三圣庵水庫大壩輸水系統漏水險情原因分析及處置方案

雷贊舟

(福建江隆水利水電工程有限公司，福建 龍巖 364000)

三圣庵水庫大壩輸水系統漏水險情原因分析及處置方案

雷贊舟

(福建江隆水利水電工程有限公司，福建 龍巖 364000)

三圣庵水庫位于文溪上游左岸的一條小支流源頭，地處培豐鎮洪源村東北部，壩址以上集雨面積0.268km2，總庫容12萬m3，水庫設計灌溉面積23.33hm2，是一座以灌溉為主的小(2)型水庫；水庫樞紐由均質土壩、溢洪道、輸水系統等建筑物組成，工程屬Ⅴ等工程，大壩等主要永久性建筑物級別為5級；根據本次勘察開挖情況及此前觀察漏水、輸水及運行過程存在的特征現象分析，推斷本次險情為大壩上游局部裂縫與輸水箱涵破裂處形成漏水通道，造成大壩輸水系統漏水；輸水涵洞方案依據工程的技術可行、經濟合理性方面考慮，兼顧施工方便易行，做出了最優方案選擇。

三圣庵水庫；大壩輸水系統；漏水險情；裂縫；處置方案

1 工程概述

三圣庵水庫位于文溪上游左岸的一條小支流源頭，地處培豐鎮洪源村東北部，距培豐鎮政府約3.8km，距縣級公路線約4.0km，壩址以上集雨面積0.268km2，主河道長1.04km，河道平均坡降178‰，總庫容12萬m3，水庫設計灌溉面積23.33hm2，是一座以灌溉為主的小(2)型水庫。水庫樞紐由均質土壩、溢洪道、輸水系統等建筑物組成，工程屬Ⅴ等工程，大壩等主要永久性建筑物級別為5級。水庫正常蓄水位394.10m，正常庫容10.09萬m3；死水位382.8m，死庫容0.26萬m3；30a一遇設計洪水洪峰流量6.84m3/s，設計洪水位395.0m； 300a一遇校核洪水洪峰流量10.3m3/s，校核洪水位395.3m，總庫容12萬m3。

大壩為黏土心墻壩，壩頂高程396.2m，最大壩高16.5m，壩長60.0m,壩頂寬5.0m；溢洪道位于大壩左側，為開敞式寬頂堰進口，溢洪道長138.5m，由進水水平段、漸變段及陡坡段等組成；輸水系統位于壩址左側，進口設消力箱，采用斜拉閘門控制，孔口徑直徑0.5m，進口高程382.80m。后接輸水箱涵，箱涵為砌石矩形斷面，寬0.30m，側墻高0.45m，涵洞總長81.3m，涵洞進口中心高程381.0m，出口底高程380.0m，最大放水流量0.12m3/s，出口接灌溉干渠。大壩和涵洞平面布置及斷面圖詳見圖1、2。

水庫工程于1956年10月破土動工，1957年3月建成開始蓄水，為下游灌區發揮了巨大作用，取得了良好的經濟效益和社會效益，有力促進了地方經濟的發展。

2 險情現狀

2.1 漏水過程及特征現象

2016年10月23日，現場水庫管理員發現水庫輸水系統漏水現象，并上報管理單位，經管理單位組織行政管理和各相關參建單位現場勘查，發現輸水系統在閘門已關閉的工況下，輸水箱涵內出口集中漏水外，其他部位未發現漏水，此時大壩水位約392m，箱涵內出口水深約0.3m，寬約0.3m，目估流量約0.12m3/s左右，漏水量較大，且變化幅度小，同時上下游水質基本一樣。

圖1 水庫現狀平面布置圖

圖2 大壩現狀橫斷面圖

2.2 放水過程及特征現象

2016年10月23日-2016年10月26日，為水庫放空期，根據現場水庫管理員記錄及放空后現場勘查，水庫放空期間，也同樣除輸水箱涵內出口集中漏水外，其他部位未發現漏水，水位約380.17-380.35m，箱涵內出口水深約0.17-0.35m，寬約0.3m。放水水過程中，同時發現大壩上游面出現一條裂縫，裂縫出現后隨后出現一處坍塌坑，裂縫位于壩中靠左壩段，坍塌坑位于裂縫頂部，呈橢圓型，底部已被坍塌體填滿，無積水。

2.3 運行過程及特征現象

水庫大壩于1957年運行至今已有59a，運行期間除灌溉用水、防汛放空外，水庫不輸水，截止2016年10月23日，運行良好，輸水系統不存在漏水現象；土壩自身土體天然自身沉降也已穩定；根據管理人員反映及現場查勘發現，常有當地的拉礦大貨車經過壩頂，且大貨車拉礦重量均在80t上下，荷載大。

3 險情勘察

3.1 現狀勘查

根據現場現狀勘查，大壩上游面存在一條裂縫及一處坍塌坑，裂縫位于壩中靠左壩段，縫寬0.5-3cm，縫長13m，起點高程384.90m，終點高程388.60m，基本呈直線，走向約SW45°，靠近壩腳處呈弧形閉合。坍塌坑位于裂縫頂部，呈橢圓型，長約3.5m，寬約2.5m，最深約2.5m，最淺1.3m，底部已被坍塌體填滿，無積水。壩面裂縫塌坑現狀見圖3。

3.2 地勘勘察

為探明大壩漏水、塌坑及裂縫的成因，本次勘察則針對壩體上游面塌坑處進行初步探槽開挖，接著沿縫探坑開挖，最后進行整體大開挖[1]。根據開挖現狀，沿縫開挖后，見縫壁有明顯的漏水痕跡，呈灰黑色淤泥附著，縫從壩面延伸至壩底，為顯著的漏水通道；塌坑部位清理后繼續向下開挖，開挖至輸水箱涵頂部(高程381.13m)，箱涵頂部與壩體塌坑位置垂直所對應處，存在破裂縫，裂縫清理后面積約0.01m2，裂縫鄰近約50cm處箱涵頂部塊石已松動，且無膠結，鉤機輕易的將其清出，松落部位面積約0.04m2。輸水箱涵破碎現狀見圖4。

圖3 壩體上游面裂縫、塌坑現狀圖

圖4 輸水箱涵頂部破碎現狀圖

開挖時壩體土體密實，揭露地層為土層，土層采用注水試驗，共完成5段注水試驗。根據注水試驗成果，壩體填筑土體滲透系數為6.55E-06cm/s-8.6E-05cm/s，平均值2.67E-06cm/s，大部分屬于弱滲透性。

4 險情成因分析

根據本次勘察開挖情況及此前觀察漏水、輸水及運行過程存在的特征現象分析，推斷本次險情為大壩上游局部裂縫與輸水箱涵破裂處形成漏水通道，造成大壩輸水系統漏水，具體原因分析如下：

1)根據開挖揭露查明，壩體局部填筑土質量較差，并不能達到填筑要求，局部土質不均，形成局部薄弱帶。水庫除險加固及防汛放空到水庫蓄滿之前，大壩上游面長期露出水面，土體表面存在干縮裂縫。水蓄滿及水位變化時，相應水壓力變化，局部薄弱帶土體存在水力劈裂，進一步造成干縮裂縫加劇變成水力劈裂縫，形成壩體上游壩面裂縫。

2)輸水箱涵為漿砌塊石結構，開挖后見現狀塊石多處并無砂漿膠結，存在松動現象，表明其原施工時施工質量差，導致局部存在薄弱帶，易被破壞，大貨車經過壩頂，且貨車載重均在80t左右，產生較大的荷載壓力，從而造成輸水箱涵不均勻沉陷產生松動及位移，更進一步的加劇了輸水箱涵薄弱帶發生破裂，形成箱涵裂縫。

3)大貨車經過壩頂，加之箱涵埋置于均質土壩中，兩者由于剛度不同，在不均勻變化時，壩體內部流塑拉伸，壩體內部產生水平及垂直裂縫，導致箱涵體薄弱帶外圍大壩土體形成壩體內部裂縫。

綜上所述，隨時間的推移，以上裂縫沿著壩體薄弱部位進一步加劇發展和延伸，致使壩體內部裂縫和壩體上游壩面裂縫貫通形成裂縫通道；同時，輸水箱涵的裂縫處水壓力變化造成箱涵裂縫加大，導致裂縫通道、箱涵形成集中漏水通道，且伴隨滲透破壞，漏水淘刷造成最終的壩體局部塌陷。

5 險情處置方案

5.1 輸水系統方案的選擇

三圣庵水庫輸水系統由進口段、輸水段和啟閉機房等組成， 由斜拉閘門控制放水。根據三圣庵水庫存在的問題及特性，加固設計擬考慮定向鉆進套管和原箱涵套管兩個方案進行比選。以上擬定的方案比較只考慮放水段及封堵。

1)方案一：定向鉆進套管方案。

定向鉆進是一種裝定向鉆機設在地面上，在表層開槽、清除雜填土后，采用雷達探測儀導向，控制鉆頭按管道設計軸線鉆進，經多級擴孔后，將管道回拉就位，完成管道敷設的施工方法。

定向鉆進的工作原理是采用定向鉆進技術，按設計的鉆孔軌跡施工一個導向孔，先導孔完成后，在鉆桿柱端部換接大直徑的擴孔鉆頭和直徑小于擴孔鉆頭的待鋪設管線，在拉回鉆桿的同時將先導孔擴大，隨后拉入需鋪設的管道。在鉆掘導向孔的過程中，利用膨潤土、水、氣混合物來潤滑、冷卻和運載切削的土至地面。鉆頭上安裝了定向測控儀，可改變鉆頭的傾斜角度。

該方案設計采用水泥沙漿充填原放水箱涵，并于輸水箱涵左側1.0m布置定向鉆進孔，采用DN250PE管襯套。管進出口高程均按原有高程。輸水涵管定向鉆進長約81.3m。

2)方案二：原箱涵套管方案。

原放水箱涵均為0.3×0.45m的漿砌石箱涵，設計拆除原輸水涵洞位置進口端箱涵17m，襯套DN250的PE管，長約81.3m，采用C20 混凝土封堵涵洞兩側，封堵長度2.0m，涵洞與套管縫隙采用水泥砂漿充填。

兩種方案對比情況如表1。

根據表1可知， 方案一投資較大，工期較長，工藝要求高，施工對壩體影響較小；方案二投資較少，工期較短，工藝要求低，施工壩體有影響較大，但經上游壩面裂縫處理可解決。

綜上所述，從工程的技術可行、經濟合理性等方面考慮，本階段推薦采用“方案二：套管方案”對放水系統進行加固。

表1 兩種方案綜合比較表

5.2 險情處置方案

2004年國內首個應用于水資源保護的數字化監控中心——黃河水資源保護監控中心建成。近期實施的二期建設，所研發的水資源保護監測管理、監督管理、應急管理三大應用系統，使黃河水資源保護信息化水平再上新臺階。

本次應急除險加固主要建設內容如下：

5.2.1 輸水系統修復工程

5.2.1.1 重建進水口消力箱工程

拆除原消力箱，重建進水口消力箱,采用C25鋼筋混凝土結構，尺寸4m×4m×4.6m(長×寬×高)，邊墻及底寬均為0.5m，消力箱底高程379.80m，進水口孔徑300mm，消力箱與PE管連接處設置截水槽和止水，防止接縫處漏水。

5.2.1.2 重建輸水涵管工程

重建后涵管長76m，進口中心高程為381.0m，出口中心高程為380.0m，涵管采用DN250PE(0.63MPa)進行套管。在樁號管0+017.5.及管0+076處設置堵頭，1#堵頭尺寸為2×1×1(長×寬×高)，2#堵頭尺寸為1×1×1(長×寬×高)，堵頭采用C20混凝土現澆，消力箱到樁號管0+017.5處，長17.5m采用C20混凝土外包管，外包厚度25cm，同時清除該段老漿砌石涵洞，樁號管0+017.5至出口套管后采用預埋花管骨料灌漿，骨料灌漿采用M10砂漿，灌漿壓力0.2MPa，將原漿砌石涵洞封堵。

輸水系統輸水部分包括進水口及輸水涵管，進水口按孔口出流計算，涵管出流能力按管道無壓流進行復核。

孔口出流計算公式：

(1)

式中：Q為管道過水流量，m3/s；μc為流量系數；薄壁孔口取0.62；A為過水斷面面積，m2；H0為上下游水位高差，m；孔口取382.9m；d為管徑，孔口0.3m。

孔口過流能力詳見表2。

表2 孔口過流能力計算成果表

涵管過流能力計算公式為：

(2)

式中：Q為流量，m3/s；n為糙率，PE管取0.007；A為過水斷面面積，m2；R為水力半徑，m；i為水面坡降，i=0.0125。

經計算，當管道充滿度為0.8時，管道過流能力為0.121m3/s。

經過計算可知，孔口過流能力及涵管過流能力，大于設計引用流量0.12m3/s，滿足要求。

5.2.2 大壩修復工程

5.2.2.1 裂縫修復工程

沿裂縫及坑洞周邊開挖，將松土翻出，再按1∶1.4的邊坡開挖，形成穩定開挖邊坡，開挖底高程381.3m，頂控制高程396.2m，開挖長度沿壩軸線方向，頂長約45m，馬道處約28m，壩腳處約18m。開挖過程中注意開挖安全，及時支護，避免因開挖造成邊坡滑坡等安全隱患。

壩體填筑采用黏土分層夯填，直至恢復原壩型輪廓。壩體黏土回填必須嚴格控制鋪土厚度，不得超厚，人工夯填每層不得超過15cm，土塊粒徑≤5cm，機械壓實每層不得超過25cm，土塊粒徑≤10cm；鋪土分層統一碾壓，黏土含水率10%-30%，碾壓后的滲透系數小于1×10-4cm/s，塑性指數7-17，水溶鹽和有機質含量分別小于3%和5%，大壩土體填筑壓實度≥0.97，其中大壩與建筑物連接處填土≥0.98。

5.2.2.2 上游壩坡防護工程

將上游壩坡干砌塊石護坡拆除，人工清除表層約50cm厚的坡面。坡面整理并壓實，采用黏土換填，黏土層厚50cm，黏土層上鋪設一層厚度為20cm的砂礫石墊層，在389.4m馬道以下采用干砌石護坡，厚度為30cm，以上采用預制六棱塊護坡，六棱塊采用C20混凝土預制，邊長30cm，厚度10cm。

壩坡填筑必須嚴格控制鋪土厚度，不得超厚，人工夯填每層不得超過15cm，土塊粒徑≤5cm，機械壓實每層不得超過25cm，土塊粒徑≤10cm；鋪土分層統一碾壓，黏土含水率14%-17%，黏粒含量15%-40%，碾壓后的滲透系數<1×10-5cm/s，塑性指數10-20，水溶鹽和有機質含量分別<3%和2%，大壩土體填筑壓實度≥0.97，其中大壩與建筑物連接處填土≥0.98。

6 結 語

本工程滲漏通道明顯，水庫降水又容易，通過開挖揭示，可以精準明確病因；輸水涵洞方案依據工程的技術可行、經濟合理性方面考慮，兼顧施工方便易行，做出了最優方案選擇。通過三圣庵水庫輸水系統漏水險情分析及處置，為該大壩輸水系統漏水險情的處置方案提供了科學依據,取得了滿意的成果， 確保了水庫安全及下游灌溉供水，最大程度的發揮水庫工程的效益。

[1]李佩豐.小型土壩輸水系統病險問題處理[J].小水電，2006(04)：21-23.

1007-7596(2017)06-0098-04

2017-05-16

雷贊舟(1975-)，男，江西萍鄉人，工程師，從事水利水電工程設計。

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