小型水库除险加固设计方案分析——以张寺水库为例

童琦媛，胡金杰，王福生，翁明皓，纪 伟

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001)

作为我国重要基础设施之一，水库能够在防洪、灌溉、发电、供水等方面发挥巨大效益，属于水利建设中的重点工程。根据国务院常务会议精神和国务院办公厅《关于切实加强水库除险加固和运行管护工作的通知》(国办发〔2021〕8号)要求，“十四五”期间，水库除险加固的主要目标任务是，到2025年底，全部完成现有病险水库的除险加固任务。我国大多数水库兴建于20世纪50—70年代，由于受当时经济和技术条件的制约，普遍存在建设标准偏低问题，经过几十年运行，老化失修严重，病险问题普遍存在，严重制约水库功能和效益正常发挥[1]。

在江苏省，与大、中型水库相比，小型水库量大面广，约占水库总数的95%[2]。近年来，小型水库的安全问题日益突出。带病运行的小型水库，通常是多病险问题共存，例如大坝防洪能力不足、坝体填筑质量差存在渗漏、缺乏泄洪和放空设施、坝体单薄稳定性差、缺乏管理监测设施[3-4]等，此类水库一旦发生险情，将对水库下游的村庄、城镇、交通要道等造成难以估量的影响。本文针对水库现状存在的工程问题，同时结合近年来镇江市对小型病险水库除险加固设计、施工等工作经验，对丹徒区张寺水库的除险加固方案进行设计，以排除安全隐患，保证水库的安全运行。

1 水库现状及存在的问题

张寺水库位于镇江市丹徒区西北侧，宜城街道长山村境内，属太湖湖西流域。水库汇水面积3.23km2，总库容197.49万m3，工程规模为小(1)型。水库于1975年始建以来，未进行过系统的除险加固。

2018年10月，丹徒区人民政府以镇徒政办收〔2018〕669号文批复了开展丹徒区水库大坝安全鉴定的工作。张寺水库为本次鉴定小水库之一，其水库大坝被评定为三类坝。三类坝是指大坝实际抗御洪水标准低于水利部颁发的水利枢纽工程除险加固近期非常运用标准，工程存在严重的质量问题，影响大坝安全，是不能正常运行的坝。三类坝的水库列为病险水库，是当前急需加固的对象[5]。

水库存在的主要病害问题如下。

(1)大坝。迎水坡平台及以下块石护坡松动、局部勾缝砂浆风化、脱落及块石风化等现象严重；坝脚纵向排水沟局部坍塌、破损，排水不畅。

(2)溢洪道。溢洪闸浆砌石挡墙局部有砂浆脱落、块石风化现象，溢洪闸闸门调度功能丧失、无法满足水库控制运用要求；下游陡坡段、消能段浆砌石局部塌陷、砂浆脱落。经复核计算，溢洪道防渗长度、下游消能防冲设施不满足要求；控制段浆砌石边墩、翼墙稳定性不满足要求。

(3)输水涵洞。现状输水涵洞井筒悬臂梁存在混凝土剥落，钢筋外露锈蚀；涵洞进水不畅，井筒施工缝间漏水，出口未设消力池；输水涵洞闸门喷漏水严重，启闭机各零部件老化。经复核计算，涵洞洞身过流能力不满足设计要求，未设消力池，现状砌体结构整体性差；涵洞洞身为直径Φ60cm预应力管，管缝之间采用泥包封堵，对抗震不利，且不利于检修、管理。

(4)管理与维护。缺乏必要的管理、监测设施；管理房外立面破旧，门窗损坏严重，屋内堆放杂物、垃圾，安全性等级低。

2 水库除险加固设计方案

依据张寺水库安全鉴定结论，大坝为三类坝，需要进行除险加固。

结合张寺水库存在的工程问题，本次除险加固方案如下。

2.1 大坝除险加固方案

水库大坝现状迎水坡平台以下为干砌块石护坡后灌混凝土浆(灌砌块石)，平台以上至坝顶采用混凝土护坡；背水坡为草皮护坡。

针对大坝现状存在的问题，本次采用的加固方案为：对迎水坡护坡进行维修加固，对背水坡清表、清杂，整理边坡后铺设草皮护坡，并增设排水和反滤设施。

2.1.1迎水坡加固方案

本次迎水坡加固方案初步拟定了3种方案：①将原护坡全部拆除，并重新浇筑素混凝土护坡；②原迎水坡平台以上至坝顶的素混凝土护坡维持现状不变，灌砌块石平台及平台以下灌砌块石护坡整理后，加铺碎石找平，再加铺素混凝土护坡；③灌砌块石护坡、平台以及素混凝土护坡均维持现状不变，对原灌砌块石护坡与平台进行清理冲洗、去除风化的块石，重新填石整平后再勾缝灌浆处理。对上述3种方案进行比选，比选结果见表1。

表1 迎水坡加固方案比选

综合上述比选，考虑施工方案与投资造价，并结合现场检查情况，现状平台以上素混凝土施工质量较好，最终推荐方案2为迎水坡加固方案。

迎水坡加固方案为：原迎水坡平台高程35.97m以上至坝顶的素混凝土护坡维持现状不变，灌砌块石平台及平台以下至高程33.47m灌砌块石护坡整理后，加铺碎石找平，再加铺厚0.10mC25素混凝土护坡。坡脚采用抛石固脚。

2.1.2背水坡加固方案

背水坡表层清表后覆土夯实，背水坡维持现状一、二级平台及坡比不变，坝顶至坝脚均采用草皮护坡。背水坡每隔50m设横向排水沟，一、二级平台和坝脚内侧设纵向排水沟。

2.1.3大坝渗流与抗滑稳定计算

根据规范[6]的规定，考虑最不利情况，选取最大坝高处的断面K0+346，对其渗流与抗滑稳定进行计算。

渗流稳定计算选取4个工况，分别为正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位、水位骤降期。经计算，各工况下的大坝渗流稳定均满足规范要求，计算成果见表2。

表2 大坝渗流稳定计算成果表

抗滑稳定计算选取6个工况，分别是正常运用条件(正常蓄水位、设计洪水位)、非正常运用条件Ⅰ(校核洪水位、水位骤降期、施工期)、非正常运用条件Ⅱ(正常蓄水位遇地震)，张寺水库工程等别为Ⅳ等，当采用简化毕肖普法时，坝坡抗滑稳定最小安全系数K分别取1.25(正常运用条件)、1.15(非正常运用条件Ⅰ)、1.10(非正常运用条件Ⅱ)。

经计算，各工况下的大坝抗滑稳定均满足规范要求，计算成果见表3。

表3 大坝边坡稳定验算成果表

2.2 泄水建筑物除险加固方案

溢洪道现状为带闸门控制，闸边墩及中墩均为浆砌石结构，底板为细石混凝土结构，采用钢筋混凝土闸门，配2×5T螺杆启闭机。

针对溢洪道现状存在的问题，本次采用的加固方案为：拆除原溢洪闸，原址新建开敞式溢洪道；加长进、出口段护砌长度，并拆建原消力池。

经相关资料的收集和分析，张寺水库的汛限水位与正常蓄水位一致(注册登记资料)，经过多年的调度运行，溢洪道控制段闸门不再具备蓄水功能，故将现有溢洪闸拆建为开敞式溢洪道。

确定溢洪道溢流堰堰型时，选取宽顶堰与实用堰2种堰型进行比选，两者均为常用堰型，比选结果见表4。

表4 堰型方案比选

综上考虑，最终采用宽顶堰。

控制段采用开敞式宽顶堰，结构为钢筋混凝土结构，共1孔，净宽4.5m。控制段底板厚0.50m，顶板厚0.40m，两侧边墩厚0.60m，垂直于水流方向宽5.7m，沿水流方向长8.0m。底板高程为37.11m，桥面高程为42.51m，桥面净宽5.0m，两侧设混凝土栏杆。控制段上游设进水口，下游设消力池。

2.3 输水建筑物除险加固方案

输水涵洞现状采用井筒启闭，洞身采用直径φ60cm预应力管，闸门采用0.6m×0.6m铸铁闸门1扇，配5T螺杆启闭机一套。

针对输水涵洞现状存在的问题，本次采用的加固方案为：拆除原输水涵洞，原址重建，并增设消力池。

在对地勘资料进行深入分析的基础上，发现涵洞洞身基底大部分位于①号素填土层，该层土为筑坝时人工挑筑而成，土料质量有差异，压实度和均匀性较差，坝体填筑质量不良，不适宜作为持力层，且为防止涵洞基础的不均匀沉降，需进行地基处理。在确定地基处理方案时，选取了2种方案进行比选：①基础土层换填(15%水泥土)；②木桩基础。比选结果见表5。

表5 涵洞基础加固方案比选

综合上述比选，本次设计采用方案二，即采用木桩基础。

涵洞控制段接钢筋混凝土竖井，竖井内配0.8m×1.2m(宽×高)检修和工作闸门各1扇，竖井上设启闭机房，配2套5T手电两用螺杆式启闭机，并配有电源，启闭机房与大坝之间采用工作桥连接。涵洞洞身采用钢筋混凝土箱涵，断面尺寸0.8m×1.2m(宽×高)，涵底高程32.47m，出口接消力池。涵洞洞身基础采用木桩加固。

2.4 管理与监测

拆建管理房；新建巡查便道；增设变形、渗流观测点；坝身白蚁防治；新增水雨情预报系统等监测设备；增设大坝管理标牌。

3 水库除险加固设计经验总结

在小型病险水库除险加固工程中，设计工作是其中一项基础环节，设计成果的好坏将直接影响除险加固工程的成效，因此在前期设计时应注意以下问题。

(1)收集资料，充分考虑各项因素。在设计前期，基础资料的收集，尤其是最近一次的水库除险加固(或消险)、安全鉴定等资料，可以使设计人员快速了解水库的基本情况；另外，水库的测量、地勘、降雨水文等资料，也需要充分地分析，分析水库的地质情况、土层分布、水文活动和分布情况、施工条件等，这些基本因素将直接影响设计成果。

(2)深化设计，针对现状问题采取合适的除险加固方案。在全面掌握收集的资料和充分分析各项影响因素的基础上，对病险水库的除险加固工程制定一个全局的方案。同时，结合安全鉴定资料，针对水库存在的各个问题，通过方案比选采取合适的加固方案设计。例如若大坝防洪能力不足，则需要进行加高大坝；若坝体存在渗漏，则需要进行防渗加固；若泄水或输水建筑物结构老化，则需要加固或者拆除重建；若缺少相应的管理、监测设施，则需要增加等。

(3)严格把关，控制项目质量。设计过程中，设计人员不仅需要根据相关规范要求控制约束工程项目质量，保障除险加固设计的合理性、科学性，更要在工程施工过程中，与各参建方通力合作，及时处理施工中出现的问题，不耽误施工进度，对于遇到的疑难杂症，需要共同商讨解决方案，同时还要做到严格把关，保证工程质量符合设计和规范要求，确保完成水库除险加固的目标。

4 结论

张寺水库作为病险水库，存在较大的安全隐患，为保障水库的安全运行与下游人民的生命财产安全，切实做好除险加固工作是十分重要的，而方案设计工作作为水库除险加固工程的重要基础环节，对其除险加固的成效有着至关重要的作用，设计中通过综合比选最终确定的方案需要具有针对性、合理性、科学性，并符合相关规范的要求。

工程实践表明，水库的各项除险加固措施均达到了设计目的，有效地排除水库的安全隐患。在工程完成后，水库能够平稳安全运行、充分发挥效益，保障了水库的安全，避免或减少因水库险情而对国民经济造成的损失，进而维护社会的稳定。