浅谈小 (Ⅱ)型土石坝水库除险加固设计思路

王长金

(江西省玉山县水利局,江西 玉山 334700)

中共中央、国务院 《关于加快水利改革发展的决定》中提出加快小型病险水库除险加固步伐,小(Ⅱ)型病险水库除险加固工作已提上议事日程。由于小 (Ⅱ)型水库数量大、分布广,要在时间节点上按要求完成除险加固设计工作,即能保证设计质量,又能使设计方案比较符合水库工程实际,达到投资合理并能提高投资效益,因而就有必要对小(Ⅱ)型水库的除险加固设计思路进行探讨。

1 土石坝小 (Ⅱ)型水库病情概述

小 (Ⅱ)型水库大多建于20世纪50～60年代,大坝坝体基本为土石坝。由于受当时历史条件限制,技术上不成熟,建设资金短缺,施工工艺落后,工程施工质量差,导致这些土石坝小 (Ⅱ)型水库先天不足,再加上已运行了40～50年,平时管理又不善,因而水库大坝、溢洪道、输水涵管等工程设施普遍存在破损、断裂、老化等质量问题。影响了水库的安全和效益的发挥,甚至成为防洪安全的最大隐患。

江西玉山县与全国各地一样,虽然在20世纪70年代末至80年代初开展了一些加固扩建,但受当时资金投入的限制,小 (Ⅱ)型水库很多问题未得到彻底解决。

2010年5、6月份江西宜春市宜丰县何塘水库和铜鼓县枫槎水库连续两座土石坝小 (Ⅱ)型水库垮坝,教训是深刻的。

通过分析导致这两座水库垮坝的原因,土石坝小 (Ⅱ)型水库普遍存在的问题主要表现在以下几方面。

1.1 大坝

(1)坝顶高程不够。当时技术力量薄弱,有的没有通过洪水计算,有的仅凭经验确定坝顶高程,有的擅自改变运行方式,因而达不到部颁近期非常运用洪水标准。如江西玉山县东弄水库在1985年6月一场大雨之后,库水位接近坝顶,不得不临时新开一条非常溢洪道,才避免水库漫坝。江西铜鼓县枫槎水库2010年6月主要因水库漫坝而导致垮坝。

(2)坝体渗漏严重。当时施工工艺落后,筑坝土料质量控制差,背水坡坝脚没有反滤体或反滤体运行多年堵塞失效,平时又管护不善,蚂蚁、老鼠、蛇等在坝体中打洞、筑窝,导致坝体多处严重漏水或坝坡大面积散浸。1987年7月江西玉山县枫树湾水库因多年渗漏未得到处理而突然滑坡并导致垮坝。江西宜丰县何塘水库垮坝的原因之一也是坝体渗漏多年没得到处理。

(3)坝体单薄。当时大多凭经验土法上马,存在坝体横断面尺寸不足,坝体不完整,坝顶宽度不足;又因建坝资金短缺而大坝迎水坡基本没有砌护,运行多年受风浪冲刷严重,导致大坝单薄而稳定性差。

1.2 溢洪道

(1)无衬护。当时资金短缺,溢洪道边坡及底板基本没有衬护,有的容易塌方,有的杂草丛生,导致泄洪能力差。1989年6月江西玉山县玉东水库溢洪道边坡因未衬护发生大面积塌方,当地政府组织100多人及时进行了清理,当时塌方时库水位已接近溢洪道底板,如再遭遇一场大雨,后果不堪设想。

(2)过水断面尺寸不够。技术上未及时跟上,没有通过调洪演算,随地形凭经验开挖,断面尺寸不足,没有消能设施,过水能力差。

(3)建筑物老化损坏。经过几十年运行,溢洪道泄水建筑物不同程度存在老化、破损、失稳、冲刷严重,影响泄洪能力。

1.3 输水涵管

绝大多数土石坝小 (Ⅱ)型水库由于当时技术、资金等诸多原因,都采用坝下埋管形式,并且涵管管身材料一般较差,大部分采用土烧的瓦管,有的采用石灰砂浆砌石涵洞或素混凝土预制涵管,经过多年运行,存在老化、断裂、破损、错位,库水很容易通过坝体在坝下涵管存在隐患处击穿流出,坝体与涵管接触部位容易形成渗漏通道,进而带走坝体土料,造成坝体坍塌直至垮坝质量事故,严重威胁下游安全。

2003年6月江西玉山县内坞及石爬弄两座山塘水库垮坝就是坝下涵管老化破损造成,大坝缺口处就在涵管位置。

1.4 其它

小 (Ⅱ)型水库基本没有水情测报,没有防汛道路或防汛道路标准低,没有管理设施或设施陈旧落后,对做好水库防汛工作非常不利。

2 土石坝小 (Ⅱ)型水库除险加固初步设计思路

本文主要针对土石坝的水库进行探讨,其各建筑物除险加固处理的设计技术方案应根据水库具体病情情况,按照下列设计思路进行设计。

2.1 挡水建筑物除险加固设计

(1)坝体加高培厚设计:现状坝体单薄,坝高不够,需进行加高培厚时,由于历史原因,下游坝脚多是农田,甚至有的还紧靠农民房子,有的紧靠近后来新开通的高速公路、铁路,如江西省玉山县120座小 (Ⅱ)型水库就有 20座靠近农民房子,有5座靠近高速公路,有3座靠近铁路,其它多是农田。设计时考虑尽量不征用耕田,不拆迁房子,不影响交通,原则上设计在大坝上游坡进行培厚、加高,并尽可能与坝体防渗相结合。

(2)大坝防渗加固设计:对于土石坝坝体防渗加固,有多种方案,比如混凝土防渗墙方案,江西玉山县的毛宅水库、东弄水库分别采用液压开槽机、射水机在坝体中建造槽型孔,然后以直升导管向槽孔内浇筑混凝土,形成连续的混凝土墙,以达到防渗目的,该方案造价较高且需要功力较大的电源;比如土工膜、塑料薄膜防渗方案,江西玉山县的西村水库、江家坞水库分别在上游坝面铺设土工膜、塑料薄膜加固,以达到防渗目的,该方案工艺要求高,膜易老化且寿命不长 (上述西村水库1988年实施的薄膜防渗,现在下游坝坡又出现局部散浸)。小 (Ⅱ)型水库大多在山垄里,远离电源,但附近粘土丰富,设计时应优先考虑上游坡设置粘土斜墙、粘土铺盖及坝基截水槽的防渗方案,该方案比混凝土防渗墙方案造价低,又比土工薄膜方案施工工艺简单,易控制质量。少量水库大坝相对较高,坝坡又符合规范要求,但渗漏严重的,可设计冲抓粘土心墙防渗处理方案,即利用冲抓式打井机,在坝体中造孔,用粘土在孔中分层回填夯实,形成一个连续的粘土防渗墙。对于坝基 (含两岸坝肩),一般不考虑设计防渗帷幕灌浆措施。

(3)大坝下游反滤体加固设计:考虑小 (Ⅱ)型水库坝体不高,,为节省造价,现状无反滤排水设施的,优先考虑设计贴坡反滤体,如江西玉山县10座小型水库均采用该形式贴坡反滤体,排水效果很好;现状有反滤排水设施的,应优先考虑翻修利用原反滤设施,并在顺坝轴线方向适当位置设置一个或两个经过抽槽后新建的反滤陵体;现状反滤排水设施失去翻修价值的,方可考虑设计拆除重建,但重建的反滤排水设施形式还应设计为贴坡反滤体形式。设计贴坡反滤体时,反滤层每层的厚度应根据材料的级配、料源、用途、施工方法等综合确定,一般小 (Ⅱ)型水库贴坡反滤体多采用人工施工,水平反滤层的最小厚度可设计0.3m,采用土工织物做反滤层时,则按 《土工合成材料应用技术规范》设计。

(4)上下游护坡加固设计:土石坝上、下游已有护坡的,应充分利用现有护坡材料,上游坡整修原护坡并在上面浇筑10cm厚素混凝土,下游坡采用护坡修补加固方案;土石坝上、下游没有护坡的,上游坡设计洪水位以下应优先设计选用混凝土预制块护坡,混凝土预制块形状为六边型,厚度为10cm,为防止坝顶行人不慎沿着光滑的混凝土预制块护坡滑下水库造成安全事故,上游坡设计洪水位以上至坝顶不采用混凝土预制块护坡,而采用草皮护坡。为节省造价,下游护坡一般设计采用草皮护坡。大坝下游坝坡应设置排水系统。

(5)坝顶加固设计:坝顶一般设计采用混凝土结构路面,路面宽一般设计为4m,可满足防汛管理要求。

2.2 输水建筑物除险加固设计

2.2.1 坝下涵管加固设计

小 (Ⅱ)型土石坝水库坝下埋设的涵管多为瓦管、石灰砂浆砌石涵洞或素混凝土预制管结构。

(1)对于坝高大于15m,且大坝两岸山体地质条件适应新建隧洞的,优先设计采用废堵老涵管新建灌溉隧洞的处理方案。

(2)对于坝高小于15m,且坝顶长度较长的,优先设计采用开挖坝体拆除老涵管,原址重建钢筋混凝土结构涵洞的处理方案。

(3)对于坝高大于15m而大坝两岸山体地质条件不适应打隧洞的,以及坝高小于15m而坝顶长度短,拆除老涵管会将整个大坝坝体挖掉的,可以设计采用涵管内套管后再在内套管外壁与老涵管内壁间回填灌浆的加固处理方案,内套管材料可以采用钢管,也可以采用具有较好抗冲击性能和长期蠕变性能的PP-R管。

(4)对于10m以下低坝,也可考虑废堵老涵管,从库内到库外新架设虹吸管处理方案,虹吸管管材可以采用钢管,也可以采用具有较好抗冲击性能和长期蠕变性能的PP-R管。

(5)对保留继续使用的坝下涵管,设计时应考虑接触渗漏隐患,根据实际情况采用接触灌浆、回填灌浆或劈裂灌浆处理。

(6)涵管进口一般采用斜卧式,斜卧在水库大坝附近左岸或右岸山体上,斜卧式进水口取水设施采用厂家成套定型的放水活门设备现场安装。

2.2.2 输水隧洞加固设计

现状已有隧洞,已衬护的由于运行多年老化、失稳、冲蚀严重等存在病险问题,只对影响水库蓄水安全的进口闸室、洞身裂缝等进行设计加固处理;由于当时资金问题没衬护的,只对隧洞进出口适当距离进行钢筋混凝土衬护。原则上不再设计新建隧洞。

2.2.3 输水建筑物后引水灌溉工程

输水建筑物后的渠首、渠道、渡槽、倒虹吸等引水灌溉工程属于小农水工程,不纳入水库的除险加固设计范围内。设计时仅考虑输水建筑物与引水灌溉工程衔接。

2.3 泄水建筑物加固设计

(1)为方便管理,土石坝的泄水建筑物应优先设计选用下泄能力较大的且运行管理较为方便的岸边开敞式无闸控制溢洪道。

(2)为了提高泄洪能力,经过洪水计算,可在原溢洪道上扩宽或加深,原则上不考虑新建溢洪道。

(3)溢洪道衬护结构设计,在满足安全,耐久的前提下,选用经济合理的结构形式和尺寸。溢洪道进水渠、泄槽、出水渠在较好的岩基上,其底板、边坡一般考虑不作衬护设计;溢洪道进水渠、泄槽在土基上,其底板及边坡考虑仅只对影响泄洪安全的部位进行除险加固衬护设计。出水渠一般不作衬护设计。

2.4 交通工程设计

由于历史原因,小 (Ⅱ)型水库普遍地理位置相对偏僻,对于无上坝公路、无进库公路的;或者上坝、进库道路条件很差的,为方便以后防汛管理,完善水库防汛 “三通”,应按标准设计进库及上坝公路。水库坐落在村庄中且进库公路短,可结合新农村建设考虑设计硬质化混凝土路面,水库离村庄远且进库路长,一般不作混凝土路面设计。

2.5 安全运行及管理设施设计

根据多年小 (Ⅱ)型水库管理经验以及工程运行实际状况,设计时可仅考虑两种情况。

(1)安全监测设施:为正确制定度汛方案及正确调度水库运行,应设置水库水位标尺,其他监测设施可不予考虑。

(2)管理设施:在汛期方便管理人员值守,应设计一座值班房,根据地形布置,面积控制在30m2以内,其他管理设施可不予考虑。

3 结 语

小 (Ⅱ)型水库规模虽然没有大中型水库大,但麻雀虽小,五脏俱全,本文提出五个方面的除险加固设计思路,目的是为小 (Ⅱ)型土石坝水库除险加固设计提供参考,既能保证设计质量,达到除险加固效果;又能控制投资规模,提高投资效益。