小型病险水库安全鉴定及加固改造实践——以水磨坑水库为例

李宇文

（深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518000）

随着“海绵城市”一词的热度不断上升[1]，低碳理念在城市开发建设中的不断深入，生态环境的保护工作也在不断推进[2]。水库作为一个城市“海绵体”，不仅可以充分吸纳蓄积雨水，还可以有效控制雨水径流，其生态系统实现了对城市的自然净化。目前来说，大部分水库的主要功能与城市的发展之间存在较大差距，必须及时对水库进行病险排查和生态加固处理[3]，从而为城市的发展提供助力，增强区域的防洪能力，扩大公共产品的有效投资，促进人与自然之间的和谐共生。

深圳大鹏新区成立于2011 年，三面环海，与香港新界遥望，是粤港澳大湾区的重要节点，海域面积占比较大，约占深圳市的1/4，海岸线长133.22 km，约占全市的1/2，新区共有水库28 座。目前大部分水库的功能是防洪和供水[4]，针对部分水库出现的安全隐患问题，必须及时进行安全加固处理，以保障水库的基本功能，充分完成防洪蓄水和供水，避免发生溃坝等情况，对新区造成重大的损失。针对“海绵城市”的大力建设，对水库进行安全加固[5]，可以不断挖掘水库自身的生态效益，为下游生态补水，维持河道活力，促进区域水系健康发展。

1 工程概况

水磨坑水库位于深圳市大鹏新区大鹏办事处鹏城社区以东约1.2 km。水磨坑水库坝址以上干流长为2.592 km，河流比降J=0.087 2，集雨面积为2.515 km2，原设计正常蓄水位为54.38 m，校核洪水位为57.43 m，总库容为155.32 万m3；水磨坑水库工程是一座以防洪、供水为主的小（Ⅰ）型水利枢纽工程。该水库工程现状由大坝一座、溢洪道、输水涵管以及管养房等组成，现主要向大鹏办事处鹏城水厂供水。见图1。

图1 水磨坑水库地理位置图

水磨坑水库建成后，大坝曾多次进行除险或安全加固，在1999—2002 年对大坝进行了两次灌浆处理，处理后大坝的渗漏情况得到了一些缓解。在2008—2012 年，再一次进行除险加固，除险加固实施后，水库安全运行得到了有效改善，迎水坡采用C25 混凝土护坡后有效减少淘刷破坏，防止坝坡变形；背水坡完善排水设施，有利于提高坝坡稳定。但针对大坝左坝段渗漏问题，坝体采用水泥土搅拌桩防渗墙防渗未达到预期效果，坝体渗漏依然严重；右坝段坝脚新设的排水沟底高程设置过高，量水堰功能丧失，无法准确测量大坝渗流量。见图2。

图2 大坝渗流现状

原设计正常蓄水位为54.38 m，校核洪水位为57.43 m，总库容为155.32 万m3，本次建设针对水库存在的安全隐患进行安全加固，并增加部分管理设施，不改变水库的功能和供水规模。主要建设内容包括：主坝安全加固、溢洪道安全加固、改造及新建输水建筑物、安全监测及自动化系统等。

2 坝体加固工程

2.1 坝体安全鉴定

水磨坑水库大坝坝体的填土力学性质不均匀，密实度处于松散～中密状态。室内土工试验和现场注水试验表明，大部分坝体属弱透水，但部分坝顶上部（0～5）m属弱透水中等透水，大坝填土渗透系数平均值为1.04×10-4cm/s，属中等透水接近弱透水。大坝马道下面跟坝基接触带存在一层厚约3.50 m 的填石层，存在极强透水现象。

水库的渗流是由于坝体与坝基接触带发生渗流并且坝脚排水沟底高程设置过高，导致渗水从沟下面土层渗出，量水堰失效。因此急需对坝体进行防渗加固。

2.2 防渗加固方案

根据大坝渗漏原因分析，结合坝址区地形地质特点并充分分析以往防渗设计资料，本次防渗处理对水磨坑水库进行联合防渗处理，形成连续的防渗体系。

混凝土防渗墙整体性好，成墙方式多样，耐久性强[6]。施工宽度最小需11 m，但成本相对较低，因此本次防渗加固措施采用低弹模混凝土防渗墙。

根据地勘资料分析，水磨坑水库坝体混凝土防渗墙布置于大坝全段，全长316.9 m，防渗墙右端与溢洪道控制段混凝土边墙连接，作为溢洪道边墙防渗刺墙，防渗墙轴线距坝轴线上游侧3 m，防渗墙顶高程为57 m（略高于校核洪水位），防渗墙厚度为0.80 m，底部伸入强风化下3 m，以便与坝基防渗帷幕更好的搭接。

防渗墙施工前须先对大坝进行加宽培厚，同时坝顶开挖至56.5 m 高程，保证混凝土防渗墙施工平台的要求。见图3。

图3 大坝防渗平面布置图

2.3 坝基帷幕灌浆

紧贴混凝土防渗墙布置单排帷幕灌浆孔，孔距为2 m。坝基帷幕灌浆深度从坝基强风化岩上限开始，深入5 Lu 线以下5 m（帷幕灌浆各孔具体深度应根据现场压水试验来确定）。为防止大坝右岸绕坝渗漏，帷幕灌浆向右岸山体延伸，延伸长度为34.40 m（包括溢洪道9.40 m 和山体25 m），水磨坑水库段帷幕灌浆长度为351.30 m。

坝基防渗帷幕灌浆需在大坝混凝土防渗墙施工完成后、防渗墙头墙混凝土浇筑前，利用其施工平台往下钻孔、灌浆，但坝体段不灌浆，灌浆结束后坝体段空孔回填水泥砂浆封孔。为使坝体防渗墙与坝基防渗帷幕连成封闭的防渗整体，坝体防渗墙与坝基帷幕灌浆间设置帷幕灌浆搭接段，搭接长度为3 m，以确保防渗墙在坝基接触位置防渗的封闭。

灌浆孔按一排布置，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三序孔施工，孔距为2 m；孔深在剖面上呈阶梯状，由左、右坝头向坝中轴方向逐渐加深，最大孔深44 m，底层灌浆压力取≥0.50 MPa，施工顺序是钻孔—→冲洗—→压水试验—→灌浆—→质检。

3 溢洪道加固工程

3.1 溢洪道安全鉴定

溢洪道位于水磨坑水库大坝右坝肩右侧山边，为开敞式溢洪道。溢洪道由进口段、陡坡段、消能防冲设施及出水渠组成，溢洪道全长190.70 m。

结合计算成果，以及现场检查情况，现状溢洪道进口控制段及泄槽段混凝土表面剥蚀严重，已露出石子，抗冲能力难以达到设计要求。溢洪道边墙为浆砌石挡墙，浆砌石挡墙勾缝砂浆已老化，抗冲能力难以达到设计要求。需进行整治重建。

3.2 溢洪道整治

3.2.1 杂草清理

溢洪道进口控制段及泄槽段杂草清理是对整个泄槽范围的杂草清除，包括泄槽底板和两侧挡墙的迎水面，清理时需斩草除根。

3.2.2 底板表面混凝土修复

整个溢洪道底板采用风钻凿除表面混凝土厚度约50 mm，清扫混凝土渣后，在溢洪道表面用风钻打孔布设间距1.0 m×1.0 m 砂浆锚筋，M15 砂浆，锚筋为Φ20钢筋，锚入长度为1.50 m，露出0.15 m 作为架立筋。砂浆锚筋施工后，用高压水枪进行冲洗、晾干。布设钢筋网，钢筋与架立锚筋绑扎，然后浇筑0.20 m 厚C30 混凝土。重新浇筑混凝土每15 m 分一条横缝，横缝采用铜片止水，沥青灌缝。

为降低钢筋混凝土底板基础的扬压力，在重新浇筑的混凝土底板上布置系统排水孔，排水孔采用风钻打孔，孔径Φ50 mm，孔深入基岩1 m，孔深2 m，采取2 m×2 m 矩形布置。

3.3 溢洪道侧墙加固

溢洪道边墙为浆砌石挡墙，浆砌石挡墙勾缝砂浆已老化。进口控制段两侧墙高3.60 m，陡坡段两侧墙高（3.30～1.70）m，消力池段及下游出水渠两侧墙高1.70 m，溢洪道左侧墙长约163 m，右侧墙长约178 m，溢洪道侧墙迎水面总面积约768 m2。处理措施：原勾缝用风钻凿除，凿缝深度为50 mm，冲洗干净、晾干后，用M15水泥砂浆勾凸缝。见图4。

图4 溢洪道加固横剖面图

施工时采用手风钻凿除溢洪道表面混凝土和侧墙勾缝，人工收拢凿除的渣，拖拉机运至溢洪道左侧堆渣场。高压水枪冲洗后，溢洪道铺设钢筋，混凝土运输采用3 m3搅拌车运输至右岸坝头。

4 输水建筑物加固工程

4.1 输水涵洞安全鉴定

坝下输水涵管位于大坝右坝段，内径400 mm 钢管外包混凝土结构，启闭设备为手电两用卷扬式启闭机。涵管长104 m，进口高程为35 m，出口高程为32.31 m，排入水磨坑河。

经过安全鉴定，启闭机动力不足，需手动协助开启，闸门等金属结构腐蚀情况轻微，转动门盖封闭效果不严；出口钢管岔口焊缝处有渗漏，出口蝶阀损坏，封闭不严，漏水严重。现状输水涵管未发现功能性缺陷，能正常输、供水；但发现输水涵管内壁出现严重锈蚀，局部管段出现严重漏水现象。输水涵管深埋在坝下，涵管病害对大坝威胁极大。

针对输水涵管存在的问题，计划新建一条输水隧洞代替原有输水涵洞，同时对原右坝的输水涵洞进行封堵处理，从而根本性解决输水建筑物的安全隐患。

4.2 输水隧洞方案

根据水磨坑水库现状的地形条件和现有枢纽建筑物布置情况，选用水库右岸洞线方案。洞线沿水库右岸溢洪道右侧山体，进水口布置于溢洪道进口右岸上游60 m 位置，出口布置于溢洪道消力池右侧采石坑，输水线路总长232.10 m。根据勘察情况，该洞线穿越的地层大部分为弱风化花岗岩，成洞条件好，不存在渗漏问题。

根据新挖输水隧洞洞线地形地质条件，新挖隧洞进水口可布置成竖井式进水口形式[7]，取水方式与加固前相同，工程及后续管理较为简单，且投资较为节省。

4.3 输水涵洞施工

本隧洞上方为高压线及高压线塔，隧洞及闸门井在大坝管理保护范围内。隧洞及闸门井不能爆破施工，因此采用“中心钻孔取芯+整个工作面钻孔使用加热膨胀劈岩+周边钻孔劈岩机人工劈岩修整”的静力爆破开挖。闸门井开挖高度为19.40 m，闸门井开挖进尺每天约0.50 m，闸门井开挖至洞底后向两头开挖。

输水隧洞完工具备过水条件后，对原坝下涵管进行全涵管段封堵。涵管位于大坝中右部，直径为0.40 m钢管（锈蚀严重），长度约125 m。输水涵管进口底高程为35 m。涵管封堵后，特别针对输水涵洞上方的坝顶以及混凝土防渗墙穿透旧涵管部分的裂隙进行灌浆，避免渗漏。

5 安全监测系统

原水磨坑大坝共布设了11 个变形观测点，其中右坝布设7 个观测点，左坝布设4 个观测点，马草龙大坝未布设。由于水磨坑大坝培厚，原有的测压管、变形观测点均不能使用，需重建。

水磨坑水库在原工程建设时即在大坝坝顶、下游坝坡位置布置有变形观测点、测压管和坝后渗漏观测的量水堰。原大坝共布设了18 个测压管，其中右坝布设2 个横断面共6 根测压管，左坝布设2 个横断面共6 根测压管，马草龙大坝布设3 个横断面共9 根测压管。

5.1 变形监测

结合本工程具体情况，观测项目主要分：坝面水平位移和垂直位移。坝体下游方向的水平位移采用视准线观测，分别在坝顶58.30 m 高程、坝顶下游马道侧各设置1 条视准线，共设2 条视准线。坝顶测点采用观测墩。各条视准线工作基点设在各自延长线的两侧山坡上，由平面控制网校测。坝轴线方向的水平位移采用全站仪用量距法观测。

5.2 渗流监测

坝体渗流是该工程面临的主要问题，在水磨坑大坝垂直坝轴线共布置5 个观测断面进行渗流监测。

为监测基础的渗透压力情况并检验混凝土防渗墙和帷幕灌浆效果，在混凝土防渗墙前布置1 个、混凝土防渗墙后布置2～3 个测压管。在混凝土防渗墙中布设4 个观测断面，通过内部观测设备对防渗墙进行应力应变和渗透压力观测。

5.3 水质自动监测系统

本次工程配置了一套水质自动监测系统，该系统集智能化和自动化为一体，通过自动在线监测仪器收集水质信息，通过现代信息网络技术传输水质信息，满足了水库对于水质安全的检测需要。

该水质自动监测系统安装便捷，占用空间小，传输数据快，与以往的监测系统相比[8]，具有人工智能自动监测功能，使用更为简单，对收集到的水质信息能够更加智能地进行分析和汇报，采用更加科学和现代化的手段去进行水环境监测对水环境管理部门做出针对性的决策具有重要意义。

6 结 语

大鹏新区发展目前处于大开发大建设的关键时期，近几年将有大批产业建成投产，产业园区的建设离不开防洪安全，最基本的防洪安全要求需要得到保证。区域经济建设的高速发展，水磨坑水库下游防护对象也随之发生变化，且日益重要。水库下游1 km 处为大鹏社区，工矿企业及人口较为密集，防洪压力大。水磨坑水库安全加固是大鹏新区供水安全和防洪安全基础设施建设的重要组成内容，是以规范化建设促进正规化管理的重要措施，符合国家关于切实治理病险水库、确保安全度汛的要求。

本工程改造实施后，水磨坑水库防洪标准可达到设计洪水标准100 年一遇，校核洪水标准1 000 年一遇，保证了当地人民生命财产安全，满足了区域现状及城市规划的防洪安全要求。工程建成后应加强水库管理[9]，保护库区生态，防止水土流失，定期进行水质检测分析，定期对水工建筑物进行检修，以确保水质和大坝安全。