田文利
(沅陵縣水利建設項目事務中心,湖南 沅陵 419600)
根據《中國水利發(fā)展統(tǒng)計公報》,截至2019 年,我國已建成各類水庫98 112座,居世界首位,其中,大型水庫774 座、中型水庫3 978 座、小型水庫93 360座,這些水庫大壩在防洪灌溉、供水發(fā)電等各方面發(fā)揮著重要的作用[1-2]。同時,大部分水庫興建于20世紀50年代至70年代,受當時的技術水平、施工條件、經濟條件等限制,加上后期運行時又缺乏專項經費與科學維護,絕大多數水庫年久失修,各類建筑物存在質量問題和安全隱患[3-4]。尤其是帶病運行的小型水庫,與大中型水庫相比,安全問題日益突出[5-6]。主要表現為:①多病險問題共存。每年汛期,在降雨的作用下原工程險情加重,同時引發(fā)新的工程安全問題,造成多種病險同時存在,增大潰壩風險[7]。②影響生產生活。人民的生產生活離不開水源,隨著社會經濟的發(fā)展,很多小型水庫下游有村莊、城鎮(zhèn)、廠礦企業(yè)等,集中了許多人員,同時配套大量的交通、通信等生產生活的重要基礎設施,若水庫潰壩將給下游經濟社會發(fā)展及生態(tài)環(huán)境帶來巨大影響。③風險意識淡薄。受地域差異、資金限制、人員匱乏等影響,絕大多數小型水庫對潰壩等安全問題沒有制訂切實可行的應急預案,加上宣傳力度不夠、信息不對稱,下游民眾普遍對水庫潰壩風險認識不足,存在安全意識淡薄等問題,出險后常常不能及時組織群眾撤離,以及防汛交通等設施不完善,導致搶險恢復不及時,很大程度上威脅著周邊人民的生命財產安全,阻礙了經濟和社會的發(fā)展[8-10]。
在湖南省沅陵縣共有小型水庫101 座,均以農業(yè)灌溉為主,兼有供水、養(yǎng)殖等綜合效益,其中?。?)型水庫15 座,?。?)型水庫86 座。國家于2008年開始大規(guī)模開展小型病險水庫的除險加固改造工作,“十二五”規(guī)劃以來全縣101 座小型水庫全部列入改造范圍。經過近年來對各個小型水庫除險加固勘察、設計、施工等工作的實施,消除了水庫原有安全隱患,完善了水庫各類設施,提高了水庫安全管理水平,加大了安全風險宣傳力度,降低了潰壩風險概率。對小型病險水庫存在問題的梳理以及解決對策的整理,可為沅陵縣以后除險加固工作和其他縣市的類似工程提供參考。
沅陵縣101 座小型水庫建成時間與全國小型水庫基本一致,也同屬典型的“邊勘測、邊設計、邊施工”的三邊工程。建設時因技術水平有限、施工設備簡陋,填筑質量沒有得到保證,加之受當時社會經濟條件限制,水庫建設缺乏固定的投資渠道,工程施工不能按原計劃進行,施工隨意性大,也給水庫完工后帶來了運行管理成本高等問題,多數水庫工程質量問題突出、大壩存在安全隱患,多年來一直帶病運行。本次針對全縣101 座小型水庫進行了大壩安全鑒定,梳理出其存在的主要工程問題有3 類,分別是防洪能力不足、結構存在安全隱患、大壩滲流穩(wěn)定性差,具體如下。
擋水建筑物頂部高程不夠或泄水建筑物泄洪能力不足。造成這種情況的原因主要有兩點。一是歷經60~70 年的發(fā)展,水文資料越來越豐富,按現行規(guī)范和水文資料設計得出的洪水洪量、洪峰和洪水過程與原設計發(fā)生了較大改變,以及原設計洪水標準本身偏低,擋水建筑物頂部高處不滿足現行規(guī)范要求。二是原設計的泄水建筑物過流斷面偏小,其在運行時發(fā)生淤塞等問題,經復核計算泄洪能力不足;或該水庫下游無行洪通道而不能正常泄洪或無法泄洪,進而導致泄水建筑物存在安全隱患,如某水庫溢洪道只有控制段進行襯砌,已襯砌槽段邊坡及底板破損嚴重。
泄水建筑物出現裂縫、變形、沖蝕破壞,輸水建筑物出現裂縫、沖蝕、漏水等問題。造成這種情況的原因主要有兩點。一是泄水建筑物如溢流壩閘墩混凝土結構尺寸較小、強度偏低,泄槽側墻無襯砌或襯砌質量差,或由于其底板產生不均勻沉降導致混凝土產生裂縫甚至坍陷,無消能或消能設施不完備而沖蝕破壞。二是輸水建筑物襯砌結構施工質量差、混凝土強度低、臥涵管基礎承載力差、變形嚴重,臥涵管出現裂縫、沖蝕、漏水等現象。
大壩下游散滲、集中滲漏,壩體、壩基接觸部位出現滲漏,壩基滲漏。造成這種情況的原因主要有兩點。一是由于絕大多數小型水庫大壩建成時間比較早,當時缺乏技術人員和施工機械,在壩基處理、壩體填筑等方面把關不嚴,未明確提出質量控制要求,且許多大壩沒有設置防滲體,當水庫蓄水位較高時,導致下游壩坡滲流溢出點太高、滲水量超出允許范圍而出現散滲現象。大壩過高的浸潤線、壩坡長期濕潤或沼澤化加大了出現滑坡風險的概率[11-12]。另外,由于洞穴、涵管破裂等原因,庫內水流通過滲漏通道在壩體下游出現成股水流,形成集中滲漏。二是由于大壩施工清基不徹底或未清基,壩體防滲結構不完整、壩基未進行防滲處理的現象較為普遍,壩體和壩基之間存在軟弱帶,在運行期容易形成滲漏的捷徑,出現泡泉、土層隆起等體壩基接觸部位滲漏、壩基滲漏的現象。
針對沅陵縣小型水庫的3類主要工程問題及其成因,初步給出不同的除險加固措施,具體梳理如下。
通過培厚加高大壩,增設防浪墻、拓寬溢洪道,對49座防洪能力不足的小型病險水庫進行了處理。
對于大壩培厚加高大致可分為壩頂騎馬加高、上游貼坡加高、下游貼坡加高3 種方法。壩頂騎馬加高是在壩體頂部直接加高施工,該方法要求大壩頂部有足夠的寬度,加高范圍一般控制在3 m 以內,確保加高后大壩邊坡的穩(wěn)定性安全系數符合現行規(guī)范要求;上游貼坡加高是從上游邊坡底部向頂部施工,在壩前淤積面較高等情況下,其工程量較少,但存在施工時需要將水庫放空排空、上游淤積占用防洪庫容等問題;下游貼坡加高是從下游壩坡底部向頂部施工,為滿足邊坡穩(wěn)定性要求,其結構尺寸大、工程量較大,但施工質量一般要求偏低,基本無加高高度限制,且整個施工過程不會影響水庫的正常運行,使其成為除險加固工程中使用最為廣泛的方法。如馬底驛鄉(xiāng)某水庫大壩壩頂加高高程至199.60 m、高度為2.5 m,選用下游貼坡加高方案,取得了良好的加固效果。
若壩頂寬度不能滿足要求,也可采用增設防浪墻的方法處理原壩頂高程不滿足規(guī)范的問題,防浪墻是為防止波浪翻越大壩壩頂而設在壩頂靠上游側的擋水墻,在除險加固工程中,通常只防浪花不作為擋水設施,防浪墻墻頂高程滿足波浪爬高和安全超高的要求,根據基礎埋深和整體高度確定選用水泥砂漿砌石或混凝土結構。如二酉鄉(xiāng)某水庫大壩靠上游側增設防浪墻頂寬0.5 m、高1.0 m,墻頂高程增加1.0 m,采用M7.5 水泥砂漿砌石結構。
小型水庫溢洪道通常是無閘門的自由溢流,其泄流能力主要取決于控制段,增加泄流能力主要有降低堰頂高程、增加溢流寬度的方法。溢洪道的加固設計基本維持原溢洪道的平面走向,溢洪道堰頂高程保持不變,底寬由原設計5 m 增加至7.5 m,增加50%的泄洪能力,重建控制段、泄槽段,具體如圖1所示。
圖1 擴建溢洪道示意圖(單位:mm)
通過加固改造溢洪道、新改建輸水設施,對76座結構存在安全隱患的水庫進行了處理。
加固改造溢洪道,拆除漿砌石底板,重新澆筑C20 混凝土底板厚30 cm。將控制段及泄槽段兩側破損的漿砌石側墻拆除,采用M7.5 漿砌石重筑;在泄槽末端新建消力池及尾水渠。尾水渠斷面同消力池末端斷面。泄槽底板采用螺紋錨桿直徑18 mm@2 000,消力池底板采用螺紋錨桿直徑18 mm@1 500,錨入基礎的深度均為1.5 m。
封堵原輸水涵管新建輸水隧洞或虹吸管。在原輸水涵管進口處開挖,拆除涵管進口段前20 m,后采用黏土回填,回填土壓實度必須大于96%。再將涵管與壩體墻軸線相交部位截斷,向上游側灌漿封堵20 m,向下游側灌漿封堵5 m,將截斷部位兩端用混凝土封堵,兩堵頭中間回填土方水泥土、夯實,以徹底截斷輸水涵管。在兩岸山體內新建輸水隧洞或壩肩修建虹吸管,無論是輸水隧洞還是虹吸管均根據設計流量計算結構尺寸。
拆除原臥管重建混凝土臥管或新建斜拉式取水口。重建臥管斷面形式仍采用原矩形,根據管內無壓層流及跌落躍起高度要求,臥管高度為正常水深的3~4 倍。以杜家坪鄉(xiāng)水庫為例,其設計流量按坡比i=0.85計算,得出臥管斷面凈尺寸為寬×高=0.8 m×0.6 m。新建斜拉式取水口,其放水孔直徑根據設計流量按小孔出流公式計算確定,并配置消力井進行消能,保證水流在輸水涵管中為無壓流。
通過對壩體、壩基、壩肩防滲加固,對92 座存在滲流不穩(wěn)定問題的水庫進行了防滲處理。
“上堵”的壩體防滲結構形式主要有上游坡面的斜式(黏土斜墻、土工膜等)、壩軸線的垂式(沖抓套井回填、高噴灌漿等)2種,制定除險加固方案時,一般建議壩體防滲加固形式與原壩體防滲相同或類似,即若原壩體在上游壩面采用黏土斜墻、土工膜等防滲,則新的防滲結構可考慮該形式;若壩體防滲結構在中間,則加固形式可考慮套井回填、壩體灌漿等結構;若原壩體未設置防滲(均質土壩),則新的防滲結構可靈活布置。壩基、壩肩存在滲漏現象的小型水庫通常采用帷幕灌漿,依施工順序可分為自上而下(鉆孔—灌漿—再鉆孔—再灌漿)、自下而上(一鉆到底—逐段回灌)2 種分段灌漿工藝,多數水庫大壩采用自上而下的灌漿工藝。另外,在保證防滲加固效果的前提下,部分水庫大壩高度較大、壩體自身自重也較大,為減少投資、加快進度、方便施工,也使用自下而上的灌漿工藝。無論大壩壩體采用沖抓套井回填還是高壓旋噴灌漿或其他方法,均須與壩基、壩肩帷幕灌漿連接成連續(xù)、封閉的防滲截水墻,從而使整個大壩在壩軸線上加固形成一道完整的防滲系統(tǒng)。如楠木鋪鄉(xiāng)水庫壩體采用沖抓套井回填、壩基和壩肩采用帷幕灌漿。在大壩壩頂軸線處對壩體進行沖抓套井回填,沖抓回填以大壩壩頂左端點處為起始樁號Z0+000.0,灌漿范圍為Z0+000.0~Z0+131.0;沖抓套井回填孔設計為單排,兩序孔施工,孔距0.78 m,沖抓深度為從壩頂到基巖高程。在壩頂軸線處對壩基和壩肩進行帷幕灌漿,灌漿范圍為Z0+010.5~Z0+147.5;灌漿孔設計為單排,三序孔施工,孔距2.5 m,帷幕灌漿應伸入到中等透水帶下限2 m。另外,水庫大壩壩體采用高壓旋噴灌漿,壩基和壩肩采用帷幕灌漿,該方案在壩軸線上游處采用高噴灌漿至全強風化基巖以下1.0 m、旋噴樁孔孔距0.8 m、成樁有效徑1.0 m、有效墻厚0.6 m。同時,在壩頂高噴灌漿處對壩基和壩肩進行帷幕灌漿,形成一道防滲墻對整個水庫大壩進行防滲加固。
綜上所述,每個水庫都有不同的險情特點,選取除險加固措施時,應以滿足大壩本身安全為前提,提出多種方案進行比較,綜合考慮蓄水運用、周邊環(huán)境、經濟合理等多方面的因素,給出推薦方案。
水庫除險加固工程需要就小型水庫的病險問題,針對性地選取實用加固方案,確保水庫除險加固效果。本研究針對湖南省沅陵縣101 座小型病險水庫總結出防洪能力不足、結構安全隱患、壩基存在滲漏3 大共性工程問題并梳理其成因,并綜合考慮多方面的因素,針對性地提出大壩培厚加高、增設防浪墻、拓寬溢洪道、加固改造溢洪道、新改建輸水設施、壩體壩基壩肩防滲等除險加固措施。給出了小型水庫加固處理時的關鍵步驟:根據病險問題及其原因,針對性地提出多種可行的除險加固設計方案,綜合水庫現場施工的可行性、便利性、經濟性等方面給出推薦方案,避免出現施工困難、造價高等問題。上述成果可為其他地區(qū)小型水庫的除險加固設計提供參考。