徐真劍，李 蓓，姜玉濤，王智杰

（1.湖州南太湖水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 湖州 313000；2. 浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1 問題的提出

我國(guó)是世界上水庫(kù)擁有量最多的國(guó)家，截至2007年，全國(guó)已有大、中、小型水庫(kù)共87076 座（截至2011年年底，在短短5 a左右水庫(kù)總數(shù)已達(dá)到98002座[1]，增速之快，令世人驚嘆），其中各類病險(xiǎn)水庫(kù)有38019座，小型病險(xiǎn)水庫(kù)有35586座[2]，足足占了病險(xiǎn)水庫(kù)總數(shù)的93.6%。病險(xiǎn)水庫(kù)的定義，根據(jù)現(xiàn)行的《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[3]和《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》（水管建[2003]271號(hào)），認(rèn)為廣義上的“病險(xiǎn)水庫(kù)”除了指鑒定為“三類壩”的水庫(kù)外，還應(yīng)包括“二類壩”的水庫(kù)，均應(yīng)進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理；只因三類壩的水庫(kù)病險(xiǎn)程度明顯高于二類壩的水庫(kù)，應(yīng)立即限期處理，才能保障其正常安全運(yùn)行。

既有的病險(xiǎn)水庫(kù)數(shù)量多、問題突出（鑒于當(dāng)時(shí)興建時(shí)受技術(shù)及指導(dǎo)思想等條件的限制[4]，尤其是小型病險(xiǎn)水庫(kù)），不但制約水庫(kù)效益的發(fā)揮，同時(shí)嚴(yán)重威脅下游人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，而且影響生態(tài)環(huán)境，一直以來備受國(guó)家中央和水利部的重視[5-6]。因此，除險(xiǎn)加固工作已緊鑼密鼓地開展，目前大規(guī)模的除險(xiǎn)加固工程已經(jīng)基本完成[7-12]。與此同時(shí)，我國(guó)在病險(xiǎn)水庫(kù)治理技術(shù)方面也積累了不少寶貴的經(jīng)驗(yàn)[12-15]，白永年在文獻(xiàn)[16]中指出，優(yōu)化綜合治理技術(shù)是目前治理水庫(kù)的最好技術(shù)形式。

除險(xiǎn)加固工程完成之后，各水庫(kù)管理單位的工作重點(diǎn)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ坦芾韀17]。由于小型水庫(kù)管理單位管理水平有限，現(xiàn)階段亟需實(shí)現(xiàn)水庫(kù)由粗放管理向精細(xì)化管理，由傳統(tǒng)人工管理向現(xiàn)代水利標(biāo)準(zhǔn)化管理的轉(zhuǎn)變[18-19]。隨著信息、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)和輔助硬件設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，一種綜合安全監(jiān)測(cè)、超限預(yù)警、巡視檢查和應(yīng)急響應(yīng)等功能要素的工程安全管理體系在水利信息化管理中建立起來[20-21]，為有效解決水庫(kù)的安全運(yùn)行管理提供技術(shù)手段和決策支持。

本文以湖州市首座通過標(biāo)準(zhǔn)化管理市級(jí)驗(yàn)收的小型水庫(kù)—長(zhǎng)興縣青山水庫(kù)為依托，對(duì)小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的治理技術(shù)及信息化管理問題進(jìn)行探討和研究。供全省水利同行相互學(xué)術(shù)交流之用，以期為浙江省水庫(kù)工程的信息化管理（包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化）提供研究和實(shí)施參考。

2 工程概況及病險(xiǎn)問題

2.1 工程概況

青山水庫(kù)位于長(zhǎng)興縣和平鎮(zhèn)沙埠村，屬西苕溪流域曉墅港支流[22]。庫(kù)區(qū)集雨面積3.4 km2，主流長(zhǎng)4.0 km，主流平均坡降為2.60%，總庫(kù)容109.90萬m3，是一座以灌溉及供水為主、結(jié)合防洪等綜合利用的?。?）型水庫(kù)；水庫(kù)供水規(guī)模3000 m3/d，灌溉面積233.3 hm2，防洪保護(hù)人口2300人、耕地166.7 hm2。現(xiàn)狀水庫(kù)樞紐由大壩、溢洪道和輸水涵洞組成，大壩壩型為類均質(zhì)壩，壩頂高程60.20 m（上游側(cè)設(shè)有防浪墻），最大壩高為22.00 m；溢洪道為敞開式寬頂堰，位于大壩左岸，堰頂寬12.50 m；輸水涵洞為壩下埋管，位于大壩右岸，洞長(zhǎng)87 m。

2.2 水庫(kù)存在的病險(xiǎn)問題

根據(jù)《青山水庫(kù)大壩安全技術(shù)認(rèn)定報(bào)告書》（2012.06），本次除險(xiǎn)加固前，青山水庫(kù)在樞紐“三大件”及安全監(jiān)測(cè)方面存在著如下主要病險(xiǎn)問題[22]：①大壩右背坡滲水及排水溝內(nèi)常年漏水。②溢洪道泄槽段的護(hù)底混凝土局部破損，挑流消能段的下游未有工程措施進(jìn)行保護(hù)，泄流時(shí)易對(duì)下游造成沖刷破壞，影響溢洪道正常泄洪安全。③輸水涵洞為壩下埋管，啟閉拉桿銹蝕嚴(yán)重，存在安全隱患。④水庫(kù)大壩自建成以來，未設(shè)置變形等觀測(cè)設(shè)施，遙測(cè)水位精度較差。

3 青山水庫(kù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的治理技術(shù)

3.1 壩體及壩基防滲體系設(shè)計(jì)

3.1.1 防滲加固方案

水庫(kù)大壩的垂直防滲加固措施主要有：沖抓套井回填黏土防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻、黏土劈裂灌漿及土工膜防滲等[23-25]。因劈裂灌漿和土工膜的耐久性及可靠性較差，故選用沖抓套井回填[26-27]與高壓噴射（旋噴）灌漿防滲墻[25]進(jìn)行方案比選，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表1。

表1 壩體防滲加固方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

根據(jù)表1對(duì)比分析，結(jié)合青山水庫(kù)大壩特點(diǎn)和存在滲漏問題，選擇施工方法簡(jiǎn)單、投資少、施工質(zhì)量有保證且防滲效果好的“方案Ⅰ”為壩體防滲方案。又考慮到壩基防滲通常采用帷幕灌漿處理[27-28]，因此最終所采用的防滲綜合治理技術(shù)方案為“套井回填+帷幕灌漿”—大壩壩體防滲采用全壩段（除兩側(cè)壩肩挖除原土后回填黏土）均采用雙排黏土套井處理，相應(yīng)壩基防滲采用帷幕灌漿處理，從而建立起1道有效的封閉防滲屏障。

圖1 雙排套井平面布置圖（加固后） 單位：cm

3.1.2 沖抓套井回填設(shè)計(jì)

3.1.2.1 套井平面布置

大壩壩體沖抓套井回填黏土防滲墻設(shè)計(jì)中心軸線布置于偏離壩頂軸線靠背水坡0.35 m的位置處，沿大壩全長(zhǎng)布置。主、套井間隔布置，一主一套相交成井墻，套井為整圓，主井被套井切割后呈蝕圓，雙排套井平面布置見圖1。井孔連接見圖2。

圖2 井孔連接圖 單位：cm

3.1.2.2 套井的排數(shù)、排距與孔距

套井的排數(shù)（即需要的套井回填黏土防滲墻的厚度），由滲透穩(wěn)定計(jì)算決定，求得的滲透坡降小于允許滲透坡降即可。初步確定防滲墻的有效厚度計(jì)算公式如下：

式中：T為有效墻厚，m；ΔH為黏土防滲墻承擔(dān)的最大水頭差，取6.50 m（經(jīng)大壩滲流計(jì)算）；J為防滲墻允許滲透坡降，本工程取6.0。

經(jīng)計(jì)算，T ≈ 1.10 m。

本工程設(shè)計(jì)防滲墻采用2排鉆孔組成，鉆孔直徑110 cm，排距85 cm，孔距80 cm。井孔連接見圖2。其有效厚度按下式計(jì)算：

式中：Lp為排距，取0.85 m；R為鉆孔半徑, 取0.55 m；Lk為孔距，取0.80 m；T2為防滲墻有效厚度，m。

經(jīng)計(jì)算，T2≈ 1. 60 m ＞T，滿足滲透穩(wěn)定要求。

3.2 溢洪道加固及體型優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)溢洪道存在的問題，提出過2個(gè)溢洪道的加固方案，即“利用老溢洪道改建的方案”（方案Ⅰ）和“重建溢洪道方案”（方案Ⅱ）。

一方面，為了研究方案Ⅰ的可行性及其具體改建措施，特邀請(qǐng)浙江省水利河口研究院對(duì)青山水庫(kù)溢洪道做水工模型試驗(yàn)[29-30]，經(jīng)過反復(fù)模型試驗(yàn)的研究，得到溢洪道體型優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體措施為：①設(shè)置高低槽和貼角，即在溢0+059.05 ～ 溢0 +078.60 m范圍內(nèi)設(shè)置高低槽，前后各設(shè)長(zhǎng)度為8.00 m的過渡段。高槽表面橫比降為1:10.0，右側(cè)和低槽相接處直立墻高度均為0.75 m。溢0+066.80 ～ 溢0+078.60 m設(shè)置高0.80 m的貼角，位于高槽上（見圖3）。通過這一措施，進(jìn)入彎道和陡槽的水流被重新分配，明顯改善沿程水流流態(tài)，折沖現(xiàn)象明顯減弱；由于貼角與現(xiàn)狀擋墻連接處下凹，形成回水槽，從而解決彎道水流翻越擋墻問題。②為改善消力池流態(tài)，水流均能射入消力池中，采取的優(yōu)化措施是取消挑流鼻坎，鼻坎處高程由39.21 m降低到37.17 m，溢0+099.10 ～ 溢0+104.60 m范圍內(nèi)設(shè)置1:1.9的縱坡，并且消力池長(zhǎng)度沿中心線增加7.00 m（見圖4）。

圖3 高低槽和貼角（泄槽彎道段）平面示意圖 單位：m

圖4 消能工段縱斷面示意圖 單位：cm

另一方面，考慮到若采用“利用老溢洪道改建”的方案Ⅰ，能減少對(duì)原溢洪道兩側(cè)擋墻的拆除工作和對(duì)現(xiàn)狀植被的破壞影響，最大限度地保護(hù)水庫(kù)的自然生態(tài)，而且節(jié)省工程投資、縮短工期，可謂是一舉多得。

綜上所述，溢洪道的加固方案最終采用方案Ⅰ。

3.3 輸水建筑物的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)輸水建筑物存在的問題，通常做法[25]：先封堵原壩下放水涵管，然后在大壩右岸山體內(nèi)新建輸水隧洞。開挖輸水隧洞是一個(gè)關(guān)鍵的步驟，經(jīng)分析，可采用有2種施工方案，分別是爆破法施工（采用小劑量炸藥的光面爆破新工藝，對(duì)山體的震動(dòng)影響小）和掘進(jìn)法施工，單從工程投資角度來看，爆破施工比掘進(jìn)法施工節(jié)省約13.50萬元。綜合比較后，選用光面爆破法施工作為本次隧洞洞身開挖方案。

原輸水建筑物的進(jìn)水口類型為岸坡式進(jìn)水口，采用斜拉桿啟門，啟門力較大；本次輸水建筑物的進(jìn)水口類型優(yōu)化為美觀簡(jiǎn)潔的塔式進(jìn)水口，斜拉桿啟門優(yōu)化為豎直拉桿啟門，這樣啟門力相對(duì)較小，因此可加大閘門尺寸和輸水洞洞徑（但此時(shí)啟門力并不很大，利于啟閉），以加大輸水流量，保證下游的灌溉和供水。

4 青山水庫(kù)的信息化建設(shè)

4.1 安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

水庫(kù)大壩工程建設(shè)通常規(guī)模大、面臨的工程力學(xué)問題復(fù)雜，工程一旦失事，后果不堪設(shè)想，因此確保大壩安全顯得尤為重要[31-32]。大壩安全監(jiān)測(cè)是監(jiān)視工程結(jié)構(gòu)安全的重要技術(shù)手段，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)性態(tài)分析和安全狀態(tài)評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)資料[33-34]。在大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，利用自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、水工分析等技術(shù)，進(jìn)行全面的信息化建設(shè)（研發(fā)一套大壩安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)），對(duì)大壩及其它水工結(jié)構(gòu)物的安全實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理、及時(shí)分析、輔助決策，提高工程安全的管理和決策水平，已是當(dāng)今信息化時(shí)代和技術(shù)發(fā)展的大勢(shì)所趨。

目前大壩安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)一般由軟件和相應(yīng)的硬件構(gòu)成。硬件通常由服務(wù)器（數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器等）、客戶機(jī)（采集客戶機(jī)、專業(yè)客戶機(jī)、Web客戶機(jī)等）、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備（交換機(jī)、防火墻等）、電源設(shè)備、通信線路、電源線路等設(shè)備構(gòu)成。典型的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖5[35]。信息管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)根據(jù)工程規(guī)模及業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)的開發(fā)模式可選用C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)、B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)或C/S、B/S混合結(jié)構(gòu)[36]，其中C/S及B/S體系結(jié)構(gòu)分別見圖6、圖7。安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)功能一般涉及如下幾個(gè)模塊：數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集與存儲(chǔ)、人工數(shù)據(jù)錄入與存儲(chǔ)、成果計(jì)算和處理、圖表繪制及定性分析、建模分析及定量解析、結(jié)構(gòu)物安全狀況評(píng)價(jià)、安全狀況預(yù)測(cè)、預(yù)警及應(yīng)急管理、移動(dòng)應(yīng)用、基礎(chǔ)信息管理、信息發(fā)布、用戶權(quán)限管理等，主要功能模塊見圖8。

圖5 典型物理結(jié)構(gòu)示意圖[3 5]

圖6 Client/Server體系結(jié)構(gòu)圖

圖7 Browser/Server體系結(jié)構(gòu)圖

圖8 信息管理系統(tǒng)主要功能模塊圖

以上所述的大壩安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)已在諸多大中型水庫(kù)大壩工程上應(yīng)用[37-40]，當(dāng)該系統(tǒng)用于小型水庫(kù)上時(shí)，模塊沒必要這么全面和完善，應(yīng)遵循“精而少、可靠、先進(jìn)”的原則[41]。

由于青山水庫(kù)為?。?）型水庫(kù)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目力求精而少，因此本次加固的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[22]有：變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)及視頻監(jiān)控，并采用全自動(dòng)兼有手動(dòng)（作應(yīng)急和補(bǔ)充之用）測(cè)試功能的先進(jìn)可靠?jī)x器和人工觀測(cè)的水文標(biāo)尺。大壩變形觀測(cè)縱斷面布設(shè)3個(gè)，每個(gè)觀測(cè)橫斷面布各布設(shè)4個(gè)，共設(shè)變形觀測(cè)點(diǎn)12個(gè)；壩體滲流觀測(cè)縱斷面布置3個(gè)，每個(gè)觀測(cè)橫斷面各布設(shè)3根測(cè)壓管；壩基滲流觀測(cè)，共設(shè)置2根測(cè)壓管；壩腳滲流共設(shè)置2根測(cè)壓管；繞壩滲流觀測(cè)設(shè)1個(gè)斷面3個(gè)點(diǎn)；在大壩隧洞進(jìn)口處設(shè)水位遙測(cè)站1處，同時(shí)在大壩右岸迎水坡側(cè)、正常溢洪道進(jìn)口各設(shè)置1處水位觀測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置2套水文標(biāo)尺，采用柱式結(jié)構(gòu)；并在大壩多處重點(diǎn)位置設(shè)監(jiān)控器，對(duì)大壩進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。

4.2 信息化管理

“互聯(lián)網(wǎng)+水利”時(shí)代的序幕已經(jīng)被徐徐地拉開[19，42-45]，自從2015年3月，李克強(qiáng)總理首次提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃之后，“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的水利水電管理逐步發(fā)展起來，如“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的水利水電工程現(xiàn)場(chǎng)安全管理（信息化管理）等應(yīng)用。采用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，能實(shí)時(shí)采集和上報(bào)水庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)和存在隱患等數(shù)據(jù)，并自動(dòng)生成巡查日志，可為水庫(kù)工程的監(jiān)督管理提供既科學(xué)又高效的信息化手段。

青山水庫(kù)的安全監(jiān)測(cè)儀器采集的數(shù)據(jù)均通過互聯(lián)網(wǎng)（Internet）或3G/4G無線網(wǎng)上傳至縣水庫(kù)管理中心，然后逐級(jí)上傳，供上級(jí)水庫(kù)管理部門實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和及時(shí)決策。除此之外，青山水庫(kù)還特別加強(qiáng)日常對(duì)各建筑物（尤其是樞紐“三大件”）的人工巡視檢查，巡查員通過手機(jī)將巡查結(jié)果上傳至管理平臺(tái)，讓每一次的巡查都被信息管理平臺(tái)“記錄在案”。

5 結(jié)語和展望

5.1 結(jié) 語

青山水庫(kù)通過本次除險(xiǎn)加固，樞紐“三大件”的結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化和完善—全面構(gòu)建大壩的防滲體系屏障、保證溢洪道安全平穩(wěn)泄流、升級(jí)輸水建筑物，并建立一整套信息化管理的系統(tǒng)（包括人工巡查），以確保水庫(kù)安全有效地運(yùn)行和實(shí)時(shí)的掌控。目前，青山水庫(kù)整個(gè)庫(kù)區(qū)正呈現(xiàn)出一派“水清、流暢、岸綠、景美”的怡人景象，成為長(zhǎng)興縣“人水和諧”的示范水利工程，不愧為湖州市首座通過標(biāo)準(zhǔn)化管理市級(jí)驗(yàn)收的小（1）型水庫(kù)。這將成為浙江省水利工程管理信息化研究及其建設(shè)進(jìn)程中的一個(gè)工程實(shí)例亮點(diǎn)，也將為浙江省正在進(jìn)行的“美麗河湖”建設(shè)增光添彩。

5.2 展 望

對(duì)于如何判定病險(xiǎn)水庫(kù)的問題，目前國(guó)外很多國(guó)家（例如加拿大）已經(jīng)提出了新的方法，即將“風(fēng)險(xiǎn)”的概念引入大壩安全管理中，以降低大壩風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)；以社會(huì)是否能接受風(fēng)險(xiǎn)，來決定對(duì)大壩是否需要進(jìn)行除險(xiǎn)加固，從而把國(guó)家有限的資金用到最需要的地方。這方面的研究工作目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)在進(jìn)行中，相信在不久的將來會(huì)對(duì)我國(guó)的水庫(kù)大壩安全管理帶來深遠(yuǎn)的影響。

但是，我國(guó)現(xiàn)階段水庫(kù)的相關(guān)管理法規(guī)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正在修訂（不過浙江省水庫(kù)管理的省級(jí)地方標(biāo)準(zhǔn)[46]已在全國(guó)率先頒布），并限于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平等原因，要完全廢止按庫(kù)容劃分水庫(kù)大壩工程等別的方法還不具備條件。建議：在實(shí)行按潰壩后果（風(fēng)險(xiǎn)）對(duì)既有水庫(kù)大壩重新進(jìn)行分類之前，仍以庫(kù)容為主來確定水庫(kù)的工程等別；同時(shí)將壩高和潰壩后果因素也考慮進(jìn)去，即規(guī)定壩高超過一定高度及潰壩后果超過一定程度的水庫(kù)（特別是小型水庫(kù)），工程等別可以適當(dāng)提高，以提高除險(xiǎn)加固時(shí)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；并應(yīng)加強(qiáng)病險(xiǎn)水庫(kù)的信息化管理建設(shè)，以利于水庫(kù)主管部門實(shí)時(shí)掌控其安全的動(dòng)態(tài)情況。