小型病险水库除险加固主要工程问题及对策研究——以沅陵县为例

田文利

（沅陵县水利建设项目事务中心，湖南 沅陵 419600）

0 引言

根据《中国水利发展统计公报》，截至2019 年，我国已建成各类水库98 112座，居世界首位，其中，大型水库774 座、中型水库3 978 座、小型水库93 360座，这些水库大坝在防洪灌溉、供水发电等各方面发挥着重要的作用［1-2］。同时，大部分水库兴建于20世纪50年代至70年代，受当时的技术水平、施工条件、经济条件等限制，加上后期运行时又缺乏专项经费与科学维护，绝大多数水库年久失修，各类建筑物存在质量问题和安全隐患［3-4］。尤其是带病运行的小型水库，与大中型水库相比，安全问题日益突出［5-6］。主要表现为：①多病险问题共存。每年汛期，在降雨的作用下原工程险情加重，同时引发新的工程安全问题，造成多种病险同时存在，增大溃坝风险［7］。②影响生产生活。人民的生产生活离不开水源，随着社会经济的发展，很多小型水库下游有村庄、城镇、厂矿企业等，集中了许多人员，同时配套大量的交通、通信等生产生活的重要基础设施，若水库溃坝将给下游经济社会发展及生态环境带来巨大影响。③风险意识淡薄。受地域差异、资金限制、人员匮乏等影响，绝大多数小型水库对溃坝等安全问题没有制订切实可行的应急预案，加上宣传力度不够、信息不对称，下游民众普遍对水库溃坝风险认识不足，存在安全意识淡薄等问题，出险后常常不能及时组织群众撤离，以及防汛交通等设施不完善，导致抢险恢复不及时，很大程度上威胁着周边人民的生命财产安全，阻碍了经济和社会的发展［8-10］。

在湖南省沅陵县共有小型水库101 座，均以农业灌溉为主，兼有供水、养殖等综合效益，其中小（1）型水库15 座，小（2）型水库86 座。国家于2008年开始大规模开展小型病险水库的除险加固改造工作，“十二五”规划以来全县101 座小型水库全部列入改造范围。经过近年来对各个小型水库除险加固勘察、设计、施工等工作的实施，消除了水库原有安全隐患，完善了水库各类设施，提高了水库安全管理水平，加大了安全风险宣传力度，降低了溃坝风险概率。对小型病险水库存在问题的梳理以及解决对策的整理，可为沅陵县以后除险加固工作和其他县市的类似工程提供参考。

1 小型水库的主要工程问题

沅陵县101 座小型水库建成时间与全国小型水库基本一致，也同属典型的“边勘测、边设计、边施工”的三边工程。建设时因技术水平有限、施工设备简陋，填筑质量没有得到保证，加之受当时社会经济条件限制，水库建设缺乏固定的投资渠道，工程施工不能按原计划进行，施工随意性大，也给水库完工后带来了运行管理成本高等问题，多数水库工程质量问题突出、大坝存在安全隐患，多年来一直带病运行。本次针对全县101 座小型水库进行了大坝安全鉴定，梳理出其存在的主要工程问题有3 类，分别是防洪能力不足、结构存在安全隐患、大坝渗流稳定性差，具体如下。

1.1 防洪能力不足

挡水建筑物顶部高程不够或泄水建筑物泄洪能力不足。造成这种情况的原因主要有两点。一是历经60～70 年的发展，水文资料越来越丰富，按现行规范和水文资料设计得出的洪水洪量、洪峰和洪水过程与原设计发生了较大改变，以及原设计洪水标准本身偏低，挡水建筑物顶部高处不满足现行规范要求。二是原设计的泄水建筑物过流断面偏小，其在运行时发生淤塞等问题，经复核计算泄洪能力不足；或该水库下游无行洪通道而不能正常泄洪或无法泄洪，进而导致泄水建筑物存在安全隐患，如某水库溢洪道只有控制段进行衬砌，已衬砌槽段边坡及底板破损严重。

1.2 结构存在安全隐患

泄水建筑物出现裂缝、变形、冲蚀破坏，输水建筑物出现裂缝、冲蚀、漏水等问题。造成这种情况的原因主要有两点。一是泄水建筑物如溢流坝闸墩混凝土结构尺寸较小、强度偏低，泄槽侧墙无衬砌或衬砌质量差，或由于其底板产生不均匀沉降导致混凝土产生裂缝甚至坍陷，无消能或消能设施不完备而冲蚀破坏。二是输水建筑物衬砌结构施工质量差、混凝土强度低、卧涵管基础承载力差、变形严重，卧涵管出现裂缝、冲蚀、漏水等现象。

1.3 大坝渗流稳定性差

大坝下游散渗、集中渗漏，坝体、坝基接触部位出现渗漏，坝基渗漏。造成这种情况的原因主要有两点。一是由于绝大多数小型水库大坝建成时间比较早，当时缺乏技术人员和施工机械，在坝基处理、坝体填筑等方面把关不严，未明确提出质量控制要求，且许多大坝没有设置防渗体，当水库蓄水位较高时，导致下游坝坡渗流溢出点太高、渗水量超出允许范围而出现散渗现象。大坝过高的浸润线、坝坡长期湿润或沼泽化加大了出现滑坡风险的概率［11-12］。另外，由于洞穴、涵管破裂等原因，库内水流通过渗漏通道在坝体下游出现成股水流，形成集中渗漏。二是由于大坝施工清基不彻底或未清基，坝体防渗结构不完整、坝基未进行防渗处理的现象较为普遍，坝体和坝基之间存在软弱带，在运行期容易形成渗漏的捷径，出现泡泉、土层隆起等体坝基接触部位渗漏、坝基渗漏的现象。

2 除险加固的对应技术措施

针对沅陵县小型水库的3类主要工程问题及其成因，初步给出不同的除险加固措施，具体梳理如下。

2.1 解决防洪能力不足的技术措施

通过培厚加高大坝，增设防浪墙、拓宽溢洪道，对49座防洪能力不足的小型病险水库进行了处理。

对于大坝培厚加高大致可分为坝顶骑马加高、上游贴坡加高、下游贴坡加高3 种方法。坝顶骑马加高是在坝体顶部直接加高施工，该方法要求大坝顶部有足够的宽度，加高范围一般控制在3 m 以内，确保加高后大坝边坡的稳定性安全系数符合现行规范要求；上游贴坡加高是从上游边坡底部向顶部施工，在坝前淤积面较高等情况下，其工程量较少，但存在施工时需要将水库放空排空、上游淤积占用防洪库容等问题；下游贴坡加高是从下游坝坡底部向顶部施工，为满足边坡稳定性要求，其结构尺寸大、工程量较大，但施工质量一般要求偏低，基本无加高高度限制，且整个施工过程不会影响水库的正常运行，使其成为除险加固工程中使用最为广泛的方法。如马底驿乡某水库大坝坝顶加高高程至199.60 m、高度为2.5 m，选用下游贴坡加高方案，取得了良好的加固效果。

若坝顶宽度不能满足要求，也可采用增设防浪墙的方法处理原坝顶高程不满足规范的问题，防浪墙是为防止波浪翻越大坝坝顶而设在坝顶靠上游侧的挡水墙，在除险加固工程中，通常只防浪花不作为挡水设施，防浪墙墙顶高程满足波浪爬高和安全超高的要求，根据基础埋深和整体高度确定选用水泥砂浆砌石或混凝土结构。如二酉乡某水库大坝靠上游侧增设防浪墙顶宽0.5 m、高1.0 m，墙顶高程增加1.0 m，采用M7.5 水泥砂浆砌石结构。

小型水库溢洪道通常是无闸门的自由溢流，其泄流能力主要取决于控制段，增加泄流能力主要有降低堰顶高程、增加溢流宽度的方法。溢洪道的加固设计基本维持原溢洪道的平面走向，溢洪道堰顶高程保持不变，底宽由原设计5 m 增加至7.5 m，增加50%的泄洪能力，重建控制段、泄槽段，具体如图1所示。

图1 扩建溢洪道示意图（单位：mm）

2.2 解决结构存在安全隐患的技术措施

通过加固改造溢洪道、新改建输水设施，对76座结构存在安全隐患的水库进行了处理。

加固改造溢洪道，拆除浆砌石底板，重新浇筑C20 混凝土底板厚30 cm。将控制段及泄槽段两侧破损的浆砌石侧墙拆除，采用M7.5 浆砌石重筑；在泄槽末端新建消力池及尾水渠。尾水渠断面同消力池末端断面。泄槽底板采用螺纹锚杆直径18 mm@2 000，消力池底板采用螺纹锚杆直径18 mm@1 500，锚入基础的深度均为1.5 m。

封堵原输水涵管新建输水隧洞或虹吸管。在原输水涵管进口处开挖，拆除涵管进口段前20 m，后采用黏土回填，回填土压实度必须大于96%。再将涵管与坝体墙轴线相交部位截断，向上游侧灌浆封堵20 m，向下游侧灌浆封堵5 m，将截断部位两端用混凝土封堵，两堵头中间回填土方水泥土、夯实，以彻底截断输水涵管。在两岸山体内新建输水隧洞或坝肩修建虹吸管，无论是输水隧洞还是虹吸管均根据设计流量计算结构尺寸。

拆除原卧管重建混凝土卧管或新建斜拉式取水口。重建卧管断面形式仍采用原矩形，根据管内无压层流及跌落跃起高度要求，卧管高度为正常水深的3～4 倍。以杜家坪乡水库为例，其设计流量按坡比i=0.85计算，得出卧管断面净尺寸为宽×高＝0.8 m×0.6 m。新建斜拉式取水口，其放水孔直径根据设计流量按小孔出流公式计算确定，并配置消力井进行消能，保证水流在输水涵管中为无压流。

2.3 解决大坝渗流稳定性差的技术措施

通过对坝体、坝基、坝肩防渗加固，对92 座存在渗流不稳定问题的水库进行了防渗处理。

“上堵”的坝体防渗结构形式主要有上游坡面的斜式（黏土斜墙、土工膜等）、坝轴线的垂式（冲抓套井回填、高喷灌浆等）2种，制定除险加固方案时，一般建议坝体防渗加固形式与原坝体防渗相同或类似，即若原坝体在上游坝面采用黏土斜墙、土工膜等防渗，则新的防渗结构可考虑该形式；若坝体防渗结构在中间，则加固形式可考虑套井回填、坝体灌浆等结构；若原坝体未设置防渗（均质土坝），则新的防渗结构可灵活布置。坝基、坝肩存在渗漏现象的小型水库通常采用帷幕灌浆，依施工顺序可分为自上而下（钻孔—灌浆—再钻孔—再灌浆）、自下而上（一钻到底—逐段回灌）2 种分段灌浆工艺，多数水库大坝采用自上而下的灌浆工艺。另外，在保证防渗加固效果的前提下，部分水库大坝高度较大、坝体自身自重也较大，为减少投资、加快进度、方便施工，也使用自下而上的灌浆工艺。无论大坝坝体采用冲抓套井回填还是高压旋喷灌浆或其他方法，均须与坝基、坝肩帷幕灌浆连接成连续、封闭的防渗截水墙，从而使整个大坝在坝轴线上加固形成一道完整的防渗系统。如楠木铺乡水库坝体采用冲抓套井回填、坝基和坝肩采用帷幕灌浆。在大坝坝顶轴线处对坝体进行冲抓套井回填，冲抓回填以大坝坝顶左端点处为起始桩号Z0+000.0，灌浆范围为Z0+000.0～Z0+131.0；冲抓套井回填孔设计为单排，两序孔施工，孔距0.78 m，冲抓深度为从坝顶到基岩高程。在坝顶轴线处对坝基和坝肩进行帷幕灌浆，灌浆范围为Z0+010.5～Z0+147.5；灌浆孔设计为单排，三序孔施工，孔距2.5 m，帷幕灌浆应伸入到中等透水带下限2 m。另外，水库大坝坝体采用高压旋喷灌浆，坝基和坝肩采用帷幕灌浆，该方案在坝轴线上游处采用高喷灌浆至全强风化基岩以下1.0 m、旋喷桩孔孔距0.8 m、成桩有效径1.0 m、有效墙厚0.6 m。同时，在坝顶高喷灌浆处对坝基和坝肩进行帷幕灌浆，形成一道防渗墙对整个水库大坝进行防渗加固。

综上所述，每个水库都有不同的险情特点，选取除险加固措施时，应以满足大坝本身安全为前提，提出多种方案进行比较，综合考虑蓄水运用、周边环境、经济合理等多方面的因素，给出推荐方案。

3 结语

水库除险加固工程需要就小型水库的病险问题，针对性地选取实用加固方案，确保水库除险加固效果。本研究针对湖南省沅陵县101 座小型病险水库总结出防洪能力不足、结构安全隐患、坝基存在渗漏3 大共性工程问题并梳理其成因，并综合考虑多方面的因素，针对性地提出大坝培厚加高、增设防浪墙、拓宽溢洪道、加固改造溢洪道、新改建输水设施、坝体坝基坝肩防渗等除险加固措施。给出了小型水库加固处理时的关键步骤：根据病险问题及其原因，针对性地提出多种可行的除险加固设计方案，综合水库现场施工的可行性、便利性、经济性等方面给出推荐方案，避免出现施工困难、造价高等问题。上述成果可为其他地区小型水库的除险加固设计提供参考。