基于立體生態技術在水庫除險加固中的應用

裴 航

（深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

社會經濟的快速發展，使得城市環境壓力增大，空間和資源日趨緊張。水生態資源是人類生存和發展的物質基礎，而水庫作為抗洪蓄水和調節水資源的一種重要建筑物，是水生態資源的重要組成部分，其治理直接影響到生態環境的健康安全，對生態文明建設具有重要的意義。

鐵扇關門水庫以供水和防洪為主，向東涌、西涌社區供水。一直以來，建設年代較久的水庫均存在著使用時間較長、維修不及時和監測不足的問題[1]。本文以鐵扇關門水庫的除險加固工程為背景，針對水庫所面臨的實際問題，將立體生態治理理念貫穿于水庫的除險加固工程的全過程，提出了安全有效的處理措施，以期對水庫加固處理提供新的解決思路和經驗，從而改善了水生態環境，扭轉其惡化趨勢。

1 水庫概況及問題現狀

1.1 水庫概況

鐵扇關門水庫位于深圳市南澳辦事處東南8km的東涌河上游，屬于大亞灣水系。水庫右側為東涌公路，工程于1965年興建，1975年建成蓄水。庫區樞紐工程有主壩、輸水涵、溢洪道。其集雨面積2.155km2，干流河長2.681km，河流比降J=0.1972。正常蓄水位88.60m，相應庫容79.67萬m3；設計洪水位91.35m，相應庫容111.90萬m3；校核洪水位為92.09m，相應庫容121.35萬m3；死水位76.3m，死庫容0.29萬m3。鐵扇關門水庫工程任務主要為供水和防洪，是南澳辦事處的主要供水水源，建設時間較早，歷經幾次除險加固，仍存在安全隱患。

鐵扇關門水庫為小（1）型水庫，工程等別為Ⅳ等。

1.2 水庫的問題現狀

1）主壩壩體滲漏隱患：

鐵扇關門大壩為均質土壩，土石壩是一種普遍的壩型，我國早期興建的土石壩由于多種原因，經過多年運行，滲漏問題嚴重，亟待解決[2]。根據測繪與調查情況，整個壩體無明顯的變形和位移，坡面亦無變形和塌陷，壩體邊坡穩定。大壩滲漏主要為壩基基巖滲漏，由鉆孔巖芯可以看出，壩基強風化、中風化變質砂巖，屬中等透水層，巖芯破碎，裂隙很發育，且充填不完整，節理裂隙發育且局部連通，貫通性好。庫水在上下游水頭差作用下有可能沿貫通道出現輕微滲漏。隨著庫水位的升高，水頭高度的增大，大壩滲漏增大。大壩填筑土料大部分為含礫粉質黏土，局部夾有較多強風化碎塊，透水性強，不能完全符合《碾壓式土石壩設計規范》SL274-2001對土料的質量要求，需進行防滲加固，且缺少大壩安全監測系統。

2）溢洪道裂縫隱患：

溢洪道位于在大壩左壩肩，為開敞式溢洪道，堰型為寬頂堰。溢洪道外側山體為土巖混合邊坡，坡面大部分裸露，且局部有塌滑跡象。該邊坡處于基本穩定狀態，由于存在地質災害隱患，所以仍存在失穩的可能性。溢洪道主要置于山體強風化巖之上，但局部地段有滲漏，土體軟化致使壓縮性增大，強度下降，造成溢洪道底板及邊墻存在多條縱橫裂縫，局部混凝土剝落。

3）壩下輸水涵管和庫尾輸水隧洞：

壩下輸水涵管位于大壩左壩段，結構型式為 DN800 鋼管，經調查發現大壩下游輸水涵管出口存在2處滲漏點，滲漏水量較大，總體清澈，稍帶泥沙，且壩下涵管出口擋墻及底板結構損壞，壩下涵管進口閘門、攔污柵老舊，閘門處也存在滲漏情況。

輸水隧洞位于主壩上游約500m右岸至西涌村之間，長160m，隧洞進口設有卷揚式啟閉機，庫尾輸水隧洞進口轉動門蓋已遭破壞，連接鋼繩無保護措施，表面已生銹，鋼繩與混凝土面現狀為滑動摩擦。由于進口轉動門蓋處存在滲漏，輸水隧洞出口流量隨庫水位增高而增大。

4）水庫漲落帶：

庫區漲落帶在枯水季節大面積土壤裸露在外，既產生水土流失，淤塞庫容，影響水質，又嚴重影響庫區景觀。為了改善生態環境，提升景觀層次，往往通過在土壤中種植植物來美化庫區景觀。由于水庫漲落帶水淹旱曬交替，生境變化極端，一般植物難以生存，而且絕大部分坡度較陡、土壤貧瘠，適宜在淺水或淤灘種植的傳統挺水(兩棲)植物并不適應。

2 水庫加固治理原則

鐵扇關門水庫經除險加固后主要建筑物級別由4級提高到3級，洪水標準為1000a一遇。根據深圳市地震烈度區劃圖，工程所在地的地震烈度為Ⅶ度。針對水庫目前面臨的問題，預期達到以下目標，①對水庫進行安全加固，消除大壩滲漏、邊坡滑塌風險、輸水涵及輸水隧洞安全隱患等，保證水庫運行安全；②庫岸消落帶經生態治理，改善生態環境，提升景觀層次；③大壩外觀提升改造，完善配套設施；④增設水庫監測信息自動化接入系統。

3 水庫加固治理措施

3.1 大壩加固

1）壩體防滲加固：

針對目前滲流量較大的問題，首先要對大壩實施防滲處理，大壩防滲系統沿壩軸線布置。防滲系統由兩部分組成，重點防滲范圍為大壩段，其防滲措施擬采用“壩體粘性土防滲+C20混凝土防滲墻+壩基帷幕灌漿”方案。從安全、可靠、經濟的角度出發，采用混凝土C20防滲墻，厚度0.8m，墻頂與水庫校核洪水位齊平，為92.09m，墻底位于壩基中風化巖底線處，墻澆筑槽段7m；壩基采用帷幕灌漿處理，雙排孔，孔距2.0m，灌漿墻幕與防滲墻搭接高度≥3m，灌漿底線為5Lu線以下3m，灌漿方法為套閥花管法，其上夯填壩體土方至壩頂[3]。大壩設計壩頂高程94.00m，防浪墻頂高程95.00m，現狀壩頂防浪墻為局部已破損的漿砌石結構，本次加固擬拆除重建。新建防浪墻擬采用C25鋼筋混凝土結構，防浪墻頂高程95.00m，墻體厚度30cm，墻體結構為L型。防浪墻按20m設一伸縮縫，縫內設止水。為保證大壩壩坡穩定，且原量水堰已失效，綜合考慮，將壩下輸水涵管出口與壩腳排水棱體、量水堰一同加固改造，壩腳排水棱體坡度由1:1.37改為1:1.5，棱體底部設有一條漿砌石排水溝，與左岸山坡排水溝、輸水涵管出口相連接，后接新建量水堰監測設施。

2）庫岸邊坡治理：

經現場踏勘發現，鐵扇關門水庫兩岸邊坡坡度較陡，為了避免邊坡滑移、坍塌造成人員傷亡，進行安全加固時必須對這些高邊坡進行加固處理，綜合考慮現場的周邊環境及巖土層組合等條件，右岸邊坡支護擬選用“錨桿+格構梁+綠化”，左岸邊坡采用“錨桿+掛網噴混植生”的支護型式，以保證邊坡整體穩定[4]。右岸邊坡錨桿采用HRB400鋼筋，直徑22mm，錨桿彎頭與加強筋采用雙面焊接加固；錨桿水平間距2.5m，豎向間距2.0m。左岸邊坡錨桿采用HPB300圓鋼，直徑12mm，長800mm，外留100mm，間距1m。

其中大壩右岸下游邊坡加固方式采用“錨桿＋鋼筋混凝土框架梁”，同時配合整體的綠化需求，框架梁之間全部進行植草綠化。考慮到大壩左岸壩肩屬于高邊坡，因此對其采用掛網混噴植生的方式進行護坡綠化。

3.2 溢洪道防滲加固

鐵扇關門水庫修復后，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為3級，溢洪道為3級建筑物。針對溢洪道安全鑒定結果和現狀安全檢查的情況，主要對溢洪道安全加固采取以下的工程處理措施。①對溢洪道控制段擋墻進行加固，采用C25鋼筋混凝土U型渠結構。②溢洪道泄槽段新建C25鋼筋混凝土底板，左右側墻采用水泥砂漿護面25mm厚。③消力池起點擋墻加高至1.10m，如圖1所示。

圖1 溢洪道U型墻斷面圖

3.3 壩下輸水涵管和庫尾隧洞治理

針對輸水涵管安全鑒定結果和現狀安全檢查的情況，主要對其安全加固采取以下的工程處理措施：①輸水涵管進口更換門蓋及拉桿等設施，改造輸水涵管出口土建結構。②對原輸水涵管與大壩混凝土防滲墻結合部位一定范圍進行充填灌漿。③由于大壩安全加固需壩體增設常規C20防滲墻，厚度0.8m，墻頂與水庫校核洪水位齊平，其上夯填壩體土方至壩頂，且啟閉機房陳舊落后，因此，對啟閉機房采取拆除重建。④拆除庫尾輸水隧洞入口門蓋及啟閉機，重建鑄鐵斜置式閘門b×h=800mm×800mm，增設手電兩用螺桿式（斜置式）啟閉機；且啟閉機房陳舊落后，因此，對啟閉機房采取拆除重建。

4 立體生態景觀優化布設

庫區漲落帶是指枯水季節使得大面積原本被水淹沒的土壤裸露在外的特殊地帶，是水陸生態系統的交錯的地帶[5]。通過布設立體生態景觀帶來控制漲落帶的水土保持，減少危害。

4.1 水庫漲落帶的危害

庫區漲落帶是指枯水季節使得大面積原本被水淹沒的土壤裸露在外的特殊地帶，是水陸生態系統的交錯的地帶[5]。庫水周期反復性的浸泡以及水位漲落產生的淤積和沖刷作用使得土壤中的微量元素被帶入水中，導致土體營養缺失，水體營養富化。加上水庫漲落帶水淹旱曬交替，生境變化極端，一般植物難以生存，植物的選擇也一直是困擾水庫漲落帶生態建設的難題。漲水季節既產生水土流失，淤塞庫容，影響水質，又嚴重影響庫區景觀。若不進行生態治理，漲落帶土壤變得更加貧瘠，植被更難以恢復，水土流失更加嚴重，將會形成惡性循環，最后對生態系統造成不可修復的傷害。

4.2 立體生態景觀帶優化

根據鐵扇關門水庫歷年運行情況，選擇設計常水位以下2m及常水位以上2m范圍進行植被重建，形成水庫庫岸過濾緩沖帶，即為岸坡植被緩沖帶。

緩沖帶是一種生態植栽的生態綠化景觀措施，可因時因地制宜，結合當地氣候水土條件考慮合理的植物搭配。地表徑流經植被攔截及土壤下滲作用后流速減緩，同時經過攔截可去除掉徑流中的部分污染物，有效消減徑流流速和污染負荷，再入水庫。因此緩沖帶發揮著防水浪沖刷、保持水土、美化庫岸景觀的功效。

鐵扇關門水庫岸坡植被緩沖帶選擇選耐水濕、耐水淹、耐干旱的兩棲樹種，以達到保持水土、涵養水源、營造景觀的效果。在工程措施與植物措施相結合的條件下，根據深圳多個水庫漲落帶的建設情況和水庫漲落帶地形坡位特征，以適應性為前提，注重多樣性，配置不同造林樹種搭配模式，營造草、木本有機結合的多品種復層植被系統[6]。采用自然軟岸的生態植栽的岸坡型式，岸邊及庫底用生態材料進行保護，沖刷較嚴重的地帶，采用拋石、木樁護岸等方法。讓庫底透氣，促進地表水與地下水的交換。種植根系發達的植被，加固岸坡。庫岸

在植栽的選擇上以本土植物作為基礎樹種，組合喬木、灌木、草本、地被、水生植物等以豐富種植的層次。通過種植的疏密程度、高低錯落營造不同的空間序列，組合多個品種的植物，建立多層次的植物生境。部分漲落帶地勢較平坦，選擇耐水濕喬木白千層、水蒲桃、落羽杉、水翁進行防護。采用帶狀混交，混交比例為1:1:1:1，挖穴造林，造林密度為2.5m×2m，選用2a生以上實生苗。林下扦插種植鋪地黍，如圖2所示。部分漲落帶較陡，采用香根草籬進行環等高線種植防護。

圖2 庫岸設計圖

5 安全監測

根據《土石壩安全監測技術規范》（SL551-2012）的規定和鐵扇關門水庫的現有監測項目和工程實際情況，目前鐵扇關門水庫安全監測項目設置無法滿足現行規范要求，必須進一步完善監測項目布置，提高大壩安全監測的自動化、信息化程度，提高大壩管理水平和監測效率，保障水庫大壩穩定運行。

鐵扇關門水庫大壩安全監測必要的監測項目包括巡視檢查、變形監測、滲流監測、環境量監測等。結合水庫安防需求，需增設一套穩定的、多功能的、智能的視頻監控來輔助水庫管理，支持水庫巡視檢查、防汛抗洪、聯合調度、基礎設施監管等工作。

根據系統通信組網的原理，系統總體架構由中心站和環境量（水位、雨量）監測站、GNSS變形監測站、滲流監測站、視頻監控五部分組成。中心站是水情自動測報系統、GNSS變形監測系統、滲流監測系統、視頻監控系統的中樞，如圖3所示。

圖3 水庫安全監測系統拓撲圖

5.1 變形監測

GNSS變形監測站部署北斗高精度定位自動化監測設備，結合多傳感器融合技術實現高精度、智能化、全天時、全天候的實時監測大壩表面位移和沉降。視頻監控系統提供穩定的、多功能的、智能的視頻監控來輔助水庫管理，支持水庫巡視檢查、防汛抗洪、聯合調度、基礎設施監管等工作。

目前鐵扇關門水庫大壩無表面變形監測設施，無法對壩體是否有過大變形做出分析，無法掌握水庫大壩水平位移和垂直位移的情況，無法滿足土石壩安全監測技術規范相關要求。 根據鐵扇關門水庫工程規模、由GNSS廠家經詳細了解水庫大壩情況，觀測縱斷面初擬3個，共計10個監測點，1個基準點。兩岸或下游適當位置布設基準點，選擇在穩定的巖基上；監測點根據最大壩高或原河床處、合龍段、地形突變處、地質條件復雜處、地形地質特點布設[7]。

5.2 滲流監測

壩體滲流監測內容包括滲流壓力和滲流量監測。配置基本的滲流滲壓監測，滲流監測站分別在大壩測壓管內安裝自動化監測滲壓計，在大壩下游安裝自動化監測量水堰計來實時掌握大壩壩體滲壓和滲流量情況[8]。根據壩型結構、斷面大小和滲流場特征，在大壩布設4個滲流監測橫斷面，大壩段每個橫斷面上布設4個監測點，管洋房下游壩坡布設3個監測點來監測滲流壓力。在下游壩址附近設導滲溝，在導滲溝出口或排水溝內設量水堰測其滲流量。

5.3 環境量監測

環境量監測內容包括水庫庫區的水位監測和雨量監測，在監測站配置遙測終端設備RTU、GPRS通信模塊和北斗衛星通信終端設備。實現水位、雨量自動采集、固態存儲、自動轉換通信信道。

6 結 語

本文以鐵扇關門水庫加固工程為研究對象，將立體生態理念應用于除險加固技術中，通過增加防滲墻、邊坡加固等防滲加固措施，消除了水庫滲流和結構等安全隱患。保證大壩、溢洪道、輸水涵管等主要建筑物的安全運行。基于立體生態理念對庫岸消落帶進行生態治理的技術措施，很好的保持和營造水庫了的天然狀態，在水岸形成良好的保土、綠化和景觀效果，形成了全新的生態景觀，改善了庫容庫貌，提升了大鵬新區的生態環境，實現了該區域的生態轉型。