病險山塘群分類加固整治設計方案探究

羅仁斌

（福建省永川水利水電勘測設計院有限公司韶關分公司，廣東 韶關 512000）

1 引言

山塘作為一種常規擋、泄水建筑物，其庫容一般小于10萬m3，由大壩、溢洪道、輸水涵管等主要建筑物組成［1］。山塘承擔著區域內的農田灌溉、環境改善和人居消防等多重功能，對當地群眾生產生活十分重要。 廣東省韶關乳源瑤族自治縣目前存在病險山塘多宗，其建設年代久遠，建設技術落后，大部分山塘運行至今已存在不同程度的安全隱患 （如圖1），主要表現為：①上游壩坡年久失修，坡面不平整且坡比過陡，存在局部塌陷、滲漏現象；②下游坡面土體裸露，雜草叢生，局部存在較大面積的跌窩、沖刷坑現象，水土流失嚴重，且缺少系統的排水導流設施；③現狀壩頂寬度較小且多為土壩路面，雨天壩頂道路泥濘難行；④輸水涵管老化、漏水嚴重，部分涵管出口長度不足，且無消能設施，導致下游存在多處沖坑； ⑤現狀溢洪道寬度不滿足泄洪要求，缺少系統的溢洪設施。 為消除山塘安全隱患，保證山塘持續發揮工程效益，亟需對病險山塘進行專項除險加固治理。

圖1 典型山塘現狀

2 概況

2.1 水文氣象

廣東省韶關乳源瑤族自治縣水資源豐富， 水系分散，全縣水力資源理論蘊藏量達56.25萬kW。 縣域內河流眾多，主要河流共有8條。 工程所在地屬中亞熱帶季風氣候，光、熱、雨資源豐富，年平均日照時數為1499.7h， 年 平 均 氣 溫19.6 ℃， 年 均 降 雨 量1565.62mm，無霜期300d，多年平均最大風速14.8m/s，瞬時最大風速22m/s。

2.2 地質條件

工程區域位于華南臺地粵湘褶皺帶的西南端，區域構造分區被劃在東南沿海斷裂褶皺帶的西南端，主要構造線走向為北東—南西向，燕山期斷裂和褶皺構成了本區地質構造的主體， 新生代的紅色斷凹盆地零星分布在早期構造之上。 工程區抗震設防烈度為6度，地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜周期值為0.35s。 壩址區地層巖性主要為土壩壩體填筑土（Qs）、第四系坡積層（Qdl）及下伏基巖。 土壩主要由兩岸山坡坡積含礫粉質黏土（硬塑～可塑）填筑而成，土質稍密～中密，局部較密實，壓實度相對較均勻，填筑質量一般，滲透性屬弱透水。 壩基為第四系坡積層（Qdl）含礫粉質黏土（棕色、黃褐色，硬塑～可塑），其壓縮性中等，透水性屬弱透水。

3 加固設計方案

3.1 工程設計標準

工程區域內現狀多宗山塘大壩的擋水高度均低于15m，且上下游最大水頭差均小于10m。 整治加固標準參照?。?）型水庫平原區、濱海區的防洪標準，即設計標準為10年一遇，校核標準為20年一遇。溢洪道防洪標準與大壩一致， 消能防沖設施防洪標準為10年一遇， 施工洪水標準為枯水期5年一遇。 根據SL252—2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》［2］相關技術條款，主要建筑物級別確定為5級，次要建筑物級別為5級。

3.2 工程加固總體布置

該工程多宗山塘需要除險加固，工程任務為保證下游農田灌溉功能正常發揮。 在對山塘現狀問題系統分析基礎上，提出針對性的工程措施：①對壩面凹凸不平、雜草叢生的大壩進行修整處理；②對現狀大壩迎水坡為土坡的， 設計新建C20混凝土護坡或C20混凝土擋墻；現狀迎水坡為混凝土擋墻，且較為完好的，只需進行貼面處理，同時壩頂新建泥結石路面和兩側路緣石，背水坡撒播草籽、新建貼坡排水或C20擋墻，壩后設置排水溝；③重建或新建溢洪道、交通橋或人行橋；④重建或新建梯級輸水涵管、底涵。

3.3 大壩加固方案

針對不同大壩實際情況，實施分類加固整治方案。

（1）方案1。 現狀大壩壩高較矮，且壩體單薄、迎水坡坡度較陡時， 采用迎水坡培厚、 新建擋土墻方案，同時壩頂鋪設泥結石路面及新建C20現澆混凝土路緣石；背水坡陡于1∶1.5的按坡度1∶1.5進行修坡，緩于1∶1.5的按原坡度進行修坡，并撒播草籽，采用干砌塊石護坡或新建擋墻（圖2）。該方案加固措施整體性好、美觀，且日常維護方便，施工較容易。

圖2 方案1加固斷面圖

（2）方案2。 當現狀大壩迎水坡修建有擋墻，且結構較完好時，僅需對該迎水坡擋墻進行貼面處理即可，壩頂及背水坡處理同方案1（圖3）。 該方案在原大壩基礎上進行修復，對壩體擾動較小，可減少工程投資。

（3）方案3。當現狀大壩壩高較高，且迎水坡坡度較緩時，采用迎水坡培厚、新建混凝土護坡，以及坡腳設固腳方案（圖4），該方案可有效保護水庫坡面免受水面直沖，且可減小滲流，保證壩體安全。 壩頂及背水坡處理同方案1。

3.4 溢洪道加固方案

大部分山塘溢洪道是在原山坡開挖成明槽予以泄洪，其結構簡陋，且進水條件較差，部分山塘甚至沒有設置溢洪道。 經長期運行，溢洪道受沖刷損毀嚴重。 同時，溢洪道泄洪能力不足，堰頂高程與壩頂高程的高差偏小，遇到特大暴雨時，山塘最高水位幾近溢頂，嚴重影響大壩的運行安全。 因此，該工程針對無溢洪道的山塘進行溢洪道新建，對現狀溢洪道已損壞或過流能力不足的進行溢洪道重建和維修。

新建或重建溢洪道由溢流段、陡槽段、消力池、出水渠道4部分組成（典型斷面如圖5）。其中，溢流段側墻采用C20混凝土重力式擋墻結構， 底板采用30cm厚C20混凝土， 對于有通行要求的溢洪道考慮新增橋板；陡槽段側墻采用C20混凝土重力式擋墻結構，底板采用20cm厚C20混凝土，底板下鋪設10cm厚碎石、砂混合墊層；消力池側墻采用C20混凝土重力式擋墻結構，底板鋪設30cm厚C20混凝土，且底板下設置墊層；出水渠道側墻采用C20混凝土重力式擋墻結構，底板采用20cm厚C20混凝土結構。

圖5 溢洪道典型斷面圖

3.5 輸水涵管加固方案

現狀山塘輸水涵管大多以壩下埋管輸水方式為主，結構上多為石砌涵管（涵洞）、煉瓦管、陶土管、篾籠管、木涵管等，其質量差、隱患多，且多已破裂漏水。同時，涵管與壩體接觸不佳，導致管周滲水；且管身多置于軟土上， 極易導致壩體不均勻沉陷而釀成事故。根據現狀山塘具體情況，現狀山塘無輸水涵管的需新建輸水涵管；現狀山塘已建有輸水涵管，但輸水涵管進水口破損嚴重， 且底涵堵塞或過流能力不足的，需重建輸水涵管；現狀山塘輸水涵管完好可繼續使用的，無需改造，維持現狀即可。據統計，約40宗山塘需采用破壩開挖方式， 輸水底涵采用預制鋼筋混凝土Ⅱ級承插管；其余3宗水庫采用虹吸式輸水涵管，涵管采用DN400壓力鋼管。 對于迎水坡新建擋墻或貼面的山塘， 將輸水涵管緊貼擋墻并布置為一個整體；引水陂新建混凝土護坡的山塘，將斜涵沿迎水坡布置。

3.6 白蟻防治方案

山塘管理機構應設有固定的防治人員， 開展白蟻危害的防治工作，防治工作應堅持“以防為主、防治結合、因地制宜、綜合治理”的方針，堅持“平常查找、及時滅殺、隱患處理相結合”的原則，防治范圍包括壩區管理范圍及四周環境［3］。 水庫管理部門每年應編制年度防治計劃，做好普查、防治和處理隱患工作，并建立防治工作檔案，不斷總結經驗，提高防治效果。

4 山塘大壩穩定計算

4.1 滲流穩定計算

根據已有的工程地質勘探和土工試驗結果，對具有代表性的大壩加固典型斷面進行滲流及穩定計算。所選典型斷面為土體物理力學指標值相對較差、大壩較高，代表性較好的斷面。 計算工況包括：①山塘水位處于正常蓄水位的穩定滲流； ②山塘水位處于設計洪水位的穩定滲流； ③山塘水位處于水位驟降期的不穩定滲流。 滲流計算采用土石壩二維滲流計算分析軟件， 該程序適用于不規則邊界的各向異性滲流場，能有效解決土石壩的復雜滲流問題。程序的求解方法是基于三角形單元的有限元法， 用改進平方根法直接求解線性代數方程組。 滲流量計算采用以下有限元分析基本公式：

式中 ［K］為透水系數矩陣；{H}為總水頭向量；{M}為單元儲水量矩陣；t為時間；{Q}為流量向量。 加固后，各工況下壩體計算坡降值及滲流量如表1。 由結果可見，壩身在各工況下均不會產生滲流破壞。

表1 背水坡滲流出口比降計算成果

4.2 抗滑穩定計算

選取具有代表性的山塘作為典型斷面， 以此進行大壩抗滑穩定計算。計算工況為：①正常蓄水位穩定滲流期的背水坡； ②設計洪水位穩定滲流期的背水坡； ③山塘水位處于水位驟降期的迎水坡。 根據SL2574—2020《碾壓式土石壩設計規范》，抗滑穩定采用瑞典圓弧滑動法計算， 抗滑穩定安全系數采用有效應力法計算。根據規范要求，對5級土石壩，壩體抗滑穩定安全系數為：正常運用條件K=1.15，非常運用條件K=1.05［5］。計算結果如表2，結果表明大壩上下游壩坡抗滑穩定安全系數大于規范要求， 壩體無滑動風險。

表2 山塘大壩抗滑穩定計算成果

4.3 附屬擋土墻結構穩定計算

選取韶關乳源瑤族自治縣山塘大壩迎水坡新建C20混凝土擋墻（擋墻頂高程為547.50m，擋墻總高4.5m，頂寬0.5m，底寬2.8m，迎水側坡度為1∶0.4，背水側垂直），以及韶關乳源瑤族自治縣山塘大壩背水坡新建C20混凝土擋墻（擋墻頂高程為90.50m，擋墻總高2.0m，頂寬0.4m，底寬1.6m，墻前垂直，墻后坡度為1∶0.4）作為典型計算斷面。作用于擋土墻的主要荷載有自重、土壓力、靜水壓力、揚壓力（包括浮托力、滲透壓力）和其他荷載等。結合本工程的地質報告中的相關地質參數，工程區域地質構造穩定，地震基本烈度小于等于6度，故不考慮地震工況。計算成果表明，迎水坡、背水坡擋土墻在各種工況下，擋土墻抗滑、抗傾覆穩定安全系數均大于規范規定值， 滿足規范要求；其基底最大應力均小于修正后地基承載力，地基承載力滿足設計要求， 且基底應力不均勻系數亦滿足規范要求。

5 結語

（1）病險山塘除險加固事關當地群眾生產生活，也是經濟建設的必然選擇。 結合廣東省病險山塘除險加固工程實際，在分析已有基礎資料的基礎上，針對現狀山塘存在問題進行了系統梳理和整體加固方案布置。 重點對山塘主要建筑物（大壩、溢洪道和輸水涵管等）進行了針對性的分類加固治理，并對大壩滲流穩定、 抗滑穩定和附屬擋土墻的結構穩定進行了計算，結果表明相關計算均滿足規范要求，大壩整體結構偏安全。

（2）針對廣東省病險山塘的實際情況進行分類整治，實踐表明，工程實施后可增加山塘的蓄水能力，有效改善當地農田的灌溉條件， 并具備一定的生態和防洪效益，可有效保障當地人民的生命財產安全。