关于小型病险土石坝除险加固的探讨

黄云超　乔一乐　孙文杰

【摘 要】本文简述了我国病险水库的病险情况以及各种病险情况所对应的工程措施。针对某工程实例，采用理正软件对病险土石坝进行渗流稳定计算，并对其边坡稳定进行分析，验证其除险加固措施的合理性，并分析其可行性，评价坝体加固前后的安全性对比，论证除险加固工程措施的效果。对于目前我国正在开展的病险水库除险加固工作具有借鉴意义。

【关键词】病险土石坝；除险加固；加固措施

0 引言

我国的水库建成数量居于世界首位，但同时水库病险问题十分突出。病险水库，国内是指现状抗洪标准低于现行标准或者因较严重质量问题而不能正常运行的水库，也即《大坝安全鉴定办法》规定的三类坝。据统计，截至2013年3月，中国共修建中小型水库97264座，其中大部分为土石坝，这些水库中仍然有47614座病险水库，占总数的49%，其中包括1096座中型水库和46518座小型水库（其中小（1）型水库5400座，小（2）型水库41118座）[1]。

我国的病险水库绝大多数是建于20世纪50～70年代的中小型土石坝。限于当时的条件，水库在施工过程中往往存在或多或少的问题，使得工程在建成之初就存在一定的问题；再加上运行多年，水库自身的老化，使得水库的病险比率比较高。病险水库由于不能正常运行，其效益的发挥就要受到一定的限制，然而在汛期，这种情况就变得更为严重，由于病险水库抵御洪水的能力较低，故在雨季病险水库的溃坝率要高于一般水库，一旦失事，后果不堪设想。为保证水库安全运行、正常发挥效益，对病险水库进行除险加固就是一个紧迫的任务。

1 小型土石坝病险特点

通过分析现有小型水库土石坝中所存在的各类安全隐患，总结出了以下几个方面的小型水库土石坝的安全问题：

（1）水库的防洪标准较低。即大坝顶高程不满足要求或泄水建筑物泄水能力不满足要求。造成的原因主要有：水文情况发生变化；泄洪建筑物存在安全隐患，不能正常发挥功能[2]。

（2）大坝渗流不安全。即坝体或坝基存在渗漏，坝体出现管涌、流土、接触冲刷等渗透破坏问题。造成的原因主要有：大坝施工时清基或坝基防渗处理不彻底；土石坝填筑压实度和渗透系数达不到标准[2]；土石坝两岸岸坡与坝体接触部位存在薄弱带等。

（3）上游坝坡不安全。上游坝坡存在的问题主要有滑坡、局部塌坑以及护坡损坏等问题。造成的原因主要有：建设时大坝填筑压实度达不到标准；上游水位变化对护坡的侵蚀作用；较大渗流的影响。护坡损坏则主要是由于混凝土老化引起的。

（4）坝顶。坝顶存在的问题主要有防浪墙不封闭或损坏，道路不平整。造成的原因主要有：水库运用时防浪墙的老化或破坏以及坝顶道路的损坏。

（5）下游坝坡不安全。下游坝坡存在的问题主要有滑坡、局部塌坑以及排水系统不完善等问题。造成的原因主要有：建设时坝体填筑质量达不到标准；渗流和沉降的影响以及人类活动的破坏等。

（6）下游导渗体不安全。下游导渗体存在的问题主要有滑坡、排水通道堵塞等问题。造成的原因主要有：运行期间长时间的渗流作用的影响。

（7）其他问题

①泄洪建筑不安全。即泄洪建筑的强度及稳定性不满足规范要求。溢洪道的问题主要是边坡及导墙不稳、两岸山体滑坡、堰体失稳等[3]。

②输水建筑物不安全。输水建筑物的主要问题是：坝内涵管出险和金属结构以及机电设备无法正常使用。

③管理设施不完善。

④抗震不安全。

⑤其他的诸如库区山体滑坡，白蚁等生物性灾害也会引起相应的安全隐患。

2 小型土石坝病险加固办法

通过前文中所描述的小型土石坝的主要病险，给出相应病险的解决办法：

（1）水库的防洪标准较低。对于防洪标准偏低的水库，首先要对基本的水文数据进行调查和完善，确保各类基本数据都被统计在内，保证相应土石坝的洪水标准与实际情况相符[4]。进行洪水复核后，通过方案比较以确定采取加高大坝或扩大泄洪设施或将两者结合起来使用，以确保水库在相应的洪水标准下安全运行。

（2）大坝渗流不安全。大坝防渗的原则是“上堵下排”，上堵是指通过修建防渗工程减少上游渗流来水量，主要工程措施有防渗铺盖、粘性土截水墙、混凝土防渗墙、帷幕灌浆、高喷灌浆、固结灌浆以及铺设土工膜等；下排是指通过下游导渗体的作用使得坝体内渗水尽快流出，这就要求导渗体的设计施工以及后期维护要引起足够的重视。渗流是一个连续并不断发展的过程，具有一定的隐蔽性，我们要防患于未然，在平时加大对坝体渗流的监测工作，一旦发现异常，必须查明原因，并采取相应的措施。

（3）上游坝坡不安全。解决上游坝坡存在的问题的方法：

①防治大坝滑坡：造成滑坡的主要原因是滑动力大于抗阻力。防治滑坡的原则是尽量减少滑动力和增加抗阻力。常见的滑坡处理方法有开挖回填、放缓坝坡、增设防滑体、培厚坝体、多种土料掺合和增加防渗设施等[5]。

②防治大坝塌陷：大坝塌陷主要是由于渗流引起的，其相应的解决方案有：开挖回填、坝体灌浆等。

③对于护坡损坏问题，可以平整坝坡以后，重新修建即可。

（4）坝顶。解决坝顶存在的问题的方法：防浪墙维修或重建、坝顶交通道路平整或重建。

（5）下游坝坡不安全。解决下游坝坡存在的问题的方法：滑坡、局部塌坑等问题的解决办法和上游坝坡的解决方案一致；完善排水系统使其成为一个系统，保证排水顺畅且不冲刷坝体。

（6）下游导渗体不安全。解决下游导渗体存在的问题的方法：导渗体加固或拆除重建。

（7）其他问题

①泄洪建筑不安全。解决泄洪建筑存在的问题的方法：泄洪系统加固可根据水库具体情况采取修补、改建、扩建、新建等措施，以使其发挥正常的作用和功能[6]。具体为边坡及导墙的加固或者新建，堰体加固，底部护砌，库区边坡的加固或削坡等。

②输水建筑物不安全。解决输水建筑物存在的问题的方法：坝内涵管出险：废弃封堵现有涵管，新建隧洞替代；在涵管内部加设钢管；金属结构和机电设备无法正常使用的水库：修补和更换设备；输水洞进出口损毁：拆除重建输水洞进出口。

③管理设施不完善。新建管理设施。

④抗震不安全。需要对坝体进行压实加固或对浅层液化土进行挖除并重新回填非液化土。

⑤对于山体滑坡应进行重点区段加固；而应对白蚁、穴居动物等生物性灾害，则需要定期检查，及时捕杀危害性动物，确保大坝安全。

3 实例分析[7]

3.1 工程概况

某小型水库是一座以防洪、灌溉为主，结合水产养殖等综合利用的小（2）型水库。水库建于1975年，下游保护区内有0.10万人、400亩农田，水库的地理位置重要。水库总库容15.56万m3（除险加固后），工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级。

工程现状：

大坝为砂壳心墙坝，坝顶高程105.0m，最大坝高16.5m，坝长90m，坝顶宽3.0m；坝顶为土路，坑洼不平；上游坝坡无护砌，灌木丛生，局部较陡；下游坝坡杂草丛生，坝坡不规则；干砌石排水棱体陡直。

综合分析某小型水库原有资料和现场查勘情况以及理正计算结果，可知水库存在的部分主要问题如下：

（1）大坝心墙顶高程不足；

（2）通过计算可得大坝渗透比降不满足规范要求；

（3）上游坝坡无护砌，杂草、灌木丛生，上游坝坡稳定安全系数不满足规范要求；

（4）下游坝坡杂草丛生；下游坝坡稳定安全系数不满足规范要求；

（5）排水棱体陡直、损坏。

3.2 工程除险加固方案

3.2.1 工程除险加固方案的确定思路

在确定具体水库加固方案的时候，我们依据前文总结的水库主要病险的加固办法，结合水库具体特征，考虑方案的效果、可行性以及经济合理性，最终选定水库加固方案。

（1）加高心墙，加高心墙可以通过坝顶开挖，重新回填粘土料来完成，或是采用坝体灌浆，用防渗墙加高心墙；

（2）上游坝坡放缓，清理表层坝坡，新建混凝土护坡；

（3）下游坝坡稳定安全系数不满足规范要求：下游坝坡放缓，清理表层坝坡，新建坝面排水系统；

（4）排水棱体续建。

3.2.2 工程除险加固前后的理论计算对比

1）加固前大坝渗透稳定复核

（1）大坝渗流

大坝渗流计算使用理正软件；计算断面选取大坝主河槽段最大坝高断面。

基本计算参数：

表1 坝工计算土体参数

计算结果：按照《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》[8]（SL189-96）规定，允许渗透坡降：

[J]=（Gs-1）（1-n）/K（1）

式中：Gs——土的土粒比重；n——土的孔隙率；

K——安全系数，取1.5～2，此次取1.5。

坝体填土（砂壳）：Gs=2.65，e=0.650，n=e/（1+e）=0.394

[J]=（2.65-1）（1-0.394）/1.5=0.667

坝体填土（心墙）：Gs=2.7，e=0.735，n=e/（1+e）=0.424

[J]=（2.70-1）（1-0.424）/1.5=0.653

不同工况下，大坝现状渗流计算结果汇总于表2。

表2 大坝加固前渗透计算成果表

渗透稳定分析结论：由计算成果得出，在兴利水位和校核水位运行工况下，坝体渗透坡降均不满足规范要求。

（2）大坝稳定采用瑞典圆弧法计算，使用理正软件；计算断面选取大坝主河槽段最大坝高断面。加固前大坝稳定复核结果汇总如表3。

表3 大坝现状稳定安全系数计算成果表

从表3中可以看出，在各种运行工况下，大坝坝坡抗滑稳定安全系数均不满足规范要求。

2）加固后大坝渗透稳定复核

（1）大坝渗透稳定计算

计算参数同加固前。加固后渗流计算结果汇总如表4。

表4 大坝加固后渗流计算成果表

从表4可以看出：在各种运行工况下，加固后大坝渗透坡降均满足规范要求。

（2）坝坡稳定计算

计算参数同加固前。计算成果列于表5。

表5 大坝加固后稳定安全系数计算成果表

从表5可以看出：在各种特征水位运行工况下，大坝坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

通过文中水库加固前后的理论计算结果：大坝加固前在兴利水位和校核水位运行工况下，坝体渗透坡降均不满足规范要求；在各种运行工况下，大坝坝坡抗滑稳定安全系数均不满足规范要求。在采取加固措施后，通过理论计算我们可以知道：大坝加固后在各种运行工况下，坝体渗透坡降均满足规范要求；大坝坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。通过上述分析我们知道加固方案解决了水库的病险问题，同时结合水库的具体情况，可知加固方案具有可行性，可以实施。

4 总结

本文通过简述小型土石坝水库的病险情况以及各种病险情况所对应的工程措施。针对某工程实例，采用有限元分析软件对病险土石坝进行渗流稳定计算，并对其边坡稳定进行分析，验证其除险加固措施的合理性与可行性，评价坝体加固前后的安全性对比，论证除险加固工程措施的效果；并对工程设计过程中所存在的问题进行分析，力求设计方案可以最大限度的降低成本和提高工程质量。

在对水库除险加固时，我们应该进行详细的研究，针对水库的具体病险情况，做出相应的工程的措施。针对水库的薄弱环节，或者是在使用过程中发现的隐患做相应的工程措施，以解决问题；同时水库工程又是一个有机的整体，任何一部分发生变化，都会对别的部位产生影响，除险加固工程应该保证可以解决问题，同时又不产生新的问题并兼具较高的性价比。本文中所论述的小型土石坝水库的除险加固流程和方案确定原则对于我国正在开展的病险水库除险加固工作具有重要的借鉴意义。

【参考文献】

[1]中华人民共和国水利部.第一次全国水利普查公报[M].北京：中国水利水电出版社，2013：3-4.

[2]钮新强.水库病害特点及除险加固技术[J].岩土工程学报，2009，32（1）：153-157.

[3]王良.小型水库土石坝险情划分及判别方法探讨[J].人民黄河，2010，32（3）：94-95.

[4]王宏珠.试论小型水库土石坝的除险加固[J].中国水运，2014，14（1）：196-197.

[5]杨朝娜，杨少俊.土石坝溃坝的成因分析与防治措施[R].中国水利技术信息中心，2012，11-15.

[6]赵家成，王从锋，姜利汉.中、小型病险水库除险加固的研究[J].三峡大学学报，2005，27（2）：119-122.

[7]某小型水库除险加固初步设计报告[D].华北水利水电大学，2013.

[8]SL189-96 小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范[S].

[责任编辑：汤静]