小型病險水庫除險分析及其穩定性安全評價研究

莫啟導

(東莞市茅輋水庫管理所，廣東 東莞 523000)

0 引 言

土石壩水庫長期運營中往往容易發生如下的病險：壩體變形、沉降；壩基或壩體發生滲流破壞；水工結構上輸水管涵易滲透破損；溢洪道內淤積、白蟻侵害腐蝕等等[1]。通常滲流、白蟻侵害往往發生最為頻繁和常見。所以定期對土石壩水庫進行除險勘察是預防水庫病害，維持水庫長期安全穩定運行的必須措施[2]。

文章以汕頭某水庫為工程背景，結合該土石壩水庫的興建歷史和前期勘察及除險加固施工歷史，對該水庫進行深層次的安全鑒定地質勘查工作和既有病險分析研究工作，為類似的長期運營的土石壩水庫病險分析和穩定性安全評價做參考。

1 水庫工程概況

水庫位于汕頭市某區，工程建于1957年，水庫運行至今已有60a，是一宗以農業灌溉為主要任務的小型水庫。目前該水庫擔負著該區大于27公頃農田的灌溉任務，是該區農業灌溉的主要水庫之一。

水庫原設計洪水標準為20a一遇，校核洪水標準為200a一遇。水庫原設計集雨面積0.25km2，最大壩高14m，壩頂高程為29.00m，壩長210m。溢洪道為開敞式寬頂堰，溢洪道底高程26.86m，相應庫容13萬m3。最大庫容為16萬m3。壩下涵管為鋼管，直徑為0.3m，進水口涵管底高程為20.21m，涵管長度約46m。水庫主要建筑物有：大壩、溢洪道、輸水涵管、防汛路。

1.1 工程水文地質條件

工程所在地區受太平洋和南海熱帶氣旋影響或直接侵襲頻繁，本地區的主要自然災害為熱帶氣旋和風暴潮[3]。

水庫兩邊山體為花崗巖風化剝蝕地形，屬粵東低山山谷地貌。兩邊為低山，山勢北高南低，兩壩頭山體花崗巖球形風化較為明顯?，F由新至老分述如下：人工填筑層(QS)，主要由花崗巖風化土及原沖積黏土質砂填筑而成，形成于第四紀全新世。 第四系沖積層(Qal)，主要由灰黃色黏土、灰黑色淤泥質土組成，形成于第四紀全新世。第四系殘積層(Qel)：主要由灰褐色砂質黏性土組成，形成于第四紀更新世。 燕山晚二期粗?；◢弾r(γ52(3))：風化不均勻，夾有少量強風化碎塊，多呈粉土質砂，形成于燕山期，在壩址區和庫區為此種巖性，分布廣。

1.2 不良地質現象調查

庫區內基巖為燕山晚二期的侵入花崗巖，風化土層厚，根據壩址現場勘查及其他相關資料表明，庫區地下水分水嶺在水庫周側山脊[4]。庫區地下水壩肩地下水位高于水庫正常高水位，庫周未見滲透性良好 的區域性斷層通過，總體來說，滲漏相對穩定。

庫區兩岸無重要建筑物、農作物，沒有廠礦，水位達到正常高水位，水庫蓄水后，水位上升，雖局部引起地下水位壅高，但不會導致土地嚴重沼澤化的現象的出現，亦不會產生淹沒及浸沒的現象。

庫岸地形坡度較緩，地表覆蓋第四系沖積土層，可供水土流失的陸源碎屑較多。在雨季，可能會造成一定的水土流失，是水庫淤積的主要物質來源，但庫尾植被較發育，且庫周地形平緩，固體徑流量不大，淤積不嚴重。

在整個庫區未發現有影響水庫安全的大型滑坡、崩塌等外動力地質現象，水庫其余庫周巖土體完整性較好，自然邊坡整體穩定性尚好，未發生大范圍的庫岸再造問題，總體而言，庫區庫岸較穩定。

2 水庫工程質量分析及評價

經過現場檢查，結合本次安全鑒定的地質勘探成果和測量成果發現，水庫大壩、溢洪道及輸水涵管均存在一定的質量及安全隱患。

2.1 壩體填筑質量評價

水庫建于1957年，大壩為均質土壩。由于工程建設期間大壩填土壓實質量難以控制，給工程留下了一定的隱患。經過幾十年來的維修養護和2008年的除險加固時對水庫壩體進行充填黏土灌漿，提高了壩體填土的密實度，減少了大壩的滲流量。

據現場注水試驗，壩體填土層的滲透系數平均值為3.63×10-5cm/s，屬弱透水層，其室內滲透試驗成果顯示，填筑土層滲透系數平均值為2.52×10-5cm/s，屬弱透水層。 結合現場注水試驗及室內滲透試驗成果，滿足SL251-2000 規范規定的均質土壩碾壓后滲透系數<1.0×10-4cm/s的規定。

2.2 護坡質量評價

大壩上游坡采用混凝土護面，運行至今多年，現場檢查大壩迎水坡混凝土整體性較好，現場混凝土強度檢測為13.5-17.5MPa，保養管理較好。大壩下游坡為草皮護坡，坡面凹凸不平，局部土體裸露。

2.3 溢洪道質量評價

水庫溢洪道為漿砌石結構，底板為混凝土護面，現場混凝土強度監測為14.0MPa；整體性較好，無雜草叢生破損等情況。

2.4 輸水涵管質量評價

輸水涵管為壩下埋管，位于大壩右側，為2008年除險加固時新建的φ300鋼管，管底進口高程為20.21m，出口高程為19.10m，長46m。輸水涵管在壩頂迎水面設置有閘門啟閉機室，涵管鑄鐵閘門采 用斜拉式手動啟閉機操作。

根據現場檢查檢測壩后露天段涵管厚度在7.28-7.42mm之間，經過12a的運行，涵管主體結構現狀較好，閘門和啟閉機操作運行較好，無重大問題。

2.5 工程質量綜合評價

經過現場檢查，以及結合地質資料可以看出，水庫大壩、溢洪道、輸水涵管情況整體較好，只是質量存在一些不足，具體如下：①大壩壩體填筑質量經2008年除險加固后，整體質量較好，現場注水試驗結果及室內檢測結果均滿足規范要求，無滲漏現象。壩頂路面為泥結碎石路面，建議可采用混凝土進行加固，迎水坡混凝土護面保存較為良好，背水坡坡面不平整，有雜草且部分裸露建議加固。②現狀溢洪道底板保存較好，運行無問題。③涵管運行較好，無問題。工程質量綜合評價為合格。

3 水庫工程病險分析及評價

3.1 防洪能力復核評價

3.1.1 洪水復核

本次安全鑒定采用1/10000地形圖。對水庫的集雨面積、河流長度和河流比降進行了復算，復算結果為水庫集雨面積F=0.242km2，河流長度L=1.83km，河道綜合比降J=0.08。設計暴雨參數表如表1所示。

表1 水庫設計暴雨參數表 mm

采用推理公式法進行推算，為了準確地反映本地區的洪水特性，以《廣東省暴雨參數等值線圖》為基礎，通過調整推理公式的匯流系數m值，并結合工程集水區下墊面情況，進行洪水過程的計算過程，其計算結果見表2。

表2 水庫設計洪峰流量成果表

3.1.2 調洪計算

水庫洪水來時，洪水自溢洪道下泄，由于洪水來水>溢洪道泄量，部分洪水蓄在庫內，水庫水位抬高，當洪峰出現后，洪水來水逐漸減小，直至來水等于出流量時，水庫出現最高庫水位，洪峰過后，庫水位逐漸回落，調洪演算成果見表3。本次調洪計算使用程序“廣東水文水利設計計算軟件平臺”進行調洪計算，調洪計算成果如下。

表3 調洪演算計算成果表

水庫上次除險加固洪水成果為：設計洪水標準為20a一遇，設計洪峰流量13.0m3/s，相應的設計洪水位27.71m(已換算為同一高程系)；校核洪水標準為200a一遇，洪峰流量18.0m3/s，相應的校核洪水位28.15m。本次防洪安全復核，本水庫按大陸高丘區標準采用，洪水標準不變，設計洪水按20a一遇，校核洪水按200a一遇計算。設計洪峰流量14.51m3/s，比原成果13.0m3/s 大；校核洪峰流量21.13m3/s，比原成果18.0m3/s 大。經調洪演算，設計洪水位27.45m，比原設計洪水位相差0.26m，校核洪水位為 27.70m，與原校核洪水位相差 0.45m[5-6]。

3.1.3 防洪標準復核結論

通過上述計算分析，對水庫防洪問題得出如下結論：原設計的大壩防洪標準和設計洪水符合要求；水庫大壩的實際抗洪能力能滿足國家現行規范要求。綜上所述，結合《水庫大壩安全評價導則》(SL258-2017)：大壩防洪安全性評價：A級。

3.2 滲流安全評價

3.2.1 滲透穩定分析

根據本次現場注水試驗，壩體填土層的滲透系數范圍值為3.40×10-5-4.07×10-5cm/s，平均值為3.63×10-5cm/s，屬弱透水層，其室內滲透試驗成果顯示，填筑土層滲透系數范圍值為5.14×10-6cm/s-8.88×10-5cm/s，平均值為2.52×10-5cm/s，標準值為7.28×10-5cm/s，屬弱透水層。

結合現場注水試驗及室內滲透試驗成果，滿足SL 251-2000 規范規定的均質土壩碾壓后滲透系數<1.0×10-4cm/s的規定。

3.2.2 滲流量計算分析

滲流計算方法及工況，水庫大壩滲流計算考慮下列兩種水位組合情況：

1)工況1：上游正常高水位(26.86m)與下游相應的最低水位的穩定滲流。

2)工況2：水庫水位從設計洪水位(27.45m)降至死水位(20.21m)的不穩定滲流。

現狀大壩下游砌石排水體基本完好，因此滲流穩定計算考慮排水體作用。計算方法為滲流有限元分析法，采用北京理正軟件設計研究所《滲流分析軟件》計算,大壩土層滲流計算參數見表4。

表4 大壩滲流計算參數表

滲透坡降計算，采用大壩下游最低水位工況，計算背水坡滲流出口比降。

1)滲出點A 點：

(1)

2)壩坡與不透水面交點B 點：

(2)

式中：m2為背水坡滲流出口處坡率。

該壩為均質土壩，大壩主要有砂土、黏性土，花崗巖殘積土組成。 根據《滲流分析軟件》計算滲流結果見表5。

表5 大壩滲流計算成果

根據本次壩基、壩體的滲透試驗成果，大壩滲流量計算成果比較小,說明十二年前除險加固的壩體灌漿有效果。因水庫未設置滲流觀測設備，也未設置滲流量水堰，無法準確觀測實際的滲流量，不能和理論計算滲流量作比較，故建議盡快配套滲流觀測設備和設計量水堰。

3.2.3 滲流安全綜合評價

水庫溢洪道為漿砌石結構，基礎較好，現狀溢洪道情況良好，溢洪道底板為混凝土底板，是2008年除險加固的時候進行鋪設的，目前運行較為良好。因此，對溢洪道滲流安全作出評價，認為溢洪道滲流暫時安全。涵管為2008年水庫除險加固時新建，輸水涵管運行多年滲流無發現異常，因此，對輸水涵管滲流安全作出評價，認為輸水涵管滲流 基本安全綜上所述，判定大壩的滲流安全性級別為B級，溢洪道的滲流安全性級別為B級，輸水涵管的滲流安全性級別為B級。大壩滲流安全性評價：B級。

3.3 白蟻防治評價分析

3.3.1 白蟻危險現狀

充足的雨量及日照給予植被提供了良好的生長環境，同時也給白蟻的繁殖發展提供了優越的條件，使得蟻被仍分布于土壩壩面，特別是土壩背水坡，雜草叢生，危害大壩安全。經現場檢查發現，壩后坡雜草叢生，扒開草叢，發現有白蟻，土壩整體蟻害較為嚴重。

3.3.2 白蟻防治措施

水庫白蟻防治可借鑒臨近水庫白蟻防治的成功經驗，對庫區開展白蟻滅殺工作。水庫白蟻防治采用 “三環節、八程序”和“以引代找、引結合”的技術措施，使用水利白蟻防治中心站研制的ASP 誘殺片與DB 型滅蟻誘餌對土壩及周邊白蟻源區的蟻害進行徹底滅殺，具體措施如下：

1)對壩體分群孔、泥被泥線、雞叢菌投放DB 型滅蟻誘餌條進行滅殺白蟻，埋設ASP型誘殺片進行誘殺白蟻、徹底清除大壩白蟻隱患。

2)對壩體周邊50m范圍內蟻源區的分群孔、泥被泥線、雞叢菌、爛樹頭、爛樹枝等投放滅蟻藥物進行滅殺；擬近似等高線，高差5-10m，寬 1m 左右開辟工作道(主要方便放藥、檢查)，沿工作道兩邊間隔5-10m埋設ASP型誘殺片。每次檢查時，如發現白蟻蛀食完藥片，還有白蟻活動新跡象時，應另選位置理設新的藥片，滅殺蟻源區白蟻。

3.4 綜合安全評價評估

根據《水庫大壩安全評價導則》(SL258-2017)，將本工程大壩安全分類為二類壩。過去特定歷史期間施工以當地農民人力土法施工，碾壓不密實，施工質量差。 整個施工過程中缺乏必要的不同高程不同部位碾壓取樣的檢測、試驗資料，因此，施工中難于控制、改進土壩施工質量。需要加大病險水庫排查和整治工作。水庫樞紐工程建成至今，發揮了較大的經濟效益。但由于水庫存在一些病險，水庫大壩安全分類為二類壩。為了更好地發揮水庫蓄水興利功能，充分利用水資源，增加供水效益，確保水庫安全，該水庫必須加強管理，進行徹底的整治加固。

根據水庫大壩目前的狀況，大壩安全分類為二類壩。為了保證大壩的安全運行，對目前水庫運行和修繕措施提出如下建議：

1)加強大壩安全觀測和巡查工作，配套完善監測管理設施，配備專業技術人員加強管理。

2)在大壩主體必須進行白蟻的滅殺和大壩前后坡的除草工作，消除危害。對大壩上壩道路進行清障除草，對存在的問題進行修復。

4 結論和展望

對該水庫進行詳細勘察和病險評估分析后得出大壩安全為二類壩，整體運行較規范、工程質量合格，重點整治白蟻和壩后除草，加強監測的結論。為了更好地發揮水庫蓄水興利功能，充分利用水資源，增加供水效益，確保水庫安全，水庫必須加強管理，進行徹底的整治加固。

大壩在除險勘察分析中，勘察手段往往比較綜合，文章研究中主要借助鉆探和室內試驗和調查的手段，往往對于一些水工結構的探測需要使用先進的物探手段，文章在這方面研究較少，這也是水庫除險勘察未來重要的技術研究方向。