小型水库除险加固技术审查若干要点及思考

欧阳建，彭海波

（1.武汉大学水利水电学院，430072，武汉；2.广东省水利电力勘测设计研究院，510635，广州；3.广东省水利水电科学研究院，510610，广州）

小型水库除险加固技术审查若干要点及思考

欧阳建1，2，彭海波3

（1.武汉大学水利水电学院，430072，武汉；2.广东省水利电力勘测设计研究院，510635，广州；3.广东省水利水电科学研究院，510610，广州）

在开展小型病险水库除险加固前期技术审查工作时，发现防洪安全分级、输水涵管明满流运行、库容系数异常和正常使用年限的确定等4个问题需要引起注意。这4个问题具有一定的隐蔽性，在前期工作中易出错或被忽视。现结合小型水库的实际情况，在分析技术规范内涵和相关学术成果的基础上，对上述问题提出了技术审查中的解决方案。

小型水库；除险加固；防洪安全分级；明满流；库容系数；合理使用年限

小型病险水库除险加固前期工作中的技术审查包括安全鉴定核查和初步设计审查两部分内容。结合2015年度新增小型病险水库的技术审查工作，对容易忽视和关注不足的有关技术问题进行探讨和解释，现主要集中在防洪安全分级、输水涵管明满流交替状况处理、库容系数异常和正常使用年限运用等4个方面的技术问题。小型水库的防洪安全性评价容易出现偏于安全的评级，造成对水库安全状况的认识出现偏差；因泄洪设施位置设置偏高易导致库容系数异常，使得水库无法溢洪；输水涵管一般设计为有压流，进水口设置闸门，忽视了运行中闸门控流下存在明满交替流态下工作的可能；小型水库除险加固初步设计均未注明建筑物正常使用年限，目前对于如何将《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》(SL 654—2014)运用到除险加固中还属于一个新问题。

处理好上述问题可有效提高前期工作质量，增强水库运行的安全性和合理性。现对技术审查中处理这4个问题的具体思路和处理方法进行介绍，对于今后同类问题和状况的处理也具有一定的参考价值。

一、防洪安全分级

相对于对结构和渗流安全的 “强要求”（不满足规范要求，即评价为C级），《水库大坝安全评价导则》（SL 258—2000）（以下简称“SL 258”）对防洪标准属于“弱要求”。因为按照现行频率分析法计算的设计洪水成果偏大，设计偏于安全，所以当水库抗洪能力不满足 《防洪标准》（GB 50201—2014）（以下简称“GB 50201”）的要求时，并不能据此确定该水库处于病险状态。

SL 258的基本精神是只要防洪标准满足GB 50201的要求，防洪安全性就可评价为A级；不满足GB 50201的要求时要进一步复核计算大坝可安全运行的洪水频率。例如一座中型水库大坝级别为3级，防洪标准为50年一遇设计，1 000年一遇校核，安全鉴定复核抗洪能力不满足要求，即不符合GB 50201要求。后利用500年一遇洪水进行复核，发现满足500年一遇洪水的抗洪要求，根据SL 258表B.1规定，该水库防洪安全性为B级。

对小型水库安全鉴定报告的核查发现，小型水库防洪安全性分级目前尚存在较多问题，出现这一问题的原因除了客观上SL 258未对小型水库的防洪安全性分级作出明确规定，以及设计人员在具体评价时无所适从外，主要还是由于对SL 258防洪安全性的分级原则认识不充分。由于防洪安全分级关系到大坝安全鉴定分类，并直接影响人们对水库安全状态的认识，因此有必要在此对小型水库防洪安全性分级方法进行澄清。

现结合安全鉴定核查中发现的3种典型情况进行介绍。

情况1：粤东某市小（2）型水库，集雨面积0.67 km2，土坝坝长240m，坝高23.0m，总库容84万m3，防洪标准为20年一遇设计，200年一遇校核。经复核，抗洪能力满足要求，大坝抗洪安全性定为B级。

情况2：粤西某市小（1）型水库，集雨面积7.98 km2，土坝坝长278m，坝高29.6m，总库容603万m3，防洪标准为50年一遇设计，500年一遇校核。经复核，抗洪能力不满足要求，大坝抗洪安全性等级评定为C级。

情况3：粤北某山区县小（1）型水库，集雨面积6.8 km2，总库容525万m3，土坝坝长100m，最大坝高28.5 m，防洪标准为50年一遇设计，500年一遇校核。经复核，设计洪水位下坝顶高程不满足规范要求，但校核洪水位抗洪能力满足要求，大坝抗洪安全性为C级。

情况1水库防洪安全性应为A级，因为已满足GB 50201的要求，出现该问题的主要原因是参照SL 258表B.1进行主观评价造成的。情况2出现的较多，只要不满足设计防洪标准，就将水库安全性评价为C级。由于SL 258对防洪标准属于“弱要求”，在设计防洪标准不满足要求时，要进一步复核计算大坝可安全运行的洪水频率。后该水库根据核查意见，复核200年一遇洪水下的防洪安全不满足要求，并最终确定该水库大坝防洪安全性为C级，属于病险水库。情况3校核一级标准满足要求，设计一级标准不满足要求，因为两级洪水标准所规定的坝顶超高不同，在泄流能力强和库容大的水库中可出现该类情况。后经技术审查要求改为30年一遇洪水作为设计一级标准，发现满足要求，因此确定大坝防洪安全性为B级，属于基本安全。

结合以上3种情况的分析，总结出小型水库防洪安全性分级方法为：防洪标准只要满足GB 50201的要求，抗洪安全性评价为A级；不满足GB 50201的要求时，就要进一步确定实际能够安全运行的洪水频率，如果该洪水频率与GB 50201的要求相差不大，可评价为B级；如相差过大，则评价为C级。

对于山区丘陵区小（1）型水库的防洪标准，水利部《重点小型病险水库除险加固工程初步设计指导意见》（水总﹝2008﹞428号）（简称《意见》）根据总库容作出了明确规定：小（1）型水库库容规模500万m3以上时洪水标准可按50年一遇设计、500年一遇校核；500万m3以下按30年一遇设计、300年一遇校核。因此，该类水库防洪标准还需要满足该《意见》的要求，具体分级方法可见表1。

另外需强调的是，对于因防洪标准评价为“二类坝”的水库，虽不是SL 258所规定的病险水库，但因需要按有关规定进行防洪达标加固，“二类坝”结论不影响其列入病险水库除险加固的名单。

二、输水涵管明满交替流

技术审查中发现，输水涵管主要以正常蓄水位为设计工况，一般均设计为有压流，并在进水口设置闸门。《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189—2013）建议坝下埋管宜优先采用明流，原因为如采用有压流，会出现处于有压流向无压流或无压流向有压流转变的明满流交替状况下工作的可能。

涵管流态的区分在设计中一般根据上游水头与管径或孔径的比值来确定，对具体涵管而言，流态则实际主要由管内过流量决定。水库输水涵管一般在进水口设置闸门控流，随着闸门开度降低，过流量也相应减少，原有压的涵管内必然会产生明满流交替出现的不稳定流态。

明满交替流是一种水气两相的非恒定流，管内夹杂不稳定气囊，气囊的收缩膨胀容易形成负压作用，流速、流量等会发生周期性变化，对涵管产生空化空蚀、振动、冲击破坏等。因此，水库输水涵管要避免在该状况下工作。

小型水库日常通过输水涵管的流量不会很大，一般均要利用进水口闸门控流，此时闸门开度就直接决定涵管内是否处于明满流交替状况。由于流态除与上游水头、管型和闸门开度有关外，还受进口布置、下游出口边界条件、管长、底坡等多因素的影响，目前对明满流流态的确定还缺乏成熟的计算方法。另外水库输水涵管坡度一般较缓，跟大坡度涵管相比，明满流交替出现的范围区间要大，对有效避免在该状况下工作颇为不利。

现阶段，除在设计中应参考许佳模的实验研究成果外，重点要放在运行管理中。明满流时往往存在进口伴有吸气漏斗漩涡、管内异响、结构振动等现象，涵管放水时如发现此类状况，应及时调整闸门开度，避免涵管长期处于明满流交替出现的状况下工作。

表1　山区丘陵区4级土坝防洪安全性分级表

三、库容系数异常

经过现场走访发现小型水库建成后溢洪道从未泄洪是一种较为常见的现象。这除了跟水库处于限制运行或在强暴雨预报时排空库容以提前避险有关外，还有一部分是由于上游来水量有限，溢洪道布置过高，水库库容系数偏大造成的，现结合一典型情况进行介绍。

粤西山区某市小(1)型水库建于1972年，集雨面积4.25 km2，当地多年平均年降雨量1 800mm。水库土坝坝顶高程126.00m，最大坝高27.25m。水库死水位105.40m，死库容95万m3。溢洪道布置在坝右侧天然垭口处，进口底高程122.70m。相应库容546万m3。水库正常蓄水位采用溢洪道底高程122.70m。经调洪演算，30年一遇设计洪水位125.03m，相应库容672万m2，300年一遇校核洪水位125.51m，相应库容728万m3。该水库溢洪道现状为土沟，未进行衬砌，加固方案为维持底高程122.70m不变，根据泄洪流量对溢洪道进行大规模整修，并修建消能防冲设施。

对该水库技术审查发现，水库兴利库容达451万m3，取综合径流系数为0.5，多年平均来水量为382.5万m3，则水库库容系数达到1.18。由于该水库所在地为山区，属灌溉径流调节，承担下游近500 hm2耕地的灌溉任务，需水量大，再考虑蒸发和渗漏等水量损失，可判断水库不存在蓄满的可能性。因此，初步设计在原址对溢洪道进行大规模整修，且维持原设计运行方式不变，加固后溢洪道仍不会泄洪，设计方案无实质意义。

该水库库容系数达到1.18，主要是由于在天然垭口布置溢洪道，而垭口偏高，如将垭口削低，岩土体开挖量过大，施工难度大。因此，主要是将大坝填筑至足够高来解决防洪问题。后期水库进行过除险加固，但设计中未发现该情况，而是以原设计方案对大坝进行加高培厚，使得大坝规模进一步扩大。目前坝址周边公路又主要以坝顶为依托进行修建，现状大坝规模也不便降低。

在新建水库设计中，选定的正常蓄水位偏高，库容系数偏大，造成大坝规模过大，建筑物布局不合理、不科学，出现造价过高、浪费严重等问题。因此，水库设计中库容系数一般要求在合理范围内，以减小工程规模，降低造价。

对于已建库容系数偏离正常值的水库，虽设有溢洪道，但由于来水量偏少，水位上升高度有限，溢洪道不会参与泄洪，应视其为无泄洪设施水库。对该类水库的除险加固要尊重现状，利用大坝规模大的有利条件进行设计，以减少投资，并将设计运行方案调整至实际可操作状态。按照原蓄水至溢洪道底高程泄洪的运行方案，水库的大坝规模如果满足防洪、结构和渗流等方面的要求，对溢洪道可不进行处理，且一般也无需新建泄洪设施，水库按照日常用水的需求运行即可，以充分利用过大规模的大坝来蓄水兴利。如大坝安全“不达标”，则需要重新设定汛限水位，一般根据来水情况，调查在实际运行中汛期能够达到且满足用水需求的水位作为汛限水位，将库容系数调整至合理范围，另外如水库地理位置特别重要，也可考虑增设泄洪设施。

四、合理使用年限的运用

《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL 654—2014）（以下简称 “SL 654”）于2014年4月26日实施，适用于新建水利水电工程，对已建工程的改建、扩建属于参照执行。根据SL 654，小型水库输水建筑物合理使用年限为30年，泄水建筑物和挡水建筑物的合理使用年限为50年。

SL 654运用到小型病险水库除险加固工程中，主要是要确定建筑物的合理使用年限，并在设计文件中注明。初步设计的技术审查按照以下原则提出要求：对于依托原有结构加固或改建，且结构安全受原有结构影响的，如坝坡培厚、钢管套装等，不作具体要求；对于其他采用新建方案修建，结构安全不受原结构影响的，要求在设计文件中明确提出建筑物的合理使用年限。

耐久性设计在相关规范中均有详细要求，对于在初步设计报告“工程布置及建筑物”一章中应增加“建筑物耐久性设计”规定，小型水库除险加固项目可暂不做强制性要求。

小型病险水库除险加固设计文件中要求注明建筑物的合理使用年限，主要目的一方面是加强设计单位和设计人员的责任感，提高设计质量；另一方面是要促使管理部门重视对加固后水库的管理维护工作，避免今后因管理原因使水库再度出险，以提高水库的运行效益。

五、结语

①现行频率分析法计算设计洪水成果偏大，设计偏于安全。安全鉴定对防洪安全性中的防洪标准属于“弱要求”，只要满足GB 50201和有关意见的要求，就可评价为A级；不满足要求时，要进一步确定实际能够安全运行的洪水频率；如果与要求相差不大，可评价为B级；如过大，则评价为C级。对于因防洪标准评价为“二类坝”的水库，因需要进行防洪达标加固，不影响其列入除险加固的名单。

②输水涵管均设计为有压流，并在进水口设置闸门,如闸门控流，涵管内会出现明满流交替出现的流态，产生空化空蚀、振动、冲击破坏。在管理运行中注意避免出现进口伴有吸气漏斗漩涡、管内异响、结构振动等现象，可有效减轻明满流造成的危害。

③水库库容系数偏离正常值，溢洪道无法泄洪，应将其视为无泄洪设施。该类水库的加固要在尊重现状前提下，利用大坝规模大的有利条件，取消无实质意义的溢洪道加固，并将设计运行方案调整至实际可操作状态。

④小型水库除险加固中，一些不依托原结构新建的建筑物，要在设计文件中注明正常使用年限，其中输水建筑物合理使用年限为30年，泄水建筑物和挡水建筑物为50年。

[1]水利部大坝安全管理中心.水库大坝安全评价导则 （SL 258—2000）[S]. 2000.

[2]中华人民共和国国家标准.防洪标准（GB 50201—2014）[S].2014.

[3]小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范（SL 189—2013）[S].2014.

[4]许嘉模.涵管出流流态判别的实验研究[J].水文,1987(1).

[5]漆力健.大底坡泄洪管道明满流的水力特性[D].成都：四川大学,2005.

[6]罗志远,罗骏燕,等.湿润区水库复蓄系数与库容系数关系研究[J]．中国农村水利水电,2011(3).

[7]中华人民共和国水利部.水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范（SL 654—2014）[S].2014.

[8]陈忠民,刘志明.水利水电工程合理使用年限及其耐久性设计问题[J].中国水运,2015(8).

责任编辑安天杭

ThinkingSome KeyPoints about Danger Removal andReinforcement Projects of Unsafe Small Reservoirs in Technical Exam ination

Ouyang Jian，Peng Haibo

When carry out technical examination which is for danger removal and reinforcement projects of unsafe small reservoirs in early work，we find some matters，main including classification of flood safety,operation of culvert under free-surface-pressure flow，abnormity of storage factor，determination of rational service life，etc. These matters are so obscure that people easily error neglect during the early work.Connecting with the practical situation of small reservoir,this paper analyses cases based on content of related codes and academic achievements and then introduces solutions,which are also adopted in our work of technical examination.

small reservoir;reinforcement;classification of flood safety;free-surface-pressure flow;storage factor; rational service life

TV697.3

B

1000-1123（2016）08-0028-03

2016-03-03

欧阳建，在职硕士研究生，助理经济师，主要从事水利咨询管理工作。