóng)田，水庫(kù)的地理位置重要。水庫(kù)總庫(kù)容15.56萬(wàn)m3（除險(xiǎn)加固后），工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)。

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(zhǎng)90m，壩頂寬3.0m；壩頂為土路，坑洼不平；上游壩坡無(wú)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(kù)原有資料和現(xiàn)場(chǎng)查勘情況以及理正計(jì)算結(jié)果，可知水庫(kù)存在的部分主要問(wèn)題如下：

（1）大壩心墻頂高程不足；

（2）通過(guò)計(jì)算可得大壩滲透比降不滿足規(guī)范要求；

（3）上游壩坡無(wú)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(xiǎn)加固方案

3.2.1 工程除險(xiǎn)加固方案的確定思路

在確定具體水庫(kù)加固方案的時(shí)候，我們依據(jù)前文總結(jié)的水庫(kù)主要病險(xiǎn)的加固辦法，結(jié)合水庫(kù)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(kù)加固方案。

（1）加高心墻，加高心墻可以通過(guò)壩頂開(kāi)挖，重新回填粘土料來(lái)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(xiǎn)加固前后的理論計(jì)算對(duì)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(jì)算使用理正軟件；計(jì)算斷面選取大壩主河槽段最大壩高斷面。

基本計(jì)算參數(shù)：

表1 壩工計(jì)算土體參數(shù)

計(jì)算結(jié)果：按照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果匯總于表2。

表2 大壩加固前滲透計(jì)算成果表

滲透穩(wěn)定分析結(jié)論：由計(jì)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(jì)算，使用理正軟件；計(jì)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(jì)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(jì)算

計(jì)算參數(shù)同加固前。加固后滲流計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?。

表4 大壩加固后滲流計(jì)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(jì)算

計(jì)算參數(shù)同加固前。計(jì)算成果列于表5。

表5 大壩加固后穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)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(guò)文中水庫(kù)加固前后的理論計(jì)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(guò)理論計(jì)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(guò)上述分析我們知道加固方案解決了水庫(kù)的病險(xiǎn)問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合水庫(kù)的具體情況，可知加固方案具有可行性，可以實(shí)施。

4 總結(jié)

本文通過(guò)簡(jiǎn)述小型土石壩水庫(kù)的病險(xiǎn)情況以及各種病險(xiǎn)情況所對(duì)應(yīng)的工程措施。針對(duì)某工程實(shí)例，采用有限元分析軟件對(duì)病險(xiǎn)土石壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算，并對(duì)其邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析，驗(yàn)證其除險(xiǎn)加固措施的合理性與可行性，評(píng)價(jià)壩體加固前后的安全性對(duì)比，論證除險(xiǎn)加固工程措施的效果；并對(duì)工程設(shè)計(jì)過(guò)程中所存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，力求設(shè)計(jì)方案可以最大限度的降低成本和提高工程質(zhì)量。

在對(duì)水庫(kù)除險(xiǎn)加固時(shí)，我們應(yīng)該進(jìn)行詳細(xì)的研究，針對(duì)水庫(kù)的具體病險(xiǎn)情況，做出相應(yīng)的工程的措施。針對(duì)水庫(kù)的薄弱環(huán)節(jié)，或者是在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的隱患做相應(yīng)的工程措施，以解決問(wèn)題；同時(shí)水庫(kù)工程又是一個(gè)有機(jī)的整體，任何一部分發(fā)生變化，都會(huì)對(duì)別的部位產(chǎn)生影響，除險(xiǎn)加固工程應(yīng)該保證可以解決問(wèn)題，同時(shí)又不產(chǎn)生新的問(wèn)題并兼具較高的性?xún)r(jià)比。本文中所論述的小型土石壩水庫(kù)的除險(xiǎn)加固流程和方案確定原則對(duì)于我國(guó)正在開(kāi)展的病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作具有重要的借鑒意義。

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[責(zé)任編輯：湯靜]