山塘除险加固设计探讨

陈永昌,徐善平,陈起红

(1.余姚市兰江街道办事处,浙江 余姚 315400;2.余姚市陆埠镇人民政府,浙江 余姚 315400;3.余姚市江河水利建筑设计有限公司,浙江 余姚 315400)

1 山塘存在的问题

本文所指山塘是在山区、丘陵和平原地区建有挡水、泄水建筑物,正常蓄水位高于下游地面高程的蓄水工程,其库容为10万m3以下。目前除险加固工作正在大范围开展。通过调查、分析、计算,主要存在以下问题:

1.1 防洪标准低

由于山塘一般由当地人民群众自发而建,溢洪道宽度普遍较窄,溢流深度较浅,防洪标准普遍在5～50 a一遇。台风或暴雨期间,常有山塘坝顶溢流情况发生。

1.2 结构不安全

山塘坝型复杂,主要有土石坝、重力坝、拱坝等。一般问题严重的是土石坝,相当多的土石坝存在坝坡较陡,漏水,溢洪道消能措施不完善,启闭机开启不灵,锈蚀严重,在涵管位置经常有塌孔现象发生的问题。

1.3 管理不到位

山塘由村民管理,缺少技术人员。相当多的山塘没有上坝道路和管理房,缺少定期巡查制度等。

2 有关设计问题的探讨

(1)首先要解决防洪问题。防洪标准可按V等工程,10～20 a一遇设计,50～200 a一遇校核。产流采用暴雨图集,汇流采用浙江省推理公式计算,调洪演算用高切林公式。

(2)大坝防渗问题。在设计中遵循上堵、中截、下排的原则。一般采用套井加灌浆方案效果较好。很多采用土工膜防渗,笔者认为小型均质或类均质土坝,坝身具有良好的防渗性能,如黏土防渗比降允许值在3～6。一般山塘坝高较低,自身均能满足,不需在上游另设土工膜防渗。从以前山塘、水库加固施工情况看,一般坝体填筑质量尚可,主要是坝体与坝基接触带、两坝肩渗漏普遍存在。所以采用黏土斜墙或土工膜防渗不太可靠,主要是两侧封闭较难处理,对渗漏量小坝体设计不应过度。渗流控制主要以防渗为主,后发展为防渗与排渗相结合,目前明确反滤层保护渗流出口是渗流控制的关键措施。渗漏量不大不会对坝体安全产生影响,通过合理反滤设计,裂缝有自愈可能。例:山塘坝顶宽3 m,边坡1∶2,假设坝内有孔洞,直径为1,2,5,10 cm,作用水头6 m,计算情况见表1。

表1 不同洞径流速流量表

从表1看出,当孔洞小于2 cm时,其流速、流量很小。由于山塘本身库容小,相应坝高也低,容易出问题的是坝体与坝基接触带,土体与刚性建筑物接触部位及坝体变形引起裂缝后的接触冲刷,这些部位容易出问题,故设计要到位。

(3)大坝结构问题。一般采用经验值,上下游一般采用缓于1∶2,个别条件限制可放宽至1∶1.75。对于坝高10 m以上的,建议进行滑动稳定分析。上游坡一般设为干砌块石或混凝土预制块护坡,下设砂卵石或碎石垫层,下游坡适当草皮绿化,以美化环境。加固设计原则上不对原坝体结构进行大的改变,如原心墙坝的设计仍为心墙坝,斜墙坝仍为斜墙坝,均质坝可改为心墙或斜墙坝。

(4)溢洪道问题。主要是消能防冲,要加以重视。笔者在 “麦莎”台风后对山塘受损情况进行调查分析,由于很多山塘溢洪道尾处与坝体下游很近,未设消能设施,溢洪道下游先冲刷而使大坝下游坍塌,引起坝体失事,故设计时一定要把洪水引出坝外,确保大坝安全,洪水超标准时溢洪道可修复。如有的山塘受地形限制,改为溢流土石坝,综合变形、渗流、温度、止水细部结构、消能、振动等因素进行设计,确保坝体安全。原则上溢洪道设在岸坡,尽量减少对坝体的影响。

(5)输水涵管问题。由于《浙江省山塘综合整治技术导则》:要取消坝内涵管。主要考虑土体与涵管变形,土体与涵管的接触冲刷。很多已改为倒虹吸管,但在实际运行时,由于放水间隔时间长,导致真空破坏,放水中断,给运行带来很大不便。故坝高5～6 m的可设置混凝土涵管,控制好变形做好涵管防渗设计,周边填土密实,加1～2道筋环,以确保安全。坝高7～10m可采用倒虹吸;坝高12 m以上的可根据实际情况采用涵管、倒虹吸或新开隧洞等。涵管设计是下游段不设截渗环,遵循上堵中截下排的原则,在坝轴线下沿外壁铺设滤层,直通下游,以防沿壁接触冲刷。

(6)山塘地质勘探问题。选择性开展山塘地质勘探工作。山塘坝型复杂,对于斜墙坝、砂砾石地基,地质钻孔造成隐患,需加以重视。如果钻孔封堵不密实,使整个钻孔处渗流水头发生变化,抵抗渗透破坏的能力降低,土料最易从地基裂缝中流失,使防渗体与地基结合带出现孔洞,而从孔洞处引起渗透破坏。因此,尽量减少在防渗上游面钻孔。可适当选择典型大坝及水库除险加固资料,酌情使用。尤其现在坝体渗透系数一般采用现场注水试验,致使坝体现场试验时土体所承受渗透比降远大于实际渗透比降,得出现场渗透系数明显大于室内试验的成果。在现场注水试验期间土体是否产生渗透破坏,令人担心。

(7)施工管理问题。由于山塘数量多,除险加固施工单位普遍技术力量薄弱,施工前搞清楚关键部位设计意图,主要是涵管施工、防渗封闭、消能防冲等。由于山塘施工可能出现各种问题,设计人员需根据现场认真分析,提出相应的对策与措施。

3 结 语

本文对山塘存在的问题及设计有关问题进行了探讨,目的是解决防洪安全、结构安全。虽然山塘规模较小,但数量众多,容易出问题,应予以重视。设计时应根据山塘的具体情况,采用适当措施,使除险加固安全可靠。