淺談小 (Ⅱ)型土石壩水庫除險加固設計思路

王長金

(江西省玉山縣水利局,江西 玉山 334700)

中共中央、國務院 《關于加快水利改革發展的決定》中提出加快小型病險水庫除險加固步伐,小(Ⅱ)型病險水庫除險加固工作已提上議事日程。由于小 (Ⅱ)型水庫數量大、分布廣,要在時間節點上按要求完成除險加固設計工作,即能保證設計質量,又能使設計方案比較符合水庫工程實際,達到投資合理并能提高投資效益,因而就有必要對小(Ⅱ)型水庫的除險加固設計思路進行探討。

1 土石壩小 (Ⅱ)型水庫病情概述

小 (Ⅱ)型水庫大多建于20世紀50～60年代,大壩壩體基本為土石壩。由于受當時歷史條件限制,技術上不成熟,建設資金短缺,施工工藝落后,工程施工質量差,導致這些土石壩小 (Ⅱ)型水庫先天不足,再加上已運行了40～50年,平時管理又不善,因而水庫大壩、溢洪道、輸水涵管等工程設施普遍存在破損、斷裂、老化等質量問題。影響了水庫的安全和效益的發揮,甚至成為防洪安全的最大隱患。

江西玉山縣與全國各地一樣,雖然在20世紀70年代末至80年代初開展了一些加固擴建,但受當時資金投入的限制,小 (Ⅱ)型水庫很多問題未得到徹底解決。

2010年5、6月份江西宜春市宜豐縣何塘水庫和銅鼓縣楓槎水庫連續兩座土石壩小 (Ⅱ)型水庫垮壩,教訓是深刻的。

通過分析導致這兩座水庫垮壩的原因,土石壩小 (Ⅱ)型水庫普遍存在的問題主要表現在以下幾方面。

1.1 大壩

(1)壩頂高程不夠。當時技術力量薄弱,有的沒有通過洪水計算,有的僅憑經驗確定壩頂高程,有的擅自改變運行方式,因而達不到部頒近期非常運用洪水標準。如江西玉山縣東弄水庫在1985年6月一場大雨之后,庫水位接近壩頂,不得不臨時新開一條非常溢洪道,才避免水庫漫壩。江西銅鼓縣楓槎水庫2010年6月主要因水庫漫壩而導致垮壩。

(2)壩體滲漏嚴重。當時施工工藝落后,筑壩土料質量控制差,背水坡壩腳沒有反濾體或反濾體運行多年堵塞失效,平時又管護不善,螞蟻、老鼠、蛇等在壩體中打洞、筑窩,導致壩體多處嚴重漏水或壩坡大面積散浸。1987年7月江西玉山縣楓樹灣水庫因多年滲漏未得到處理而突然滑坡并導致垮壩。江西宜豐縣何塘水庫垮壩的原因之一也是壩體滲漏多年沒得到處理。

(3)壩體單薄。當時大多憑經驗土法上馬,存在壩體橫斷面尺寸不足,壩體不完整,壩頂寬度不足;又因建壩資金短缺而大壩迎水坡基本沒有砌護,運行多年受風浪沖刷嚴重,導致大壩單薄而穩定性差。

1.2 溢洪道

(1)無襯護。當時資金短缺,溢洪道邊坡及底板基本沒有襯護,有的容易塌方,有的雜草叢生,導致泄洪能力差。1989年6月江西玉山縣玉東水庫溢洪道邊坡因未襯護發生大面積塌方,當地政府組織100多人及時進行了清理,當時塌方時庫水位已接近溢洪道底板,如再遭遇一場大雨,后果不堪設想。

(2)過水斷面尺寸不夠。技術上未及時跟上,沒有通過調洪演算,隨地形憑經驗開挖,斷面尺寸不足,沒有消能設施,過水能力差。

(3)建筑物老化損壞。經過幾十年運行,溢洪道泄水建筑物不同程度存在老化、破損、失穩、沖刷嚴重,影響泄洪能力。

1.3 輸水涵管

絕大多數土石壩小 (Ⅱ)型水庫由于當時技術、資金等諸多原因,都采用壩下埋管形式,并且涵管管身材料一般較差,大部分采用土燒的瓦管,有的采用石灰砂漿砌石涵洞或素混凝土預制涵管,經過多年運行,存在老化、斷裂、破損、錯位,庫水很容易通過壩體在壩下涵管存在隱患處擊穿流出,壩體與涵管接觸部位容易形成滲漏通道,進而帶走壩體土料,造成壩體坍塌直至垮壩質量事故,嚴重威脅下游安全。

2003年6月江西玉山縣內塢及石爬弄兩座山塘水庫垮壩就是壩下涵管老化破損造成,大壩缺口處就在涵管位置。

1.4 其它

小 (Ⅱ)型水庫基本沒有水情測報,沒有防汛道路或防汛道路標準低,沒有管理設施或設施陳舊落后,對做好水庫防汛工作非常不利。

2 土石壩小 (Ⅱ)型水庫除險加固初步設計思路

本文主要針對土石壩的水庫進行探討,其各建筑物除險加固處理的設計技術方案應根據水庫具體病情情況,按照下列設計思路進行設計。

2.1 擋水建筑物除險加固設計

(1)壩體加高培厚設計:現狀壩體單薄,壩高不夠,需進行加高培厚時,由于歷史原因,下游壩腳多是農田,甚至有的還緊靠農民房子,有的緊靠近后來新開通的高速公路、鐵路,如江西省玉山縣120座小 (Ⅱ)型水庫就有 20座靠近農民房子,有5座靠近高速公路,有3座靠近鐵路,其它多是農田。設計時考慮盡量不征用耕田,不拆遷房子,不影響交通,原則上設計在大壩上游坡進行培厚、加高,并盡可能與壩體防滲相結合。

(2)大壩防滲加固設計:對于土石壩壩體防滲加固,有多種方案,比如混凝土防滲墻方案,江西玉山縣的毛宅水庫、東弄水庫分別采用液壓開槽機、射水機在壩體中建造槽型孔,然后以直升導管向槽孔內澆筑混凝土,形成連續的混凝土墻,以達到防滲目的,該方案造價較高且需要功力較大的電源;比如土工膜、塑料薄膜防滲方案,江西玉山縣的西村水庫、江家塢水庫分別在上游壩面鋪設土工膜、塑料薄膜加固,以達到防滲目的,該方案工藝要求高,膜易老化且壽命不長 (上述西村水庫1988年實施的薄膜防滲,現在下游壩坡又出現局部散浸)。小 (Ⅱ)型水庫大多在山壟里,遠離電源,但附近粘土豐富,設計時應優先考慮上游坡設置粘土斜墻、粘土鋪蓋及壩基截水槽的防滲方案,該方案比混凝土防滲墻方案造價低,又比土工薄膜方案施工工藝簡單,易控制質量。少量水庫大壩相對較高,壩坡又符合規范要求,但滲漏嚴重的,可設計沖抓粘土心墻防滲處理方案,即利用沖抓式打井機,在壩體中造孔,用粘土在孔中分層回填夯實,形成一個連續的粘土防滲墻。對于壩基 (含兩岸壩肩),一般不考慮設計防滲帷幕灌漿措施。

(3)大壩下游反濾體加固設計:考慮小 (Ⅱ)型水庫壩體不高,,為節省造價,現狀無反濾排水設施的,優先考慮設計貼坡反濾體,如江西玉山縣10座小型水庫均采用該形式貼坡反濾體,排水效果很好;現狀有反濾排水設施的,應優先考慮翻修利用原反濾設施,并在順壩軸線方向適當位置設置一個或兩個經過抽槽后新建的反濾陵體;現狀反濾排水設施失去翻修價值的,方可考慮設計拆除重建,但重建的反濾排水設施形式還應設計為貼坡反濾體形式。設計貼坡反濾體時,反濾層每層的厚度應根據材料的級配、料源、用途、施工方法等綜合確定,一般小 (Ⅱ)型水庫貼坡反濾體多采用人工施工,水平反濾層的最小厚度可設計0.3m,采用土工織物做反濾層時,則按 《土工合成材料應用技術規范》設計。

(4)上下游護坡加固設計:土石壩上、下游已有護坡的,應充分利用現有護坡材料,上游坡整修原護坡并在上面澆筑10cm厚素混凝土,下游坡采用護坡修補加固方案;土石壩上、下游沒有護坡的,上游坡設計洪水位以下應優先設計選用混凝土預制塊護坡,混凝土預制塊形狀為六邊型,厚度為10cm,為防止壩頂行人不慎沿著光滑的混凝土預制塊護坡滑下水庫造成安全事故,上游坡設計洪水位以上至壩頂不采用混凝土預制塊護坡,而采用草皮護坡。為節省造價,下游護坡一般設計采用草皮護坡。大壩下游壩坡應設置排水系統。

(5)壩頂加固設計:壩頂一般設計采用混凝土結構路面,路面寬一般設計為4m,可滿足防汛管理要求。

2.2 輸水建筑物除險加固設計

2.2.1 壩下涵管加固設計

小 (Ⅱ)型土石壩水庫壩下埋設的涵管多為瓦管、石灰砂漿砌石涵洞或素混凝土預制管結構。

(1)對于壩高大于15m,且大壩兩岸山體地質條件適應新建隧洞的,優先設計采用廢堵老涵管新建灌溉隧洞的處理方案。

(2)對于壩高小于15m,且壩頂長度較長的,優先設計采用開挖壩體拆除老涵管,原址重建鋼筋混凝土結構涵洞的處理方案。

(3)對于壩高大于15m而大壩兩岸山體地質條件不適應打隧洞的,以及壩高小于15m而壩頂長度短,拆除老涵管會將整個大壩壩體挖掉的,可以設計采用涵管內套管后再在內套管外壁與老涵管內壁間回填灌漿的加固處理方案,內套管材料可以采用鋼管,也可以采用具有較好抗沖擊性能和長期蠕變性能的PP-R管。

(4)對于10m以下低壩,也可考慮廢堵老涵管,從庫內到庫外新架設虹吸管處理方案,虹吸管管材可以采用鋼管,也可以采用具有較好抗沖擊性能和長期蠕變性能的PP-R管。

(5)對保留繼續使用的壩下涵管,設計時應考慮接觸滲漏隱患,根據實際情況采用接觸灌漿、回填灌漿或劈裂灌漿處理。

(6)涵管進口一般采用斜臥式,斜臥在水庫大壩附近左岸或右岸山體上,斜臥式進水口取水設施采用廠家成套定型的放水活門設備現場安裝。

2.2.2 輸水隧洞加固設計

現狀已有隧洞,已襯護的由于運行多年老化、失穩、沖蝕嚴重等存在病險問題,只對影響水庫蓄水安全的進口閘室、洞身裂縫等進行設計加固處理;由于當時資金問題沒襯護的,只對隧洞進出口適當距離進行鋼筋混凝土襯護。原則上不再設計新建隧洞。

2.2.3 輸水建筑物后引水灌溉工程

輸水建筑物后的渠首、渠道、渡槽、倒虹吸等引水灌溉工程屬于小農水工程,不納入水庫的除險加固設計范圍內。設計時僅考慮輸水建筑物與引水灌溉工程銜接。

2.3 泄水建筑物加固設計

(1)為方便管理,土石壩的泄水建筑物應優先設計選用下泄能力較大的且運行管理較為方便的岸邊開敞式無閘控制溢洪道。

(2)為了提高泄洪能力,經過洪水計算,可在原溢洪道上擴寬或加深,原則上不考慮新建溢洪道。

(3)溢洪道襯護結構設計,在滿足安全,耐久的前提下,選用經濟合理的結構形式和尺寸。溢洪道進水渠、泄槽、出水渠在較好的巖基上,其底板、邊坡一般考慮不作襯護設計;溢洪道進水渠、泄槽在土基上,其底板及邊坡考慮僅只對影響泄洪安全的部位進行除險加固襯護設計。出水渠一般不作襯護設計。

2.4 交通工程設計

由于歷史原因,小 (Ⅱ)型水庫普遍地理位置相對偏僻,對于無上壩公路、無進庫公路的;或者上壩、進庫道路條件很差的,為方便以后防汛管理,完善水庫防汛 “三通”,應按標準設計進庫及上壩公路。水庫坐落在村莊中且進庫公路短,可結合新農村建設考慮設計硬質化混凝土路面,水庫離村莊遠且進庫路長,一般不作混凝土路面設計。

2.5 安全運行及管理設施設計

根據多年小 (Ⅱ)型水庫管理經驗以及工程運行實際狀況,設計時可僅考慮兩種情況。

(1)安全監測設施:為正確制定度汛方案及正確調度水庫運行,應設置水庫水位標尺,其他監測設施可不予考慮。

(2)管理設施:在汛期方便管理人員值守,應設計一座值班房,根據地形布置,面積控制在30m2以內,其他管理設施可不予考慮。

3 結 語

小 (Ⅱ)型水庫規模雖然沒有大中型水庫大,但麻雀雖小,五臟俱全,本文提出五個方面的除險加固設計思路,目的是為小 (Ⅱ)型土石壩水庫除險加固設計提供參考,既能保證設計質量,達到除險加固效果;又能控制投資規模,提高投資效益。