羅仁斌

（福建省永川水利水電勘測設(shè)計院有限公司韶關(guān)分公司，廣東 韶關(guān) 512000）

1 引言

山塘作為一種常規(guī)擋、泄水建筑物，其庫容一般小于10萬m3，由大壩、溢洪道、輸水涵管等主要建筑物組成［1］。山塘承擔(dān)著區(qū)域內(nèi)的農(nóng)田灌溉、環(huán)境改善和人居消防等多重功能，對當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活十分重要。 廣東省韶關(guān)乳源瑤族自治縣目前存在病險山塘多宗，其建設(shè)年代久遠(yuǎn)，建設(shè)技術(shù)落后，大部分山塘運(yùn)行至今已存在不同程度的安全隱患 （如圖1），主要表現(xiàn)為：①上游壩坡年久失修，坡面不平整且坡比過陡，存在局部塌陷、滲漏現(xiàn)象；②下游坡面土體裸露，雜草叢生，局部存在較大面積的跌窩、沖刷坑現(xiàn)象，水土流失嚴(yán)重，且缺少系統(tǒng)的排水導(dǎo)流設(shè)施；③現(xiàn)狀壩頂寬度較小且多為土壩路面，雨天壩頂?shù)缆纺酀綦y行；④輸水涵管老化、漏水嚴(yán)重，部分涵管出口長度不足，且無消能設(shè)施，導(dǎo)致下游存在多處沖坑； ⑤現(xiàn)狀溢洪道寬度不滿足泄洪要求，缺少系統(tǒng)的溢洪設(shè)施。 為消除山塘安全隱患，保證山塘持續(xù)發(fā)揮工程效益，亟需對病險山塘進(jìn)行專項(xiàng)除險加固治理。

圖1 典型山塘現(xiàn)狀

2 概況

2.1 水文氣象

廣東省韶關(guān)乳源瑤族自治縣水資源豐富， 水系分散，全縣水力資源理論蘊(yùn)藏量達(dá)56.25萬kW。 縣域內(nèi)河流眾多，主要河流共有8條。 工程所在地屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，光、熱、雨資源豐富，年平均日照時數(shù)為1499.7h， 年 平 均 氣 溫19.6 ℃， 年 均 降 雨 量1565.62mm，無霜期300d，多年平均最大風(fēng)速14.8m/s，瞬時最大風(fēng)速22m/s。

2.2 地質(zhì)條件

工程區(qū)域位于華南臺地粵湘褶皺帶的西南端，區(qū)域構(gòu)造分區(qū)被劃在東南沿海斷裂褶皺帶的西南端，主要構(gòu)造線走向?yàn)楸睎|—南西向，燕山期斷裂和褶皺構(gòu)成了本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的主體， 新生代的紅色斷凹盆地零星分布在早期構(gòu)造之上。 工程區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜周期值為0.35s。 壩址區(qū)地層巖性主要為土壩壩體填筑土（Qs）、第四系坡積層（Qdl）及下伏基巖。 土壩主要由兩岸山坡坡積含礫粉質(zhì)黏土（硬塑～可塑）填筑而成，土質(zhì)稍密～中密，局部較密實(shí)，壓實(shí)度相對較均勻，填筑質(zhì)量一般，滲透性屬弱透水。 壩基為第四系坡積層（Qdl）含礫粉質(zhì)黏土（棕色、黃褐色，硬塑～可塑），其壓縮性中等，透水性屬弱透水。

3 加固設(shè)計方案

3.1 工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

工程區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀多宗山塘大壩的擋水高度均低于15m，且上下游最大水頭差均小于10m。 整治加固標(biāo)準(zhǔn)參照?。?）型水庫平原區(qū)、濱海區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)，即設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。溢洪道防洪標(biāo)準(zhǔn)與大壩一致， 消能防沖設(shè)施防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇， 施工洪水標(biāo)準(zhǔn)為枯水期5年一遇。 根據(jù)SL252—2017《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》［2］相關(guān)技術(shù)條款，主要建筑物級別確定為5級，次要建筑物級別為5級。

3.2 工程加固總體布置

該工程多宗山塘需要除險加固，工程任務(wù)為保證下游農(nóng)田灌溉功能正常發(fā)揮。 在對山塘現(xiàn)狀問題系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上，提出針對性的工程措施：①對壩面凹凸不平、雜草叢生的大壩進(jìn)行修整處理；②對現(xiàn)狀大壩迎水坡為土坡的， 設(shè)計新建C20混凝土護(hù)坡或C20混凝土擋墻；現(xiàn)狀迎水坡為混凝土擋墻，且較為完好的，只需進(jìn)行貼面處理，同時壩頂新建泥結(jié)石路面和兩側(cè)路緣石，背水坡撒播草籽、新建貼坡排水或C20擋墻，壩后設(shè)置排水溝；③重建或新建溢洪道、交通橋或人行橋；④重建或新建梯級輸水涵管、底涵。

3.3 大壩加固方案

針對不同大壩實(shí)際情況，實(shí)施分類加固整治方案。

（1）方案1。 現(xiàn)狀大壩壩高較矮，且壩體單薄、迎水坡坡度較陡時， 采用迎水坡培厚、 新建擋土墻方案，同時壩頂鋪設(shè)泥結(jié)石路面及新建C20現(xiàn)澆混凝土路緣石；背水坡陡于1∶1.5的按坡度1∶1.5進(jìn)行修坡，緩于1∶1.5的按原坡度進(jìn)行修坡，并撒播草籽，采用干砌塊石護(hù)坡或新建擋墻（圖2）。該方案加固措施整體性好、美觀，且日常維護(hù)方便，施工較容易。

圖2 方案1加固斷面圖

（2）方案2。 當(dāng)現(xiàn)狀大壩迎水坡修建有擋墻，且結(jié)構(gòu)較完好時，僅需對該迎水坡?lián)鯄M(jìn)行貼面處理即可，壩頂及背水坡處理同方案1（圖3）。 該方案在原大壩基礎(chǔ)上進(jìn)行修復(fù)，對壩體擾動較小，可減少工程投資。

（3）方案3。當(dāng)現(xiàn)狀大壩壩高較高，且迎水坡坡度較緩時，采用迎水坡培厚、新建混凝土護(hù)坡，以及坡腳設(shè)固腳方案（圖4），該方案可有效保護(hù)水庫坡面免受水面直沖，且可減小滲流，保證壩體安全。 壩頂及背水坡處理同方案1。

3.4 溢洪道加固方案

大部分山塘溢洪道是在原山坡開挖成明槽予以泄洪，其結(jié)構(gòu)簡陋，且進(jìn)水條件較差，部分山塘甚至沒有設(shè)置溢洪道。 經(jīng)長期運(yùn)行，溢洪道受沖刷損毀嚴(yán)重。 同時，溢洪道泄洪能力不足，堰頂高程與壩頂高程的高差偏小，遇到特大暴雨時，山塘最高水位幾近溢頂，嚴(yán)重影響大壩的運(yùn)行安全。 因此，該工程針對無溢洪道的山塘進(jìn)行溢洪道新建，對現(xiàn)狀溢洪道已損壞或過流能力不足的進(jìn)行溢洪道重建和維修。

新建或重建溢洪道由溢流段、陡槽段、消力池、出水渠道4部分組成（典型斷面如圖5）。其中，溢流段側(cè)墻采用C20混凝土重力式擋墻結(jié)構(gòu)， 底板采用30cm厚C20混凝土， 對于有通行要求的溢洪道考慮新增橋板；陡槽段側(cè)墻采用C20混凝土重力式擋墻結(jié)構(gòu)，底板采用20cm厚C20混凝土，底板下鋪設(shè)10cm厚碎石、砂混合墊層；消力池側(cè)墻采用C20混凝土重力式擋墻結(jié)構(gòu)，底板鋪設(shè)30cm厚C20混凝土，且底板下設(shè)置墊層；出水渠道側(cè)墻采用C20混凝土重力式擋墻結(jié)構(gòu)，底板采用20cm厚C20混凝土結(jié)構(gòu)。

圖5 溢洪道典型斷面圖

3.5 輸水涵管加固方案

現(xiàn)狀山塘輸水涵管大多以壩下埋管輸水方式為主，結(jié)構(gòu)上多為石砌涵管（涵洞）、煉瓦管、陶土管、篾籠管、木涵管等，其質(zhì)量差、隱患多，且多已破裂漏水。同時，涵管與壩體接觸不佳，導(dǎo)致管周滲水；且管身多置于軟土上， 極易導(dǎo)致壩體不均勻沉陷而釀成事故。根據(jù)現(xiàn)狀山塘具體情況，現(xiàn)狀山塘無輸水涵管的需新建輸水涵管；現(xiàn)狀山塘已建有輸水涵管，但輸水涵管進(jìn)水口破損嚴(yán)重， 且底涵堵塞或過流能力不足的，需重建輸水涵管；現(xiàn)狀山塘輸水涵管完好可繼續(xù)使用的，無需改造，維持現(xiàn)狀即可。據(jù)統(tǒng)計，約40宗山塘需采用破壩開挖方式， 輸水底涵采用預(yù)制鋼筋混凝土Ⅱ級承插管；其余3宗水庫采用虹吸式輸水涵管，涵管采用DN400壓力鋼管。 對于迎水坡新建擋墻或貼面的山塘， 將輸水涵管緊貼擋墻并布置為一個整體；引水陂新建混凝土護(hù)坡的山塘，將斜涵沿迎水坡布置。

3.6 白蟻防治方案

山塘管理機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)有固定的防治人員， 開展白蟻危害的防治工作，防治工作應(yīng)堅(jiān)持“以防為主、防治結(jié)合、因地制宜、綜合治理”的方針，堅(jiān)持“平常查找、及時滅殺、隱患處理相結(jié)合”的原則，防治范圍包括壩區(qū)管理范圍及四周環(huán)境［3］。 水庫管理部門每年應(yīng)編制年度防治計劃，做好普查、防治和處理隱患工作，并建立防治工作檔案，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高防治效果。

4 山塘大壩穩(wěn)定計算

4.1 滲流穩(wěn)定計算

根據(jù)已有的工程地質(zhì)勘探和土工試驗(yàn)結(jié)果，對具有代表性的大壩加固典型斷面進(jìn)行滲流及穩(wěn)定計算。所選典型斷面為土體物理力學(xué)指標(biāo)值相對較差、大壩較高，代表性較好的斷面。 計算工況包括：①山塘水位處于正常蓄水位的穩(wěn)定滲流； ②山塘水位處于設(shè)計洪水位的穩(wěn)定滲流； ③山塘水位處于水位驟降期的不穩(wěn)定滲流。 滲流計算采用土石壩二維滲流計算分析軟件， 該程序適用于不規(guī)則邊界的各向異性滲流場，能有效解決土石壩的復(fù)雜滲流問題。程序的求解方法是基于三角形單元的有限元法， 用改進(jìn)平方根法直接求解線性代數(shù)方程組。 滲流量計算采用以下有限元分析基本公式：

式中 ［K］為透水系數(shù)矩陣；{H}為總水頭向量；{M}為單元儲水量矩陣；t為時間；{Q}為流量向量。 加固后，各工況下壩體計算坡降值及滲流量如表1。 由結(jié)果可見，壩身在各工況下均不會產(chǎn)生滲流破壞。

表1 背水坡滲流出口比降計算成果

4.2 抗滑穩(wěn)定計算

選取具有代表性的山塘作為典型斷面， 以此進(jìn)行大壩抗滑穩(wěn)定計算。計算工況為：①正常蓄水位穩(wěn)定滲流期的背水坡； ②設(shè)計洪水位穩(wěn)定滲流期的背水坡； ③山塘水位處于水位驟降期的迎水坡。 根據(jù)SL2574—2020《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，抗滑穩(wěn)定采用瑞典圓弧滑動法計算， 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用有效應(yīng)力法計算。根據(jù)規(guī)范要求，對5級土石壩，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：正常運(yùn)用條件K=1.15，非常運(yùn)用條件K=1.05［5］。計算結(jié)果如表2，結(jié)果表明大壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范要求， 壩體無滑動風(fēng)險。

表2 山塘大壩抗滑穩(wěn)定計算成果

4.3 附屬擋土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算

選取韶關(guān)乳源瑤族自治縣山塘大壩迎水坡新建C20混凝土擋墻（擋墻頂高程為547.50m，擋墻總高4.5m，頂寬0.5m，底寬2.8m，迎水側(cè)坡度為1∶0.4，背水側(cè)垂直），以及韶關(guān)乳源瑤族自治縣山塘大壩背水坡新建C20混凝土擋墻（擋墻頂高程為90.50m，擋墻總高2.0m，頂寬0.4m，底寬1.6m，墻前垂直，墻后坡度為1∶0.4）作為典型計算斷面。作用于擋土墻的主要荷載有自重、土壓力、靜水壓力、揚(yáng)壓力（包括浮托力、滲透壓力）和其他荷載等。結(jié)合本工程的地質(zhì)報告中的相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，工程區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，地震基本烈度小于等于6度，故不考慮地震工況。計算成果表明，迎水坡、背水坡?lián)跬翂υ诟鞣N工況下，擋土墻抗滑、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值， 滿足規(guī)范要求；其基底最大應(yīng)力均小于修正后地基承載力，地基承載力滿足設(shè)計要求， 且基底應(yīng)力不均勻系數(shù)亦滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

（1）病險山塘除險加固事關(guān)當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活，也是經(jīng)濟(jì)建設(shè)的必然選擇。 結(jié)合廣東省病險山塘除險加固工程實(shí)際，在分析已有基礎(chǔ)資料的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)狀山塘存在問題進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和整體加固方案布置。 重點(diǎn)對山塘主要建筑物（大壩、溢洪道和輸水涵管等）進(jìn)行了針對性的分類加固治理，并對大壩滲流穩(wěn)定、 抗滑穩(wěn)定和附屬擋土墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行了計算，結(jié)果表明相關(guān)計算均滿足規(guī)范要求，大壩整體結(jié)構(gòu)偏安全。

（2）針對廣東省病險山塘的實(shí)際情況進(jìn)行分類整治，實(shí)踐表明，工程實(shí)施后可增加山塘的蓄水能力，有效改善當(dāng)?shù)剞r(nóng)田的灌溉條件， 并具備一定的生態(tài)和防洪效益，可有效保障當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全。