淺析小型水庫除險加固設計要點

劉懿 姚彤悅 南京市水利規劃設計院股份有限公司

1.引言

2021年9月，國務院常務會議部署加快中小型病險水庫除險加固，要求2025年底前全部完成現有病險水庫除險加固。根據水利部相關消息，2020年已經鑒定完成的小型水庫達1.88萬座，計劃在2025年前全部完成除險加固任務。這些病險水庫大多建成于上世紀50-70年代，受當時的社會和經濟發展條件制約，建設經驗不足，大多水庫建造過程中采取邊設計邊施工的建造方法，有的甚至不經設計直接建造[1]，且受制于當時的生產力水平，建設水庫的選址、設計、施工、管理運行等方面技術水平不高，水庫大壩、庫區地質條件、防洪排險、水資源利用、水庫老化退化等方面均有一些共性和個性的問題。從現實來看，我國中小型水庫存在的主要問題包括溢洪道布置不合理、壩體滲漏、壩基滲漏、壩體穩定性差、庫區地質環境不良等[2]，大部分水庫面臨的病險具有復雜性，且有逐步加重的趨勢，是多種問題的綜合，開展病險加固既要針對性的措施也要綜合施策。

中小型病險水庫一般分布在農村地區，與城鎮中水體及其設施維護管理可以及時到位的情況不同，農村地區水庫相對來說管理人員素質不齊、監管措施缺位、投入資金少、初期建造質量差等問題更嚴重，因此，開展存量病險水庫除險加固工作，要針對病險水庫的特點，采取適宜的勘測、設計、施工、驗收方案，提高實施效果，獲取最大經濟社會效益。楊建華[3]對位于新疆地區的中小型水庫除險加固開展了研究，認為需要考慮風沙沉積導致庫區基地的抬高，還要重視因庫區水分相對充足引發動植物聚集導致出現對庫區的損害；朱家勝等[4]認為水庫病險主要有防洪、結構、滲流穩定性方面的安全問題以及輸水涵洞和溢流洪道存在的安全問題；劉淼[5]認為水庫區域的地質勘察資料對開展加固工作有直接影響，要保證一定的地勘深度；鄧厚展[6]認為水庫壩體設計標準偏低或水的沖刷會導致水庫大壩的穩定性和安全性問題；陳遠東[7]對小型水庫除險加固和建設管理方法開展了探討；王延紅等[1]提出建立全國小型水庫除險加固項目評價體系，對評價落后的地區發出警示，從而提升除險加固項目建設水平；曾小芳[8]提出利用水庫加固方案優選評價指標體系對水庫加固方案進行優選，可以得到較好的處理方案；麻立彬[9]為政府參與提高水庫加固工作的有效性提出了一些有益思路。

為提高中小型水庫除險加固項目的設計和實施水平，如期實現2025年水庫除險加固目標，本文結合前人研究成果，針對中小型水庫存在的問題以及除險加固處理措施開展討論，以安徽省郎溪縣的小型水庫除險加固項目為例，簡析中小型水庫除險加固的設計要點。

2.中小型水庫的主要病害問題

由于地理位置、生產條件、現實狀況等不同，不同類型水庫的具體病害問題有其特殊性，在進行除險加固設計時需要加以區分。同時，水庫的建造背景、發揮作用、病險原因等方面也存在比較多的一致性，所以水庫的病害問題也有一定的相似性，具體來說有以下幾方面。

2.1 設計高程標準不統一

現有中小型病險水庫大多建成于上世紀50-60年代，當時社會經濟發展落后，社會處于物資匱乏時期，生產資料奇缺，沒有統一的建設規范和標準，部分水庫在設計采用老舊或者如今已不適用的高程標準，有的甚至沒有使用高程標準開展設計和施工，如嘆兒灣水庫采用的高程系是廢黃河高程系[10]，還有部分水庫留存的原始資料僅有壩高等數據，找不到參考高程系。

2.2 水庫大壩病害問題

大壩的質量問題與安全性最直接相關，是水庫管理人員和人民群眾最關心的事項，在進行病險水庫治理時應將重點放在對其壩體病害的處置上。壩體的病險問題主要有以下幾個方面：一是勘察設計深度不足造成的壩基缺陷、壩體強度和穩定性偏低、集水面積適用錯誤、泄洪通道不合理等問題；二是施工技術水平較低導致的因壩體夯實度不足引起沉降過大或者不均勻沉降、壩身出現裂縫或者滲漏、壩體局部發生滑坡等問題；三是管理使用不當引起的亂搭亂建、違章砍伐、隨意開挖、過度開發等問題。如廣西某水庫因設計不當引發壩體滑坡，重慶某水庫計算集水面積錯誤[11]，浙江麗水某小型水庫壩體出現滲漏點導致滲流方面的安全隱患[12]，更有部分水庫壩體坡面保護不力，有人為開挖種植的現象。

2.3 泄水通道病害問題

溢洪道和涵洞都是水庫的關鍵水流通道，是水庫具有使用功能的重要保證，對泄水通道的治理也是水庫除險加固的重要方面。某些水庫在設計之初對溢洪道和涵洞的安排就存在不合理性，導致溢洪道斷面不足或發生缺陷等，如楊坪水庫泄槽出口無消能設施[13]，有的水庫在使用過程中缺少必要的維護和修理，出現堵塞、沖刷損壞、管道脫節、不均勻沉降等問題。

2.4 使用管理和維護方面問題

水庫的管理維護是日常運營的重要一環，是保障水庫耐久性的必要手段，這項工作做得是否到位直接關乎水庫的使用功能。大部分中小型病險水庫都存在不同程度的使用管理和維護方面的問題，諸如維護的人力物力財力投入不夠、監測檢測不及時、使用利用不合理等。

3.中小型水庫除險加固設計應注意的問題

在除險加固工程上，設計是基礎性的一個環節，是開展加固施工的依據，設計工作的好壞直接關系到除險工程的成敗。工程設計人員在開展中小型水庫除險加固設計時，需要對庫區自然、水文環境以及工程地質狀況進行充分調查了解，深入查明水庫及相關區域存在的病害和隱患問題，采取綜合策略，提高除險加固工程的實效性。

3.1 深入調查，充分考慮各項因素

要掌握庫區所處位置的特殊情況，了解是否處于地震、滑坡或者其他工程的影響范圍內，受這種強擾動影響的水庫，在設計時采用灌漿、補種植被等方法提高巖土體的完整性，或者清除松動土質進行回填可以取得較好的效果。要充分調查庫區水文資料，對庫區降雨、水流以及下游用水、泄洪散水等情況要全面具體地分析，采取清淤擴容、改流引道、增加散水面積等方式進行處理。對可采用的技術措施進行詳盡的論證和調研，如大型機器設備的可達性、施工對壩體和地基的影響等，研究使用代替辦法或者增加其他工藝促進達到加固目的。

3.2 深化設計，采取合適的除險加固方案

在掌握全面的資料和考慮各項影響因素的基礎上，對整個庫區的消險加固工程有一個全局的方案，進而對各個部分進行細化設計，協調推進設計工作。中小型水庫加固一般工程量都較小，但麻雀雖小五臟俱全，亦需要按照全面的除險加固工程開展設計。對于庫區環境，調查清楚地質狀況后確定是否需要采取措施對周邊區域采取加固或者除險措施；對庫內水域及庫底部進行探測，確定是否要對水庫進行清淤擴容處理；對壩體實際情況進行調查，看其穩定性和強度是否滿足規范要求，看壩體是否存在滲漏或者裂縫等病害，有針對性地進行加固方案設計；摸清泄水通道等構筑物現狀，大部分老舊水庫的此類結構存在問題，且較為嚴重，需要進行加固修復或拆除重建。

3.3 加強管理，對水庫除險加固全過程進行有效控制

水庫除險加固，是需要各方通力合作才能完成的任務，項目設計方、建設方、施工方和勘察單位等都是擔負相應任務的責任方，需要加強合作，共同直面問題和挑戰，才能取得好的成效。對于勘察設計方，不僅承擔著工程最早開展的工作，也要在全過程中保持與各方的互動和協作，及時處理在建設施工中出現的問題，在后期驗收上，還要做到嚴格把關，確保建設成果和質量符合設計要求。同時要開展好服務工地活動，解答好建設方、施工方的疑問，對于疑難雜癥要共同商討解決方案，促進除險加固工作如期完成。

4.中小型水庫除險加固工程設計案例

以安徽省郎溪縣開展的小（2）型水庫除險加固設計為例，淺析該類水庫設計工作中應該把握的要點。郎溪縣開展除險加固的該類型水庫共有6座，均為探明的病險水庫，需要及時開展除險加固工作。通過勘察設計，主要存在的問題及做法總結如下：

4.1 高程問題的處理

對水庫進行勘察測量時發現水庫原始資料記載使用的是吳淞高程，現測量采用1985年國家高程基準時，二者并不能換算，而且還出現同一地各水庫換算結果不相同的現象。原因是由于水庫在建設之初受技術和現實的限制，采用的高程基準不準確，且多年來水庫運行維護中沒有進行測量校核并及時修正錯誤。除險加固設計采用測量的水庫溢洪道堰頂高程為正常蓄水位，與資料記載的正常蓄水位之差換算水庫特征水位，進而實現高程的換算。

4.2 大壩問題的處理

大壩均有不同程度的滲漏問題，且多為散浸和窨潮。主要是由于建設時壩身填土質量不均勻且填筑技術工藝落后導致滲透系數過大造成的。解決滲漏可采用壩身加厚、充填灌漿、多頭小直徑深攪樁、高壓噴射注漿法等，設計時根據實際情況確定采用防滲處理方式。如有的壩高超過10米，壩頂寬度達4米，背水坡無馬道，大壩壩身單薄，滲徑短，若采用深攪樁防滲墻，施工質量不易控制，沒法達到很好地解決滲漏問題的目的，因此設計時采用背水坡培土加厚，增加馬道并設置排水設施的方法解決。個別水庫壩高較低，壩身和壩基主要由粉質粘土構成，加固設計采用多頭小直徑深攪樁或高壓噴射注漿法。堵漏方式還要結合現場條件確定，如水庫位于連片山區，大型機械可達性差，受樹木或者大壩上方的架空線路約束，多頭小直徑深攪樁施工機器無法開展工作，宜采用高壓噴射注漿法。

4.3 泄水通道問題的處理

本次設計的6座水庫溢洪道均為開敞式，處在大壩一端，上部有簡易交通橋。主要問題是使用年限長，通道破損嚴重，道口周邊雜草叢生，極易形成堵塞；且道面交通橋僅有一塊后置混凝土板，行走安全性無法保證。處理措施為拆除重建，保持堰頂高程和堰寬不變，根據新規范要求設計溢洪道具體形式和規模，人行通道處設計現澆混凝土交通橋，滿足日常巡視和汛期搶險需要，提高使用安全性。

各水庫的涵洞現狀均為管涵，開啟和關閉靠人力手動完成，無啟閉機房。處理措施同樣采取拆除重建的方法，根據安徽地區設計灌水率為1m3/s/萬畝的要求考慮，結合每個水庫的灌溉面積確定涵洞截面積。如水庫設計灌溉面積為1000畝時，涵洞所需灌溉流量為0.1m3/s，還需要考慮后期涵洞檢修，可設計涵洞的尺寸為1.0m×0.8m（高×寬），配備相應的鑄鐵框鋼閘門，建設具備適當啟閉力的手電兩用螺桿啟閉機，減少人工操作帶來的困難。

4.4 工程后期運行管理建議

現實狀況下的大壩壩后均無護壩地，周邊還存在一些不符合規定的種養問題，個別水庫大壩甚至直接連接魚塘水面。為提升大壩的運行安全性能，設計建議按照大壩管理條例征收壩后地塊作為大壩的護壩地，嚴格落實大壩的管理范圍線。

5.結語

我國現存中小型水庫的病險問題具有一定相似性，總結相應的設計方法可為類似工程項目提供參考，推動如期實現2025年病險水庫除險加固目標。

（1）病險水庫的病害問題主要在于山體地質不穩定問題，庫底淤塞或者庫床提升問題，壩體存在滲漏、裂縫以及穩定性不足的問題，排水通道年久失修不再適用等問題，在設計工作前要充分調查、勘探，結合整體現狀進行深化設計，使設計既具有全局把握，又有具體問題的解決。

（2）要針對不同病害采取適當處理措施，強化全過程管控的作用，實行多方施策，在設計施工過程中采用新的“三邊”方法，實行邊設計邊與其他方溝通，了解需求和實際，做到邊設計邊改進，促進方式方法更新，推廣邊設計邊服務的良性工作方法，使設計與現實更貼切。

（3）水庫除險加固的設計，通常是多個水庫同時開展，在工作過程中，不但要對具體的情況了解，還要區分其中的不同和各自特點，不但要綜合施策，還要具體問題具體分析，避免千篇一律，同時提高設計水平。