廣東省某小型水庫除險加固工程設計與應用

黃遠帆

(梅州市水利水電勘測設計院，廣東 梅州 514000)

1 小型水庫除險加固的重要性

廣東省絕大部分小型水庫建設于1960年左右，由于技術落后、資金缺乏等原因，原有水庫的建設質量已經無法滿足現代實際需要；同時許多水庫在建設完成后未進行相應的維護管理，導致在運行中存在不同程度的病險問題，潛在威脅下游人民群眾的生命財產安全。小型水庫除險加固工程對當地社會、經濟和生態發展都具有十分重要的意義。

(1)提升水庫質量，保障人民生命財產安全。水庫是具有防洪、灌溉及供水等諸多功能的人工湖泊，不僅能保障國家工業可持續發展和糧食生產安全，還在雨季具有調節洪水的功能，可以及時泄洪或者蓄洪[1]。如果水庫存在病險問題，其調洪能力將極大地降低，一旦發生垮壩，將對下游造成災難性的后果。小型水庫的除險加固對保障人類社會生命財產安全具有重要的意義[2]。

(2)提高水庫性能，充分發揮其效益。小型水庫的除險加固可以充分發揮抵御干旱、洪水等自然災害，保證工農業正常生產和人類社會的正常運行，對我國水利事業的健康持續發展具有不可或缺的作用；而且水庫可以保持生態系統的平衡，有效避免自然災害的發生。加強小型水庫的除險加固能夠提高水庫自身性能，進而充分發揮其社會、經濟和生態效益[3]。

(3)有效緩解水資源短缺。我國原本就屬于水資源較為短缺的國家，近年來隨著人口總量的進一步增加，水資源短缺矛盾更加嚴峻，合理的水庫規劃則可以有效解決水資源短缺問題[4]。目前許多大中型水庫供工業和城市用水，而小型水庫供農業和農村城鎮用水，由此小型水庫在推動農村經濟發展、改善農業生產條件和提高農民生活質量等方面起著關鍵的作用。但是大部分小型水庫年久失修，存在大量潛在威脅，導致水資源側滲流失或者雨季無法蓄水，造成水資源嚴重浪費。小型水庫除險加固工作不僅是落實科學發展觀的具體實踐，也是保障城鄉飲水安全和緩解水資源短缺的現實需要。

2 除險加固工程技術現狀

2.1 堆石壩體技術

堆石壩體是我國現代除險加固工程中的常用壩體技術之一。該技術在實際施工過程中要求堆石壓實容重為23 kN/m3，孔隙率在30%以下，相對密度范圍應在0.7以上。大塊石料占總石料的60%，中塊石料占30%，小塊石料占10%，且選用質地堅硬的石料，墊層碎石的顆粒直徑應在自然厚度范圍之內，通常為2～4 cm。采用“隨鋪隨砌”施工原則，以避免因出現碎石精細顆粒分離，而導致墊層石料由庫壩頂端向下傾倒的情況發生。

2.2 壩體粘土斜墻技術

壩體粘土斜墻技術是拆除水庫原壩坡表層已龜裂、疏松的廢棄土料，重新采用新鮮的夯實土料對壩體粘土斜墻進行置換。該項技術通常運用薄層輪加法，每層平均增加20 cm，并進行夯實。滲透系數通常在1.0×10-5cm/s以下，壓實度應在0.95以上；并需對每一填筑層進行自檢和抽檢，未達標的部位必須及時補壓或著進行局部處理，直至復驗合格后才可以進行下一道工序。

2.3 灌漿技術

河壩灌漿技術具有投資小、效果好、操作簡便的優點，一般應在水庫水位較低時進行施工，并且在灌漿前應做灌漿試驗[5]。此技術要求水泥采用32.5級綜合水泥，必須帶有出廠合格證；砂礫石中含泥率應低于1%，針片形砂礫石超徑低于5%，細度模數應控制在1.6～3.0范圍之間。常見的灌漿技術有帷幕灌漿、充填灌漿和劈裂灌漿技術等。帷幕灌漿技術是小型水庫壩基滲漏的有效防滲措施，其技術通常采用自上而下分段灌漿法，要求孔位與原設計偏差值小于10 cm，孔徑大于46 mm。依據滲透填充理論，采用充填灌漿的方法，對壩體土層空隙進行低壓灌注，以提高河壩的防滲能力，灌漿壓力通常小于4.9×104Pa，灌漿材料采用普通水泥黏土漿液，要求水泥含量占20%。劈裂灌漿是以大于臨界水壓的壓力對河壩土層先劈裂，然后對裂縫及洞穴進行灌漿。在水泥劈裂灌漿技術的應用中，應沿壩體軸線方向梅花狀方式布置，一般灌漿孔為2排，排間距為1 m，孔間距為2 m，孔徑應為100 mm。劈裂灌漿的專業性極強，需要針對不同的土體進行定向劈裂，一旦劈裂出現誤差，將嚴重影響整個工程的質量。因此，在劈裂灌漿工程中對施工隊伍、灌漿質量及施工監測均具有較高的要求。

3 某小型水庫除險加固工程的設計應用

3.1 水庫工程概況

某水庫始建于1981年，2000年修整水庫大壩的壩坡、棱柱反濾和溢洪道，2009年進行了除險加固施工， 2020年進行了安全鑒定，確定該水庫為三類等級壩，需要及時進行水庫除險加固。該水庫是1座集灌溉、防洪功能的小型水庫，集水面積為1.1 km2，水庫正常水位為181.50 m，庫容量為16.49萬m3；其水庫主要由大壩、溢洪道和附屬設施等建筑組成。該水庫大壩最大壩高25.2 m，壩頂寬度為5.0 m，軸線長116.0 m。大壩后壩腳采用棱體反濾體，反濾長59 m，頂寬2.6 m，反濾高4.1 m，外坡平均坡比1∶1.2。輸水涵涵管全長106.6 m，放水開關采用手動斜拉桿式閘門控制，拉桿采用φ60mm實心鐵。開敞式溢洪道設于大壩左側，溢洪道進口段長寬為9.0 m×6.0 m，控制段長寬14.3 m×3.3 m。最大下泄流量19.0 m3/s(P=0.5%)。依據水利部門的相關規定，若不及時對該水庫進行除險加固處理，水庫將無法正常蓄水，以致無法發揮其應有的效益。因此，水庫必須安全加固，消除不安全因素，發揮水庫的正常效益。

3.2 大壩存在的問題

(1)大壩運行大事記和臺賬等運行管理資料不完善，日常巡查管理不夠到位。水庫未配備適用的抗震措施及防震減災預案。

(2)水庫壩體填土滲透系數偏大，壩頂和后坡有多處白蟻活動跡象，后坡縱橫排水溝淤積和被植被覆蓋，壩頂公示牌損壞和不完善，前坡混凝土護坡部分損壞，混凝土護坡未設排水孔，壩頂、前、后坡雜草較多。大壩后坡部分區域有下沉和沖溝現象，第三級壩坡坡比和原設計坡比相差較大。大壩后坡部分抗滑穩定性沒有達到規范要求。

(3)大壩后坡抗震穩定性沒有達到規范要求。水庫現有防汛物資儲備數量和種類不符合規范要求。水庫大壩缺少沉降、位移監測等設施。

3.3 大壩加固設計

3.3.1 前坡加固設計

在大壩安全鑒定階段通過抗滑穩定復核計算，大壩前坡抗滑穩定安全系數滿足規范要求，因此維持坡比1∶2.65不變。根據現場安全檢查情況，護坡混凝土面板部分出現凹陷和裂縫，并且未設置排水孔，擬拆除原有混凝土護坡后，重新現澆前坡C20混凝土護坡厚0.12 m，單塊混凝土護坡尺寸長寬3.0 m×3.0 m，分縫采用2 cm寬的瀝青松木板，下墊瀝青油毛氈一層，寬度為30 cm，護坡底平鋪砂礫石墊層厚0.12 m，排水孔橫向、縱向間距為2.5 m，呈梅花樁布置；同時在排水孔下墊鋪土工布，避免滲漏及淤泥堵塞。

3.3.2 后坡加固設計

加固前后坡坡比分別為1∶2.60、1∶2.42和1∶2.06，通過抗滑穩定復核計算，大壩后坡抗滑穩定系數未能達到標準要求。加固后后坡坡比分別為1∶2.60、1：2.42和1∶2.50，對第三級壩坡進行培厚，重建第二級馬道處排水溝，排水溝長87 m，后坡面采用植草護坡。

3.3.3 反濾體加固設計

根據大壩安全鑒定成果，計算得知大壩后坡抗滑穩定安全系數沒有達到規范要求，原設計棱體反濾體高為5.0 m，現狀棱體反濾體高4.1 m比原設計低了0.9 m。本次加固擬加高反慮體以降低壩體浸潤線，使得大壩后坡抗滑穩定計算結果能滿足規范要求，加固后棱體反濾體高為5.5 m，頂寬1.5 m，外坡平均坡比1∶1.5；其中樁號K0+52.6到樁號K0+81.3段基礎需要加深，暫定為3 m，基礎加深段長30 m，棱體反濾體總長73 m。

3.3.4 壩體灌漿技術

根據地勘資料和《大壩安全評價報告》中滲流復核計算，該水庫大壩的滲透系數較大。為提高壩體的防滲能力，本次除險加固工程采用水泥漿液加壓封堵壩體巖層中存在的洞穴和裂隙，擬設計對壩基和壩體分別采用帷幕灌漿技術和充填灌漿技術。在水庫壩頂沿壩軸線布置2排灌漿孔，排間距為2 m，孔間距為5 m，深度至壩基以下2 m處，呈梅花樁布置。灌漿材料成分為純水泥漿，其中含有10%水泥的黏土漿。灌漿后工程效果應達到密度為1.3～1.6 t/m3，黏度為30～100 s，膠體率大于80%，壩體穩定性小于0.1 g/cm，失水量在10～30ml/30 min之間，具體灌漿壓力值通過灌注試驗確定。同時，在施工結束后，需采用鉆孔方式檢查灌漿效果。

4 展 望

小型水庫除險加固是水利工程建設領域的重要任務之一。目前我國小型水庫約有10萬座，但是大部分始建于20世紀60年代，受當時經濟條件和建設技術的制約，以及后期對維護管理的不重視，致使有40%以上的水庫病險問題突出，嚴重威脅國家社會及人民群眾的生命財產安全；因此，小型水庫除險加固已成為一項迫在眉睫的重點工程[6]。

壩體灌漿技術是水庫除險加固工程的核心內容，目前灌漿防滲技術眾多，但各種技術均存在不同問題[7]。例如，帷幕灌漿技術必須控制好灌漿的壓力，壓力不足難以充分灌漿，影響防滲效果，壓力過大容易破壞壩體結構，形成新的病險；充填灌漿技術是對壩體防滲處理使用最早的方法，但是大量實踐表明，此技術的成墻性差，防滲效果不佳，特別不適于大面積壩體土層的防滲；劈裂灌漿技術需要考慮壩體的應力分布條件，如果劈裂的方向及力度出現誤差，極容易對大壩造成毀滅性破壞。因此，在現實的施工中要求足夠細致，選取最適合的灌漿技術進行壩體除險加固，同時應加大對除險加固技術的研究，在保證水庫除險加固效果的基礎上向簡捷化、精準化及信息化的方向發展。

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