山西省小型水库除险加固初步设计中建筑物设计评述

黎运棻

（水利部山西水利水电勘测设计研究院 山西太原030024）

山西省小型水库多在上世纪60或70年代建成，水库以防洪、灌溉为主，兼有水产养殖，个别具有发电效益。水库枢纽由大坝、溢洪道和输水设施组成，绝大多数输水设施为卧管涵洞，个别为隧洞输水，至今已运行40余年。通过安全鉴定，大多属于防洪能力不满足设计或校核洪水标准要求；部分大坝坝坡稳定安全系数不满足规范要求；部分坝体或坝基渗流稳定不满足要求；大部分溢洪道或输水设施不能正常运用，包括溢洪道未开、未衬砌、已损坏堵塞或泄洪能力不够等。经安全鉴定和省水利厅核定为三类坝，需进行除险加固。

据山西省水利厅的安排，山西省水利水电勘测设计研究院组织有关专家，对各市设计院或部分省外设计院编制的小型水库除险加固初步设计进行复核，现据280座小型除险加固水库初步设计概况、存在的主要问题和尚待的后续工作概要评述如下。

1 关于大坝加固设计

大多数坝型为均质土坝，其他坝型如砌石重力坝、砌石拱坝、连拱坝、堆石坝及混合坝等共约占15%。在这些水库中，100万m3≤库容<1000万m3的小Ⅰ型水库的平均坝高约为22 m（5.7～57.0 m）,10万m3≤库容<100万m3的小Ⅱ型水库的平均坝高约为17 m（7.5～37.5 m），现就大坝加固设计概要评述如下。

1.1 坝坡培厚

小型水库土坝压实质量较差，坝坡较陡，大多数土坝坝坡稳定安全系数不满足规范要求,且以下游坝坡居多，原则上不加高坝顶,一般采用培厚放缓坝坡的措施进行加固。有些设计拟在坝前淤积层上填土培厚坝坡，复核意见认为应在查明淤积物的力学物理性质后，以回填碾压石渣为宜，并采取排水固结和控制加坝速率等措施，防止失稳，若无专门措施，难以起到加固作用。在投资有限的条件下，也可据情结合上游坝坡整治进行上游削坡放缓，对下游坝坡培厚放缓，但要求按有关规范使新旧坝体结合良好，防止出现“两层皮”现象。通过稳定分析，有些坝体培厚到一定坝高即满足要求,不必全坝坡培厚至坝顶，以免出现施工不便的尖瘦体。

1.2 对土坝隐患的处理

坝体隐患表现较复杂，如坝坡塌陷、坝体裂缝、集中渗流、浸润线逸出点较高、坝基渗漏及绕坝渗流等，处理原则是“上堵下排”，并与坝体培厚等相结合。

土坝总是有渗流存在，但渗流与渗漏有所区别，渗流是指水流通过介质发生较缓慢而均匀的流动，渗漏是指水流通过介质裂缝或缺陷而发生的集中流动，可用定量公式（1）表示：

式中：V 为流速，m/s；J为水力梯度；K 为渗透系数，m/s，实际上不论坝体、坝基岩层或坝基第四系冲积层，其水平与垂直的渗透系数是不一致的，水平方向往往大于垂直方向3至5倍或更大些，实测的渗透系数是不均匀的；m为开方系数，当m=1时为层流状态，当1＜m＜2时为过渡流，当m=2时为紊流状态。坝体或坝基多数情况为层流，属于正常渗流，随着发展或其他原因，如坝体裂缝等，会逐渐由渗流发展到渗漏。当出现渗漏状态后，会加剧危及坝体、坝基或绕渗的稳定性，所以对土坝的隐患处理应该重视。

坝体由渗流扩展到渗漏的原因多由于：（a）土料不合格、碾压不均、压实干密度低；（b）坝体与涵洞间填土不密实、涵洞砂浆脱离，渗水冲蚀周边填土；（c）坝体单薄、渗径不够或无反滤；（d）动物洞穴等。

绕坝渗流的原因有：（a）岸坡内有透水性强的地层；（b）岸坡岩层有卸荷裂隙或岩层破碎未设防渗措施；（c）岸坡防渗尺寸不够；（d）施工不规范，坝体与坝基结合不实。

如上所述，解决渗流不稳定的原则是“上堵下排”，并与坝体培厚等相结合。“上堵”的方法有水平防渗或垂直防渗，也可两种方法联合使用，如今多数水库坝前淤积长度大于坝前水头若干倍，坝脚淤积厚度也多数达到0.25倍坝前水头，对防渗起到一定作用，多数坝体增设水平防渗已无必要和不太可能。现就几种垂直防渗和“下排”措施概要阐述如下。

（1）劈裂灌浆。在坝体横剖面轴线上的三个主应力

式中：σ1，σ2，σ3分别为坝体内垂直方向大主应力，坝体内沿坝轴方向的纵向中主应力，坝体内横向小主应力；K1，K2，K3分别为相应的侧压力系数；γ为填土密度，t/m3；h为坝体计算深度，m。由于K1>K2>K3,故σ1>σ2>σ3。劈裂灌浆就是沿小主应力作用面劈开坝体纵向缝，注入与心墙防渗体相似土料的泥浆，构成浆体防渗帷幕墙，同时泥浆中的多余水分渗入坝体，使坝体土湿化固结变形，也受到两侧土的围封，形成泥浆幕，一般厚度20～30 cm,同时使坝体内裂缝得到加固。我省不少水库采用劈裂灌浆处理坝体裂缝和有集中渗流的坝体,多沿坝轴线布置2～3排孔，采用低压灌注黏土浆或水泥黏土浆。省外的经验是孔底注浆，全孔灌注，少灌多复，分段施工，加强控制，灌浆后黏性土允许渗流梯度可提高2.5倍。

（2）高喷防渗墙。高喷射浆是利用高压水或水泥浆，从管路中喷出，冲切土体，置换出细颗粒，再掺入水泥形成凝固体，采用定喷或摆喷形成防渗墙。通常有只喷水泥浆的单管法、气和水泥浆同喷的双管法以及喷出水、气、浆的三管法。外地近来还发展采用三重管振孔旋喷新工艺，具有效率高、质量好、成本低和对地层适应性强的特点。对砂砾石透水坝基，多采用定喷或摆喷截渗，也可用于形成坝基下帷幕灌浆的顶盖。省外有资料表明,一般厚墙可达δ=20～30 cm,最小δ=10 cm，高喷孔距a=0.8～2.5 m，常用a=1.0～1.2 m，取允许梯度J=800，安全系数K=2.0，以最小厚度δ=10 cm计算，可承受水头40 m。我省的经验尚待研究总结。

（3）深层搅拌桩。我省不少小型水库土坝坝体干密度较低，覆盖层无截水墙，出现塌坑和渗漏量较大等现象，除险加固设计采用水泥土深层搅拌方法，掺入水泥约25%，在坝体和坝基作强制搅拌，使其发生物理化学反应，硬化成桩，连接成搅拌桩防渗墙。根据省外资料，抗压强度R=0.5～2.5 MPa，渗透系数K≤1×10-6cm/s。

（4）复合土工膜防渗。在不少小型水库土坝加固中，结合上游坝坡整治，采用复合土工膜代替防渗墙。复合土工膜沿坝坡舖埋，与周边相对不透水层紧密结合，土工膜及其厚度选择根据地质、水头、填料和部位而定，并应严格按照有关施工规范施工。如我省某水库坝高26 m,复合土工膜舖埋层次从下至上是：整压平的坝坡、二布一膜、粗砂20 cm、砂砾20 cm、碎石10 cm、干砌石30 cm。另一座坝体防渗土工膜舖埋层次从下至上是：整压平的坝坡、复合土工膜、砂砾30 cm、土工膜、现浇混凝土板2 m×2 m×0.2 m,板缝切深14 cm，预埋排水管间距2 m。在正常水位以上现浇混凝土板为4 m×4 m×0.2 m，板缝内填聚乙烯泡沫板，排水孔间距2 m。

总之，坝体隐患不是单一表现，往往是坝体、坝基问题的综合反映，宜分析主次问题，通过技术经济比较确定处理方案，或以某种方法为主的综合处理。

（5）坝脚（坝趾）排水。“下排”主要是设置排水反滤、导渗和盖重压渗等,也可联合使用。除个别采用导渗和盖重压渗外，大部分在坝脚（坝趾）设反滤排水。必须指出，许多土坝加固设计采用贴坡反滤排水，这种排水属于表面排水，可防止渗流逸出时发生流土，同时当下游水位较高时有保护坝坡作用，是最简单的排水设施，易于观测和检修，当坝体浸润线位置不高、没有必要降低坝体浸润线、下游水位较高时宜采用贴坡反滤排水。

山西境内的小型水库坝下游河床水位很低，甚至无水，宜结合下游坝坡培厚，采用棱柱体型排水为佳，它属于内部排水，而且对加固坝体具有支撑作用，可降低坝体浸润线出逸高度、寒冷地区防止逸出处冻结更有必要。由于大多小型水库坝下游河床无水或水位较低，棱柱型反滤排水体高出浸润线出逸点1～1.2 m即可，工程量不大，适合采用。也要注意棱体体形不能出现锐角，应按规范要求设计体形和反滤级配。当需要更有效降低浸润线时，可采用带有水平褥垫的棱柱型反滤排水。

同时指出，有些贴坡反滤设计很不合理，高度达到坝高60%，如某坝高10 m，贴坡反滤排水体高6 m；某坝高15 m，贴坡反滤排水体高7.1 m；某坝高16.5 m，贴坡反滤排水体高度10 m；如此的设计还不少，值得设计人员注意。另外，通常应将贴坡反滤排水体深入透水坝基一定深度，也是要注意的。

坝趾排水的型式有多种，还应根据坝基地质条件等综合分析确定，本文不再赘述。

1.3 上下游护坡

上游护坡的作用是保护坝体免受波浪冲刷、免受冰层影响、防止靠近泄水建筑物处的上游坡免受横向水流冲刷。此外对上下游护坡还有几种目的，即防止坝体黏性土发生冻涨、收缩，防止雨水冲蚀，防止无黏性土被风吹移，以及鼠类动物造成的洞穴等。

当前小型水库土坝护坡大多受到损坏或无护坡，需要修建或新建，通常采用30 cm干砌石，下铺30 cm砂砾石和30 cm粗砂，寒冷地区可适当加厚垫层；也有用混凝土预制块代替干砌石的作法。少数土坝采用如上所述现浇混凝土板，下铺垫层和复合土工膜，护坡与防渗相结合。

小型水库加固设计，受到投资所限，下游坝坡均采用草皮护坡，可结合坝坡纵横排水沟、坝坡台阶布置，将坝坡划分成若干方格，在方格内播种草种或护坡植物，对干旱地区要给以喷水养护。

1.4 坝顶工程

小型水库坝顶宽度应遵守规范规定,坝顶太窄，不仅交通抢险不便，当最高洪水位时也易出现事故。

坝顶防浪墙多采用水泥砂浆砌石或砌预制混凝土块结构，并用混凝土盖顶，有一定的耐久性。也有采用L形钢筋混凝土结构，耐久性较好。不论采用何种形式的防浪墙，均要满足稳定、强度、抗渗、抗冻、安全以及美观要求。常见设计墙高不满足规范要求，墙高一般以1.0～1.2m为宜。当坝顶高程已满足风浪爬高和安全超高要求时，为车行人走安全，也宜设置约0.6 m高挡墙。

坝顶宜具有向下游一侧倾斜坡度，一般1%～2%，将雨水通过路缘石孔口排至下游坝坡排水沟；也有沿坝顶设有一条纵向排水沟的作法。

为便于运行管理，以及乡村发展，坝顶路面标准应相应硬化。

1.5 关于砌石坝除险加固

山西省境内小型水库的砌石坝比例约占15%，其中有重力坝、拱坝和连拱坝，坝高20～35 m，建于上世纪60～70年代，已运行40年以上。安全鉴定主要是大坝稳定性不满足规范要求，坝体裂缝，坝体坝基渗漏以及绕坝渗漏等不同表现。

对稳定性不满足规范要求的坝体，可采取增加坝体支撑断面及其他措施解决。由于坝体砌石中的水泥砂浆在长期渗透压力作用下，被渗水溶蚀，发生裂缝，出现漏水和砌体应力降低，特别是拱坝则降低了拱的效用。宜在先采用灌浆加固坝体结构的前提下，进一步考虑增设上游混凝土防渗面板，面板厚度不小于0.3 m,与原坝体锚固并设置温度钢筋和分缝止水。对坝肩绕渗和坝基渗漏问题，宜采用帷幕灌浆处理。

2 关于溢洪道改建加固

现有小型水库中，绝大多数属土基溢洪道，且以紧邻坝肩居多，可称河岸式邻坝溢洪道。除险加固前小型水库溢洪道主要表现是泄流能力不够，溢洪道未衬砌或仅局部衬砌，甚至有些水库溢洪道被堵塞或未设溢洪道等，须据防洪标准经水文水利计算确定溢洪道的规模、布置和主要尺寸。溢洪道除险加固设计中存在的主要问题是：（a）总体布置不合理，弯道位置不当，出口与下游河床连接不合理；(b)进水渠及导墙等布置不当；(c)防渗排水布置不当；(d)泄槽布置及其结构不当；(e)消能防冲设计不完整等。虽经复核提出了意见，但尚待后续工作完善，在此概要再述如下。

2.1 总体布置和必要资料

溢洪道位置以不紧贴坝肩为宜；平面布置以顺直为佳；必需设置弯道时，宜在流速较低的进出口段或较缓坡度段设置，避免将弯道设置在陡坡泄槽段，确实无法避免时，应按规范加大弯道半径并相应设置横比降。

溢洪道出口水位应与下游河床水位平顺连接，避免出口冲刷。

应有沿溢洪道轴线的地质剖面和必要的物理力学指标。

2.2 进水渠布置方面

进水渠多呈喇叭形，使水流平顺、稳定，避免廻流和漩涡，渠内流速大于不淤流速，小于不冲流速为宜。

进水渠宜为平底或不大的逆坡，而且不宜太长，当长度大于5倍堰前水头时，应推算水面线，否则会造成溢洪道泄流曲线错误，导致坝前洪水位偏低。

进水渠轴线的弯道半径不宜小于4倍渠底宽度；直立导墙曲率半径不小于2倍渠底宽度；弯道至控制段之间宜有长度不小于2倍堰上水头的直线段导墙，墙顶高于最高洪水位。

进水口布置在坝肩时，靠坝一侧应设置顺应水流的曲面导水墙，导水墙的长度宜挡住大坝坝脚为限，其墙顶应高于坝面适当高度；靠山一侧可开挖或衬砌成规则曲面。

进水渠底为土基时，可据水流流速和土基条件采用不同衬砌结构；通常渠底衬砌厚度为0.3 m；当渠底土质抗冲流速大于其水流流速时，渠底也可不衬砌或局部衬砌。某溢洪道进水渠底设计厚度为混凝土0.6 m，明显太厚。进水渠底为岩基时，经分析可不衬砌。

2.3 控制段结构布置

山西省小型水库溢洪道绝大多数为开敞式，控制段堰顶多设有交通桥，绝大多数为无控制闸门的宽顶堰，少数为驼峰堰。概括有以下几点复核意见：

（1）控制段布置应与大坝和溢洪道的总体布置相协调，特别是防渗排水系统应形成整体，不少溢洪道加固初步设计恰与此相违，如在控制堰底板下铺了一层砂砾垫层，不仅不能防渗止水，还人为造成渗流通道，危及安全。

（2）控制段轴线应与总体布置相协调，墙顶高程应与坝顶高程协调。

（3）控制段是溢洪道泄流咽喉，应保证正常安全泄洪，宜采用钢筋混凝土结构。如某工程采用浆砌石驼峰堰，无法保证堰面曲线成型及其光滑度，应改为钢筋混凝土结构。

（4）控制段结构型式可采用分离式或整体式，前者适用岩性较均匀地基，后者适用于地基均匀性较差情况，土基溢洪道建议采用后者。

（5）通过渗流分析，确定控制段底板和边墙的地下轮廓（包括截渗墙、刺墙和帷幕）布置尺寸。

2.4 泄槽布置问题

针对泄槽除险加固初设中存在的问题，概括以下几点意见：

（1）泄槽纵坡一般大于水流临界坡度，流速较高，故泄槽以顺直、等宽和纵坡一致为佳。必需变坡时，宜上缓下陡，并以曲线连接。必需变换槽宽时，宜上宽下窄，收缩角宜小于6°，收缩段的位置也要适当，如有些设计在控制段出口立即收缩，必将影响泄流。必需设置弯道时，弯道宜在流速较小位置，半径不宜小于6倍泄槽宽度,并应设置横比降，且与其他变坡、变宽处错开。上述变换应尽可能减少。

（2）由水面线计算所得泄槽的沿程水深、流速，根据规范确定边墙高度，并结合地质条件确定衬砌材料和结构形式。为使泄槽内同一断面的流速分布均匀，土基泄槽过流断面以矩形为宜，必需采用梯形断面时，边坡不宜过缓。

（3）泄槽结构应满足稳定、强度、防冲、防渗和止水等要求。土基泄槽宜采用钢筋混凝土或混凝土结构。钢筋混凝土底板厚度不小于30 cm，下设10 cm混凝土垫层。混凝土底板应设温度钢筋。泄槽通常为分离式结构，将边墙与底板分缝并设止水。很窄的泄槽可为整体式结构。

（4）土基上的溢洪道常处于一侧或两侧为高土坡地带，应对土坡稳定、排水进行计算和设计，防止塌方和雨水冲蚀，危及溢洪道安全，并提出相应设计图纸。

2.5 消能防冲设施

消能防冲设施的型式应据地形、地质、下游水深、下游水位衔接、河床抗冲能力、消能防冲要求以及对建筑物的影响等因素，通过技术经济比较确定。小型水库通常采用底流消能，规范规定在岩基上可采用挑流消能。但实践表明，由于小型水库溢洪道的溢洪机会较少，历时不长，经论证后也可采用土基挑流。

挑流设施的平面形式可采用等宽式、扩散式或收缩式，挑流鼻坎可选用连续式或差动式。应对各级流量进行挑流水舌抛距、水舌入水宽度和冲坑深度计算，并包括贴壁流的影响，从而分析确定鼻坎的稳定性，特别是对鼻坎下游有缓倾角软弱岩层或砂层，更要注意。

挑流鼻坎的反弧半径R，通常取低点最低水深h的6～12倍、挑角15°～35°，通过比较确定。挑流鼻坎高程也应通过比较选定，在保证形成自由出流的条件下，经论证可略低于下游最高水位。某水库挑流鼻坎高程低于下游最低水位，是不当的。

底流消能适应于各种地层，多为小型水库溢洪道所采用，大多为平底等宽矩形断面，少数采用扩散式。通过水力计算保证池内形成淹没水跃，同时也应通过各级流量计算，确定池底高程、池长、池深、边墙高度以及尾坎布置。

消力池的出池水流流速超过基岩或土基允许流速时，应设置防冲齿墙、海漫及防冲槽等保护措施，不少设计对此处理不当。

2.6 出水渠

当消力池出口水流直接进入下游河道造成危害时，应设出水渠。出水渠线路应顺应下游河势，使水流平顺、稳定，不产生冲刷破坏。应据下游河道控制断面水位流量关系，计算出水渠水面线，不少设计没有考虑此问题，甚至如某设计的出水渠出口高于河床许多，很不得当。

2.7 关于防渗排水

当溢洪道控制段无闸门控制时，水库正常水位与堰顶相平，或在堰顶以下，正常情况下，控制段底板无大的渗透压力。但由于泄槽高程逐渐降低，渗透压力将沿泄槽发生，特别是底板以下有透水性较强地层或土基溢洪道，更要重视，防渗排水不能忽视。

防渗措施宜在控制段设置防渗墙、刺墙或帷幕等，具体尺寸和布置据总体布置、地质条件和渗流稳定计算而定。

在不少除险加固初步设计中，沿控制段和泄槽底板下铺设了连续的一层砂砾石，对土基溢洪道势必造成渗流冲刷，不适用于土基溢洪道。还有一些设计，沿控制段—泄槽的边墙设有排水孔，出口在泄流水位以下，泄流时势必倒渗，也是不当的。应按溢洪道设计规范要求，区分土基与岩基之别，据地质和水文地质条件设置排水系统以及相应的防渗设施。

3 取水输水建筑物除险加固

取水输水建筑物是小型水库“三大件”之一，建库时受到钢材、水泥和资金等限制以及其他原因影响，绝大多数取水建筑物为上世纪50年代末推行的卧管分层取水和小断面涵洞输水。输水洞为浆砌石门洞形涵洞，甚至个别为砖砌结构，断面很小，一般宽0.8～1.0 m，直墙高0.8～1.0 m，拱高0.4～0.5 m。砌石结构经长期运行，破损严重，主要表现为卧管盖板丢失、边墙破损；涵洞砂浆脱落、漏水甚至塌陷。

这些水库仅有大坝、溢洪道和卧涵管三大件，无泄洪排沙洞，卧管仅能引表层水，导致坝前逐年淤高，不少卧涵管进口被泥沙堵塞，失去输水功能；部分水库坝前仅剩下1～1.5 m调节库容水深，表层引水的灌溉效益也受到严重威胁。

但在小型水库除险加固初步设计中，由于资金和其他原因，设计中重大坝和溢洪道，轻取水输水设施。以下就四种不同加固设计，略予评述。

1）第一类，无设计图纸的设计。大多数加固设计提出按原浆砌石结构修复卧管盖板和边墙，对涵洞重新勾缝，但无设计图纸，也未充分反映说明工程现状和修复位置，是很不完整的设计，不便复核和审批，应补充设计。

2）第二类，卧管涵洞修复加固设计。这类设计多在保留原卧管取水的条件下，对卧涵管按原结构修复损毁部位，提出修复加固部位设计图纸，包括对卧涵管砌体进行勾缝、或在涵洞内壁加抹水泥砂浆。复核意见认为，在涵洞内壁抹面是承受不了渗透压力的，应重新核算卧管和涵洞砌体的抗渗稳定性和抗冲能力。这些设计对整体工程的水力条件、渗流条件、渗压条件及结构物的工况等缺乏分析，也无水力学和水工计算，属不完整的设计。也有个别工程将浆砌石卧管改造为钢筋混凝土结构，加固设计是有改进的。

3）第三类，废弃卧管和无压改有压的设计。有些设计废除卧管取水，在涵洞内加衬钢管或钢筋混凝土预制管，用泵送混凝土封填涵、管间空隙，将无压涵洞输水改为有压输水，在管道出口安装闸阀，控制泄流，并对涵洞与坝体接触带灌浆，防止渗透破坏。这类设计除起到了加固输水建筑物和保证正常输水作用外，还使输水设施参与泄洪排沙，对延长水库使用年限起到了作用。

4）第四类，增建进水塔设计。少数设计是在上述第三类改建设计的基础上，在涵洞进口前增建进水塔或竖井，设置检修闸门，以便涵管和闸阀检修；也有当坝高较低时，将原涵洞拆除，重建断面较大的钢筋混凝土无压涵洞，在进水塔内控制泄流,对水库灌溉、防洪、排沙起到了积极作用。

笔者认为，水库除险加固项目应统筹合理安排，在达到除险的同时，尽可能发挥水库长期综合效益。在资金允许的情况下，以采用第四、三类为宜。