汪守先

（貴州省遵義縣水利局 貴州遵義 563100）

1 主要存在的問題

目前的山區(qū)小二型病險水庫大都建于 20世紀50～60年代，50～60年代的工程大都在全國性的建設熱潮中應運而生，有的未經(jīng)嚴密的勘測設計。70年代的部分工程又是邊勘測邊設計邊施工的“三邊工程”。總的來看，工程大多未嚴格按相關技術規(guī)范施工，且以人力施工為主，填筑質量較差，再加上長期運行，多年來沒有進行大的維護，水庫普遍存在著抗洪能力不足、大壩滲漏、壩坡塌陷、溢洪道和放水設施損毀等現(xiàn)象。這些問題基本可以從遵義縣西坪鎮(zhèn)的山岔溝水庫這一典型案例中得以體現(xiàn)。

1.1 水庫抗洪能力不足

山區(qū)小二型病險水庫存在的第一個大問題是工程抗洪能力不足，主要是設計和校核洪水不能達到規(guī)范要求，主要表現(xiàn)在壩高不夠和溢洪道過流能力不足。

山岔溝水庫原洪水標準不詳，采用20年一遇設計洪水、200年一遇校核洪水進行復核，以現(xiàn)狀泄洪設施進行調(diào)洪計算，水庫需要的總庫容為22.70萬 m3，而水位達現(xiàn)狀壩頂時庫容僅 17.87萬 m3。大壩200年一遇洪水流量為34.13 m3/s，而其溢洪道現(xiàn)狀泄洪流量最大僅 6.23m3/s，泄洪能力不足 5年一遇。

1.2 大壩滲漏

山區(qū)小二型病險水庫存在的第二個問題是水庫滲漏，包括庫區(qū)滲漏和壩區(qū)滲漏兩方面，且以后者為多。壩區(qū)滲漏包括繞壩滲漏和壩體滲漏兩方面，一般以壩體滲漏為主。滲漏的原因主要在兩個方面：一是地質的問題，斷層、溶洞、裂隙發(fā)育的地區(qū)自然為繞壩滲流創(chuàng)造了條件，風化破碎的巖體和透水地基也成為壩基滲漏的誘發(fā)因素；二是施工的問題，土石填筑質量的好壞和密實度的高低也決定了壩體滲漏程度的大小，一些壩體施工時未做好防滲結構，壩心墻或斜墻結構較差，甚至有的均質土壩根本就沒有防滲結構。

山岔溝水庫的滲漏也來自地質和施工兩個方面。從工程地質看，區(qū)內(nèi)主要分布著白云巖與碳酸鹽巖，巖層含水性較強，地下水較為豐富，且地下水類型以碳酸巖類巖溶水為主；壩址區(qū)出露地層為灰白色中厚層白云巖及角礫狀白云巖，巖層發(fā)育小的空隙、巖溶、溶隙，無相對良好的隔水層；壩址河床底部的寒武系中-上統(tǒng)婁山關群白云巖本身是透水基礎。從工程施工看，水庫大壩為均質土壩，建壩時技術力量不足，未經(jīng)正規(guī)設計，為 1958年群眾自行投工建設，施工質量差。其施工缺陷主要表現(xiàn)在：建壩時未將河床第四系覆蓋層和基巖強水化層徹底清除，壩體填筑材料不均，填實不均勻，且填筑質量差，壩體土料在長期水力作用下，其物理性能發(fā)生變化。以上原因直接導致了壩體、壩基接觸帶、壩基的嚴重滲漏。

經(jīng)現(xiàn)場觀察，其主要滲漏點有兩處，一是位于下游壩趾左部坡腳偏上的 W1（出露高程為909.70m ），正常水位時，估計滲漏量為 2L/s，高水位時滲漏量更大；二是位于下游壩趾中部偏上的W2（出露高程為909.10m ），枯水時滲漏量為3L/s，高水位時滲漏量為 5L/s 。另外，壩體下游坡腳存在面積約 486 m2的常年浸潤區(qū)（最高出溢點高程909.70m），枯水時滲漏量2L/s，隨水位的升高而增大。

經(jīng)過安全復核，大壩壩體滲漏區(qū)最高點出溢高程 909.70m，雖然低于計算出溢點高程 911.86m，但從枯水期到豐水期的實際總滲漏量 7～9L/s,遠遠大于正常水位時計算滲流量 0.445 L/s，故滲流不穩(wěn)定。大壩滲漏量隨水位的增高而增大，且有逐年增大趨勢，嚴重危及大壩安全。

1.3 壩坡不穩(wěn)定

山區(qū)小二型病險水庫存在的第三個問題是壩坡不穩(wěn)定。這類水庫的壩型以土石壩居多，其中又以均質土壩為主。上下游壩坡較陡，不滿足抗滑穩(wěn)定要求。

山岔溝水庫上游現(xiàn)狀壩坡為1:1.51，利用瑞典圓弧法進行穩(wěn)定安全復核，正常運用情況上游壩坡（最危險滑?。┓€(wěn)定最小安全系數(shù)計算值為1.05，小于規(guī)范規(guī)定值 1.15， 故壩上游坡不能滿足穩(wěn)定要求。

1.4 其它

山區(qū)小二型病險水庫存在的其他問題：

（1）不少大壩上游面無護坡設施，壩坡凹凸不平，浪蝕嚴重，局部凹陷，上游壩坡抗風浪能力不能滿足要求；

（2）一些大壩放水涵洞滲漏，放水設施老化或損壞，不能正常發(fā)揮作用，影響大壩安全。

這些問題同樣出現(xiàn)在山岔溝水庫，經(jīng)過安全復核，壩面抗風浪能力不滿足規(guī)范要求，壩左段涵洞洞身早已斷裂堵塞，垮塌破壞，不能正常通水，放水涵洞多年的滲漏問題一直未解決，正常水位時總滲漏量約5L/s，放水閘老化，不能正常發(fā)揮作用。

2 除險加固設計

2.1 水文計算

山區(qū)小二型水庫多處在中等河道的支流和小河道的干流上，一般暴雨發(fā)生在5～8月,受山區(qū)地形地貌影響，易發(fā)生強度大、量級大、歷時較短的災害性暴雨。受暴雨特性及流域特性的影響，水庫洪水具有陡漲陡落、峰高集中的特征。大部分小二型水庫所在流域無水文站、氣象站和雨量站，設計暴雨只有根據(jù)各省《暴雨洪水計算實用手冊》查值計算。洪水根據(jù)各省修訂公式和各省大壩安全鑒別洪水簡化計算公式計算。采用不同的經(jīng)驗公式，洪峰流量計算數(shù)值相差大，積雨面積大時有必要利用多種方法進行比較。

經(jīng)計算，山岔溝水庫校核和設計狀況洪峰流量Qp分別為 34.13m3/s和 21.72 m3/s，洪量分別為37.15萬m3和21.35萬m3。利用安全復核的庫容曲線，依據(jù)溢洪道進口設計溢流寬7.50m進行調(diào)洪演算，水庫除險加固調(diào)洪成果為：校核和設計狀況下最大下泄流量分別為30.9 m3/s和19.1m3/s ；最大溢流水深分別為1.88 m和1.36m；除險加固總庫容19.03 萬 m3。

2.2 大壩設計

2.2.1 壩頂加高加固

（1）壩頂加高。壩頂高程為特征洪水位加超高所得的最大值，超高一般根據(jù)相關風浪要素計算出的風浪雍高和爬高來決定，小二型水庫工程大壩的超高，計算值一般偏小，其值至少取1.5m。

經(jīng)計算，山岔溝水庫正常運用條件和非常運用條件下大壩超高為1.66m和1.23m，壩頂高程計算值最大為 921.51m，由于它是非常運用情況下的結果，而非常運用情況下的超高偏小，故壩頂高程擴大19cm,按921.70m計。大壩設1.2m高防浪墻，即墻頂高程為壩頂高程，而防浪墻腳高程為實際壩頂高程920.50m,它比校核洪水位高出0.22 m,完全滿足要求。

（2）壩頂整治。小二型病險水庫大壩壩頂大都不規(guī)整，高低不平，寬窄不等，甚至壩高不滿足要求，需要平整或填筑夯實加高。

山岔溝水庫大壩設計壩頂寬4.3m，按照設計壩頂高程，現(xiàn)狀壩頂需加高0.8m，并于其頂部設防浪墻。先按設計高程建防浪墻，再將壩頂開挖清基成形，然后回填黏土夯實至 920.00m高程，用 M7.5漿砌石按 0.4m×0.3m斷面嵌防浪墻以外的三邊，砌體上部再用C15混凝土護面厚10 cm，內(nèi)部用50cm厚3:7泥石結構夯實。

2.2.2 壩面整治加固設計

壩坡結構穩(wěn)定分析。在安全復核現(xiàn)狀壩坡不穩(wěn)定的情況下，必須重新擬定壩坡比。為了保證設計的壩坡結構穩(wěn)定，必須進行抗滑穩(wěn)定驗算。壩坡穩(wěn)定計算方法采用有效應力法，根據(jù)壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)K的大小來決定大壩是否安全。小二型水庫工程為IV等工程，大壩為5級建筑物，根據(jù)SL274－2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》規(guī)定，采用不計土條間作用力的瑞典圓弧法時，壩坡抗滑穩(wěn)定安全標準為：正常運用條件K ≥1.15；非常運用條件K ≥1.05。

山岔溝水庫現(xiàn)狀上游壩坡不穩(wěn)定，根據(jù)設計新擬定的1:1.7的壩坡進行計算，正常運用情況上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)計算值 1.16大于規(guī)范規(guī)定值，滿足要求；非常運用情況上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)計算值 1.28大于規(guī)范規(guī)定值，完全滿足要求，故壩上游坡穩(wěn)定。

（2）大壩滲漏分析。大壩滲漏分析的目的，是為了對滲流穩(wěn)定進行校核，以決定是否采用防滲措施，從而決定排水體的型式和高度。滲漏計算一般包括壩體和壩基，在沒有排水設施時，求出在正常水位和死水位兩種情況下壩體單位壩長滲漏量q壩和壩下游滲流溢出點距壩趾的高度以及壩基透水層單位壩基滲漏量q基，再求出大壩單位壩長總滲漏量最大值和大壩浸潤線方程，并畫出浸潤線。

據(jù)計算，山岔溝水庫大壩在沒有排水設施時，壩下游滲流溢出點比壩趾高出的最大值a0為360cm,即新建排水體至少要達 911.3m高程處才能滿足要求。大壩單位壩長總滲漏量最大值為0.0810cm3/s/cm，即 0.7 m3/d/m，大壩浸潤線方程Y=(1.62x+12.96)1/2。

（3）壩面整治。大壩壩坡抗滑穩(wěn)定不滿足則要求降緩邊坡，上游壩抗風浪能力不滿足要求則要求設置砌石或預制混凝土塊護面，下游壩面也應做好框格護坡和排水體。

山岔溝水庫大壩現(xiàn)狀上游壩面未護坡，受風浪浸蝕破壞嚴重，且壩坡抗滑穩(wěn)定不滿足要求。本次設計采用 C15混凝土預制塊按設計降緩了的坡度1:1.7護面，護面厚度按 SL274－2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》附錄公式計算為10cm。

施工中先應消除壩坡松散土體，再回填土料夯實至設計壩坡，在907.7～910.0m處設1.5m厚漿砌石護坡墻，910.0～919.4區(qū)鋪設0.2 m厚的碎石墊層后，再安砌混凝土預制塊。

下游壩坡的處理。先清除松散土體，再用土料回填夯實至設計壩坡后，進行框格和草皮護坡。并在壩面計算滲流溢出點高程以下設排水體，以降低浸潤線。

2.2.3 大壩防滲

小二型病險水庫的壩體壩基滲漏居多，在滲流不穩(wěn)定的情況下都要進行防滲處理。防滲處理的方式，一是帷幕灌漿；二是壩面鋪蓋防滲；三是整治原防滲結構。一般以第1種效果最好。壩基和壩體都滲漏的情況，用第1種方式；只有壩體滲漏的情況，用第2種方式；只有局部防滲體滲漏的情況，用第3種方式。

山岔溝水庫壩體、壩基接觸帶、壩基嚴重滲漏，設計采用帷幕灌漿的辦法進行防滲處理，作如下灌漿設計：

（1）防滲標準采用巖體的透水率q≤5Lu，設計防滲帷幕的底界和邊界限為壩基以下6m，底界高程控制在901.70m。

（2）帷幕按單排且沿壩軸線布置，帷幕線總長90m，孔距按3m設計，按3序次施工，以A5#、A25#為先導孔。

（3）壩體帷幕壓力控制在0.05～0.1MPa；接觸帶壓力控制在0.1～0.15MPa；接觸帶以下巖基內(nèi)鉆孔每加深1m壓力增加0.05 MPa；基巖灌漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。

（4）壩體灌漿采用黏土水泥漿，其配合比為水泥占干料總重量的 15%，基巖采用合格且標號至少為425#的普通硅酸鹽水泥進行灌注，水泥顆粒細度要求通過80μm方孔篩，其篩余量小于5%。

2.3 溢洪道設計

2.3.1 形式及布置

小二型病險水庫的溢洪道大多為岸坡正槽和側槽式布置，一般過流能力都不足，主要是溢流前沿偏小，為了增大過流能力，可采用改變堰型和加長溢流堰前沿的辦法。在集雨面積較大時，地形條件不容許加寬進口段的情況下，正槽式進口布置必須改成側槽形式，有時泄槽也必須同時加寬。泄槽隨原坡降盡量布置得陡一些，以降低側墻高度。消能工分消力池和挑流鼻坎兩種，壩下游緊接河道或荒坡一般選用挑流消能；壩下游緊接農(nóng)田宜采用消力池消能。目的都是讓洪水遠離壩腳。

山岔溝水庫溢洪道原為正槽式布置，設計形式不變。設計由進水段、漸變段、泄槽、消能段三部分構成。

原進口無堰，設計為實用堰，其堰頂曲線為弧線，設計溢流堰前沿長 7.50m，上游堰面垂直，總堰高0.60m。堰后緊接長4m的漸變段，底部起始寬7.5m，末端寬 5.50m，漸變段后緊接兩段泄槽，第一段長37.71m，坡比i1=1/200；第二段長6.08 m，坡比i2=1/6。根據(jù)地形特點，泄槽尾部設計采用挑流方式消能，水流直接挑入下游。消能段水平方向長1.63m，挑角為20o，反弧半徑R=3.0m，鼻坎高程為915.34m。

2.3.2 溢洪道水力設計

溢洪道水力設計包括各結構段水面線計算和尾部消能計算。側槽溢洪道水力計算的關鍵是側槽水面線，正槽溢洪道水力計算的關鍵是泄槽水面線。

（1）泄槽計算。溢洪道設計流量為庫校核情況下計算的下泄洪水流量。山岔溝水庫P=0.5%校核洪水流量QP為30.9m3/s，故其溢洪道設計流量為該值。計算得泄槽臨界坡ik=1/240，泄槽實際坡度i1、i2均大于此值，故泄槽為陡坡，其水面線及各特征斷面未摻氣水深按能量公式計算。根據(jù)未摻氣水深可求出摻氣水深和轉彎處水深，最后根據(jù)泄槽摻氣水深、轉彎處水深和超高決定泄槽各段側墻高度。

經(jīng)計算，第1泄槽段起始斷面、彎道末端、槽末斷面和第2泄槽段末，摻氣水深h分別為1.35、0.83、0.73、0.63m。第 1泄槽段彎道末端水深為1.47m，第 1泄槽段彎道末端、槽末斷面和第二泄槽段末，摻氣水深分別為1.57、0.79、0.69 m。第1泄槽段起始斷面到彎道末端側墻高 2 m；彎道末端到第1泄槽段槽末側墻高2～1.3m；第二泄槽段側墻高1.3～1.2m。

（2）消能安全計算。經(jīng)計算，水流挑射最大沖坑水墊厚度tk為4.0 m，沖刷坑深度tk'為2.50m，安全挑距[L1]為2.5tk'，即5.25 m，挑流鼻坎計算水流最大跳距L1為6.88m，此值大于安全挑距，故挑流安全。

2.3.3 結構設計

小二型病險水庫的溢洪道結構，為了穩(wěn)定，若其靠壩一面臨空，側墻多采用重力式砌石結構。土基開挖出來的溢洪道，墻采用等厚砌石結構，墻內(nèi)側均用混凝土防滲；完全從基巖開挖出的溢洪道，則用混凝土護面。

本次除險加固拓寬現(xiàn)有溢洪道4m，側墻和底板均采用C15混凝土防滲，底部為未風化基巖，不需要作墊層。消能工側墻結構與泄槽相同，厚0.4 m。墻頂水平，底部趾墻嵌入基礎 1.1 m，其中嵌入巖基至少0.5 m。

2.4 放水設施改造

2.4.1 水力設計

此處水力計算的目的是確定放水涵管的管徑和放水閘的大小。根據(jù)灌溉面積的大小決定涵管的最小流量，再根據(jù)涵管最小流量和最小工作水頭，通過有壓管流公式計算出管徑的大小。

山岔溝水庫灌溉面積為43.33hn2，涵管最小流量為 0.065m3/s, 計算管徑為 0.21m,取 D=0.30m，原涵管過水斷面凈寬0.5m是恰當?shù)?。選用?315PE管，管壁厚度23.2mm，壓力PN1.0。

2.4.2 放水設施改造

放水設施的改造，一般都是在現(xiàn)狀的基礎上或維修或重建或更換。涵洞滲漏的要對局部進行防滲處理，不能處理的可以改為管道，難以穿管的要從壩頂開挖重建。閘門老化失靈的要更換。

山岔溝水庫放水涵洞嚴重滲漏，原因不明，難以對局部進行處理，影響大壩安全運行。設計采用Ф315PE管來代替現(xiàn)有涵管，待安裝完畢后，對涵洞四周用C15混凝土進行封堵。更換原放水控制設施為ф300雙向轉動閘門。

3 施工重點

3.1 壩體填筑

上、下游壩面施工包括壩體松散土石的清除、壩體土料填筑、漿砌石砌筑等。壩體填筑土料要不含表層雜物，填筑石料要不含表層覆蓋層及雜物。

先按照設計要求挖除上、下游壩坡松動的土料，上游壩坡回填碎石墊層夯實后再安砌混凝土預制塊。上、下游壩面施工按《碾壓式土石壩施工技術規(guī)范》進行。上游壩面的混凝土預制塊安砌和壩頂漿砌防浪墻施工均以人力為主，漿砌石施工應按照《漿砌石施工技術規(guī)范》進行。

3.2 溢洪道砌體和混凝土施工

溢洪道施工包括土石方開挖、漿砌石拆除、漿砌石砌筑及混凝土澆筑。溢洪道施工按照設計要求拆除現(xiàn)有部分側墻，開挖至設計斷面后，才能澆筑混凝土底板和漿砌石側墻。漿砌石施工應按規(guī)范的要求進行，混凝土施工按照最新《水工混凝土施工規(guī)范》進行。

3.3 大壩灌漿

3.3.1 鉆孔

帷幕灌漿鉆孔應遵循以下要求：

（1）開孔高程用儀器測量，孔位位置與設計位置誤差不得大于10cm；

（2）采用硬質合金鉆進，開孔孔徑為110mm，終孔孔徑91mm，檢查孔孔徑不得小于91mm；

（3）因最大孔深未超過20m，鉆孔允許偏差值控制在0.2m以內(nèi)；

（4）各鉆孔巖芯采取率不得低于80%。

3.3.2 鉆孔沖洗

在進行壓水試驗或灌漿前，需對鉆孔進行沖洗，沖洗壓力可為灌漿壓力的70%～80%。具體要求：

（1）鉆孔底部殘留巖屑不得超過20cm；

（2）孔中返清水，肉眼觀察無沉淀物，沖洗即可結束，并做好記錄；

（3）沖洗完每10分鐘觀測一次地下水位（包括管內(nèi)外水位），孔內(nèi)水位連續(xù)三次讀數(shù)的變化幅度均小于1cm/min時，觀測即可結束。

3.3.3 灌漿濃度變換標準及結束標準

灌漿濃度變換標準及結束標準：

（1）漿液濃度水灰比及其改變標準應滿足灌漿施工規(guī)范要求；

（2）灌漿中吸漿量很大時可加速凝劑；

（3）灌漿若因故中斷，時間大于30分鐘以上，應重新洗孔后再進行；

（4）在規(guī)定的壓力下，當注入量＜0.4L/min，延續(xù)時間 30分鐘以上，灌漿即可結束。但每灌漿段的灌漿時間不應少于1小時。

3.3.4 封孔

封孔的回填材料可用水泥和砂，砂需洗凈，粒徑1～2mm，砂約為水泥的0.5～1倍，水灰比等于或小于 1，以使水泥具有適當?shù)牧鲃有?，而砂粒又不致很快沉淀為原則。封孔方法建議采用機械壓漿法。

4 治理效果

4.1 運行觀測

山岔溝水庫除險加固工程于2009年7月竣工驗收合格，至今已運行兩年多。經(jīng)持續(xù)觀測，壩體、壩基和涵洞已無滲漏，壩面未發(fā)生任何深陷和滑移，溢洪道運行正常，大壩樞紐一切安全正常，病險得以排除，治理達到了預期的效果。

4.2 社會經(jīng)濟效益

山岔溝水庫除險加固后，恢復灌溉面積56.67hm2（全為田)。若農(nóng)田大季種水稻，小季種油菜，復種指數(shù)1.8，水利分攤系數(shù)0.45，經(jīng)計算，田地每年增加效益 16.1萬元。此工程的建設，不但實際經(jīng)濟效益顯著，同時因上壩公路的新建，也促進當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展。