山塘水庫除險加固工程設計中的幾個問題探討

曾 祥

(云浮市水利水電勘測設計院，廣東 云浮 527300)

1 概 述

隨著近年來水庫除險加固工作的穩步推進，云浮市大部分小(2)型以上病險水庫已逐步得到整治，但仍存在大量蓄水庫容在10萬m3以下的山塘水庫仍未進行有效治理。據統計，云浮市蓄水庫容在10萬m3以下的山塘水庫共計1169宗，這些規模以下的山塘水庫工程基本上初建于20世紀60-70年代，未經標準設計和規范施工，絕大部份不具備完善的泄洪、調洪能力。相比于小(2)型以上的水庫，此類山塘水庫通常不被重視、忽視了必要的除險加固工作，但其出險的概率遠遠高于小(2)型以上水庫。近年來云浮市已將部分除險加固工作的重點轉移到山塘水庫上、需要對其除險加固進行規范化設計。這些長期管理不善的山塘水庫在除險加固設計的過程中，有其獨特的工作重、難點。

2 常見問題及其解決方案

2.1 防洪標準的確定

云浮市規模以下山塘水庫的大壩高度大部分低于15m且上下游最大水頭差<10m。若洪水標準設計過高，工程量會相應增大、造成不必要的工程浪費。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2017)，當山區、丘陵區水庫工程永久性擋水建筑物的擋水高度低于15m且上下游最大水頭差<10m時，其洪水標準宜按平原、濱海區標準執行。所以即便是按照小(2)型水庫確立洪水標準，規模以下山塘水庫的設計洪水標準可定為10a一遇，校核洪水標準可定為20a一遇。由此確定的防洪標準較為符合實際工程需要。

2.2 設計洪水的計算

在設計工作開始階段，需要對山塘水庫的洪水過程進行定量計算，以確保下一步的調洪計算具備較為準確的前提條件。一般來說，流域無水文站、缺乏實測資料時，可根據《廣東省暴雨參數等值線圖》(2003年)和《廣東省暴雨徑流查算圖表》(1991年)查取相關參數，由設計暴雨推求設計洪水，主要采用廣東省綜合單位線法和推理公式法(1988年修訂)兩種方法進行計算。由于推理公式法(1988年修訂)計算洪量過于集中、調洪水位偏高；而廣東省綜合單位線法計算成果能夠較好地反映降雨過程的變化、洪峰流量和洪水過程線的推求也是有機結合在一起。同時，廣東省綜合單位線法分析使用的資料基礎稍好于推理公式法(1988年修訂)，而用實測洪峰驗證，精度也比推理公式法(1988年修訂)高。總的來說，在推求設計洪水過程線方面，廣東省綜合單位線法顯然優于推理公式法(1988年修訂)。因此，在對參數合理調整的前提下，使兩種方法的設計洪峰流量相差不超過20%后，原則上應采用廣東省綜合單位線方法的設計洪水成果。

云浮市規模以下山塘水庫基本上缺乏實測水文資料，其設計洪水可沿用上述方法進行計算。在實際操作過程中，由于山塘水庫的集雨面積絕大部分<10km2，按照上述方法計算得出的設計洪水明顯偏大，與實際情況不相符。為了能夠更準確地推求設計洪水成果，可參考廣東省洪峰流量經驗公式的計算成果進行調整。廣東省洪峰流量經驗公式主要針對除水庫外的集雨面積<10km2的工程，其計算結果只能反映洪峰流量的數值，不能反映洪水過程。實踐證明，對于集雨面積<10km2的工程，廣東省洪峰流量經驗公式法的洪峰流量成果明顯比廣東省綜合單位線法和推理公式法(1988年修訂)更符合實際情況。故此，對于山塘水庫設計洪水的計算，我們可先采用廣東省洪峰流量經驗公式法計算出某頻率的洪峰流量，以此數值為參考對廣東省綜合單位線法和推理公式法(1988年修訂)的參數進行合理調整，在確保查算圖表合理取值的前提下得出與廣東省洪峰流量經驗公式法計算的洪峰流量盡量相近的計算成果，從而保證設計洪水符合實際情況的同時，也能清晰地反映洪水過程[1]。

2.3 來水量的計算

規模以下山塘水庫的集雨面積較小，有可能出現來水量不足導致山塘水庫不能正常運行的情況。為了保證山塘水庫發揮其應有的功能，可采用以下的措施：

1)引調洪水：于山塘附近尋找天然匯水區域，根據區域特征新建引洪渠道，引流至山塘蓄水，引洪渠道的設計流量應根據山塘下游控制的用水區的需水量、需水過程、引流匯水面積和山塘的庫容量分析計算確定。

2)引調泉水：若庫盆周邊或山塘附近存在出露泉水，可新建引水渠道將取泉水引至山塘積蓄。引水積蓄對山塘水庫在干旱季節能夠正常運行能夠起到很好的補充作用。

2.4 調洪演算

在設計工作過程中，經常會遇到一些特殊的山塘水庫——集雨面積小、庫容容積較大，現狀未設置溢洪道、只埋設了放水涵管，每逢暴雨來臨時，只需打開放水涵管泄洪即可滿足防洪要求。此類山塘水庫往往沒有固定的正常蓄水位，平時蓄放水都是根據當地的用水需求決定的。若采用常規的水量平衡方程基本原理進行水庫調洪計算來確定壩頂高程，其現狀壩頂高程往往大大高于計算壩頂高程。由于此類山塘水庫集雨面積小，暴雨匯水時間較短，可根據廣東省綜合單位線法和推理公式法(1988年修訂)算出1天洪量。將該洪量與山塘庫容作定量比較，當1天洪量小于山塘庫容時，可認為現狀山塘大壩的壩高符合防洪要求，無需進行調洪演算[2]。

2.5 消能設施的布置

云浮市規模以下山塘水庫，其已建“溢洪道”大多只是土渠、且下游往往未設置消能設施。對于現狀“溢洪道”，往往是沿著當地地形開挖成渠，其渠底縱向坡度較大。我們對其進行拓寬挖深加固時，如果重新設計泄洪段縱向坡度，必然占用較多附近的土地，常會引發用地矛盾。為了避免用地爭端，同時考慮工程的經濟性，通常沿現狀“溢洪道”進行加固設計即可。而一旦維持原狀縱向坡度不變，則泄洪流速將會遠大于不沖流速。此時可從兩個方面采取措施：溢洪道泄洪段底板橫向增設若干道消力坎；溢洪道末端布置消力池和海曼。特別要注意的是，若采用底流式消能，其消力池長度將會非常大，故建議采用挑流式消能[3]。

2.6 更換放水涵管

除有些條件較好的地質可以通過新打隧洞取代放水涵管、或頂管施工、或采用虹吸管外，仍有一些山塘水庫需要通過大開挖來更換原放水涵管。這些涵管更換時除了保證基礎不發生不均勻沉降外，尤其要注意其回填壓實土方必須要“無死角”。涵管安裝定位后，兩側需要回填土方，由于靠近涵管的位置壓實土方時容易由于施工工作面不足而造成“漏壓”現象。而該部位若不密實，將有可能導致壩體產生致命隱患——橫向裂縫。我們可在設計環節消除這種可能出現的隱患：涵管安裝定位后，兩側采用混凝土振搗密實填充。

2.7 施工用電和防汛道路

云浮市規模以下的山塘水庫大多地處偏僻，在實際施工時往往面臨用電困難和材料運輸困難的問題。倘若采取常規方案：即架設線路引電、修建標準化防汛道路，無疑需要高昂的費用，該部分費用甚至占據總工程造價的大部分。為了提高工程效益，筆者認為可采取以下措施：施工場地自發電，費用按照實際發生費用計算；防汛道路則應降低修建標準，采取開挖平整后壓實即可，無需標準化建設。

3 結論與建議

云浮市規模以下的山塘水庫位于山區地帶，其特點是地處偏僻、庫容小、主體建筑和次要建筑等級低，如果按照常規方法對其進行除險加固設計，很有可能會造成不必要的工程浪費。在不與規范產生沖突的前提下，可根據山塘水庫的實際情況調整設計方法和理念實現設計目標，以達到最佳工程經濟效益。