熊 巖

(秭歸縣水利和湖泊局，湖北 宜昌 443600)

水庫(kù)為攔洪蓄水和調(diào)節(jié)水流的水利工程建筑物，可用于灌溉、發(fā)電、防洪和養(yǎng)魚。水庫(kù)一般建設(shè)在山溝或河流的狹口處，形成具有攔河功能的人工湖泊。水庫(kù)由大壩、溢洪道和放水建筑物組成?？梢园凑諑?kù)容的大小劃分為小型、中型和大型。存在危險(xiǎn)因素的水庫(kù)被稱為病險(xiǎn)水庫(kù)，為汛期順利度汛帶來隱患[1]。病險(xiǎn)水庫(kù)的成因主要是水庫(kù)設(shè)施老化、水庫(kù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低等，導(dǎo)致壩體滲水、壩身薄弱等現(xiàn)象出現(xiàn)。病險(xiǎn)水庫(kù)除了滲水問題外，還存在水庫(kù)整體結(jié)構(gòu)安全性不足的問題，對(duì)于小型病險(xiǎn)水庫(kù)，由于多種病害的影響，自身結(jié)構(gòu)安全存在壩坡過于陡峭、壩體不穩(wěn)定等問題。使得水庫(kù)在汛期無法實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能，對(duì)人民的居住環(huán)境，甚至生命財(cái)產(chǎn)造成威脅。

開展小型病險(xiǎn)水庫(kù)的除險(xiǎn)加固，提高水庫(kù)的防洪能力，是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)開發(fā)利用的需要[2]。病險(xiǎn)水庫(kù)的除險(xiǎn)加固包括大壩的加固、溢洪道的加固以及防水設(shè)備的加固。在工程的實(shí)施過程中會(huì)因設(shè)計(jì)方案以及施工條件等因素而產(chǎn)生一定的問題，這些問題導(dǎo)致加固工程不能達(dá)到預(yù)期效果，致使水庫(kù)依舊存在潰堤的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決上述問題，提出小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固技術(shù)的常見問題分析，并針對(duì)現(xiàn)階段存在的問題對(duì)加固工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而保證水庫(kù)的運(yùn)行安全。

1 小型病險(xiǎn)水庫(kù)加固設(shè)計(jì)常見問題

通過調(diào)查中國(guó)部分地區(qū)小型病險(xiǎn)水庫(kù)已經(jīng)完成和正在進(jìn)行的除險(xiǎn)加固工程，可以提取出現(xiàn)階段各個(gè)地區(qū)在水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，并按照問題難度進(jìn)行整合[3]。

1.1 小型病險(xiǎn)水庫(kù)原始資料不足

小型病險(xiǎn)水庫(kù)的原始資源包括建筑資料、歷史降水資料、水文地質(zhì)資料等。中國(guó)大部分水庫(kù)建設(shè)時(shí)間較早，在水庫(kù)的建設(shè)過程中沒有嚴(yán)格的監(jiān)督規(guī)范，缺乏完善的水庫(kù)管理體制，因此現(xiàn)階段小型水庫(kù)的原始資料不足[4]。這一問題增加了病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的難度，致使小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案不合理。另外水文資料的缺失會(huì)影響對(duì)水庫(kù)洪水水文的準(zhǔn)確分析與判斷，無法將除險(xiǎn)與加固工作量化，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果無法達(dá)到預(yù)期。

1.2 設(shè)計(jì)方案科學(xué)性與合理性不強(qiáng)

小型病險(xiǎn)水庫(kù)的除險(xiǎn)與加固設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在設(shè)計(jì)與實(shí)施的過程中需要針對(duì)水庫(kù)的實(shí)際情況，在考慮多個(gè)影響因素的情況下，制定具有針對(duì)性的加固方案，以提升除險(xiǎn)加固方案的應(yīng)用效果。當(dāng)前，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)由于重視程度不夠，經(jīng)常憑借先前的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)具體的加固方案，并沒有結(jié)合水庫(kù)運(yùn)行的實(shí)際情況，也沒有全面分析水庫(kù)病險(xiǎn)的具體問題，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案不科學(xué)[5]。實(shí)用性不強(qiáng)，方案內(nèi)容也不夠具體，無法達(dá)到整治效果。

1.3 水庫(kù)加固設(shè)計(jì)、施工方案與加固實(shí)際情況不符

由于小型病險(xiǎn)水庫(kù)的數(shù)量較多，因此水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作的任務(wù)量較大，許多地區(qū)的施工技術(shù)較為薄弱，同時(shí)也沒有足夠人力與物力資源支持，因此加固設(shè)計(jì)的施工質(zhì)量無法得到保障[6]。一般來講水庫(kù)加固設(shè)計(jì)按照水庫(kù)的結(jié)構(gòu)可以分為大壩、溢洪道、放水設(shè)施3個(gè)部分，針對(duì)不同部分指定不同加固設(shè)計(jì)和施工方案，但受到實(shí)際施工工藝與施工時(shí)間限制，在病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固完成后，依舊存在一定程度上的大壩滲漏、裂縫等問題。

1.4 基礎(chǔ)設(shè)施利用率低下

在除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中需要利用的基礎(chǔ)設(shè)施包括土工膜鋪設(shè)、混凝土、鋼筋、注漿原料、金屬結(jié)構(gòu)等，但在實(shí)際設(shè)計(jì)與施工過程中，為了降低工程成本，會(huì)出現(xiàn)設(shè)施利用率低下、覆蓋材料選用不當(dāng)?shù)那闆r，從而可能引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.5 水庫(kù)運(yùn)行管理與加固設(shè)計(jì)適配性低

病險(xiǎn)水庫(kù)在除險(xiǎn)加固工作完成之后，需要經(jīng)過一段時(shí)間的恢復(fù)管理才能繼續(xù)投入使用。但針對(duì)部分地區(qū)，當(dāng)?shù)刂淮嬖谝粋€(gè)水庫(kù)，要求加固工程快速恢復(fù)以維持水庫(kù)的正常運(yùn)行[7]。而一般的加固設(shè)計(jì)方案都需要一周左右的恢復(fù)時(shí)間，導(dǎo)致水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行管理與加固設(shè)計(jì)方案的適配性較低，在實(shí)際施工中可能會(huì)出現(xiàn)管理與設(shè)計(jì)施工之間的矛盾。

1.6 金屬更換安裝難度大

受到早期水庫(kù)設(shè)計(jì)、建筑以及安裝水平等因素約束，水庫(kù)內(nèi)部金屬設(shè)計(jì)不夠合理，水庫(kù)質(zhì)量較低。而在加固設(shè)計(jì)中需要對(duì)水庫(kù)內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并選用耐腐蝕性更高的金屬材料替換原水庫(kù)中的材料。

1.7 加固后續(xù)檢查考核監(jiān)督體系不健全

小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)涉及多個(gè)步驟和內(nèi)容，除了需要加強(qiáng)施工工作的管控之外，還需要對(duì)設(shè)計(jì)與施工的匹配性進(jìn)行監(jiān)督，定期對(duì)工程的施工進(jìn)度進(jìn)行考核驗(yàn)收，必要時(shí)還需要在加固施工完成后對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行復(fù)查審核，才能保證加固設(shè)計(jì)的有效性。而在實(shí)際加固工程中，設(shè)計(jì)人員將相關(guān)除險(xiǎn)加固方案制定完成后交給施工人員，施工人員在該方案的基礎(chǔ)上予以實(shí)施，工程實(shí)施完成后重新啟動(dòng)另一個(gè)項(xiàng)目。在此過程中無檢查、無考核，加固結(jié)果存在較大安全隱患。

2 小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)問題解決措施

針對(duì)現(xiàn)階段小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中存在的一系列問題，提出相關(guān)的解決措施，旨在保證水庫(kù)的運(yùn)行安全。根據(jù)中國(guó)水利水電工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，確定待處理病險(xiǎn)水庫(kù)的基本類型，以及大壩、溢洪道、輸水泄洪洞及調(diào)水工程等主要建筑的等級(jí)和次要建筑的基本等級(jí)[8]。接著確定水庫(kù)的基礎(chǔ)防洪標(biāo)準(zhǔn)以及淤積年限。在此基礎(chǔ)上通過加強(qiáng)工作力度、優(yōu)化工程設(shè)計(jì)內(nèi)容、完善監(jiān)督與管理制度等多個(gè)步驟，解決小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的常見問題。

2.1 水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

為解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題，在傳統(tǒng)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)的整體情況進(jìn)行前期勘察、實(shí)地測(cè)量，做好前期的資料準(zhǔn)備和勘察工作，并找到影響因素，進(jìn)而針對(duì)水庫(kù)中的大壩、溢洪道等多個(gè)設(shè)施，利用專業(yè)技術(shù)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，制定具體的加固方法和措施，從而保證小型水庫(kù)的安全供水[9]。其中水庫(kù)加固斷面設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

2.1.1土壩灌漿加固設(shè)計(jì)

在土壩加固設(shè)計(jì)時(shí)，部分設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)地勘記錄粗陋、壩型和壩體選型錯(cuò)誤的情況，因此在土壩加固設(shè)計(jì)施工中，利用灌漿的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)土壩加固處理。具體灌漿加固處理流程如圖2所示。

按照?qǐng)D2中灌漿處理流程準(zhǔn)備灌漿漿液，并在水庫(kù)大壩軸線上游1.5m布一排孔，孔距5m，計(jì)算造孔數(shù)量。采用準(zhǔn)備好的漿液灌漿，漿液中的黏土黏率需大于90%。計(jì)算各孔孔深，并根據(jù)式(1)計(jì)算灌漿壓力。

圖1 小型病險(xiǎn)水庫(kù)加固斷面示意圖

圖2 大壩灌漿處理流程

(1)

式中，P—實(shí)際灌漿壓力；P0—正常大氣壓下的灌漿壓力；m—灌漿每加深1m的允許增加壓力值;h—灌漿段的總深度[10]。

按照灌漿工藝將漿液灌入灌漿孔，當(dāng)壩基灌漿達(dá)到終灌標(biāo)準(zhǔn)后，拔出灌漿管，孔口用稠漿灌滿，漿面下沉后再灌，直至漿面不下沉為止，最后回填夯實(shí)。土壩灌漿加固結(jié)果的壩頂超高復(fù)核數(shù)據(jù)見表1。

表1 壩頂超高復(fù)核計(jì)算 單位：m

2.1.2黏土心墻加固設(shè)計(jì)

黏土心墻高度和長(zhǎng)度不滿足要求，因此需要在加固時(shí)將黏土心墻加高至校核洪水位[11]。黏土心墻加固結(jié)果如圖3所示。

圖3 黏土心墻加固示意圖(單位：m)

2.1.3溢洪道加固

小型病險(xiǎn)水庫(kù)溢洪道可以分為進(jìn)口溢流堰、漸變段、一級(jí)陡坡段、二級(jí)陡坡段一級(jí)消力池組成。在水庫(kù)溢洪道的除險(xiǎn)加固處理中，首先對(duì)進(jìn)口溢流堰全部拆除，選用C20鋼筋混凝土重建建筑，在原厚度基礎(chǔ)上增加10cm，并使用相同的方法對(duì)漸變段進(jìn)行加固處理[12]。對(duì)于陡坡的加固處理需要在泄槽上增設(shè)伸縮縫，并在其中填充防水緩沖材料，其目的是避免凍融引起的漲裂。假設(shè)水庫(kù)為正常水位，且溢洪道中的相關(guān)建筑元素經(jīng)過加固處理，通過計(jì)算泄洪流量與泄槽水流水深等參數(shù)，計(jì)算溢洪道除險(xiǎn)加固的目標(biāo)泄流能力，泄流能力計(jì)算公式為：

(2)

式中，Q—水流量；m—泄流流量系數(shù)；σ和ε—淹沒系數(shù)和側(cè)向收縮系數(shù)；B—溢流堰的總凈寬；H0—計(jì)入流速水頭的堰上總水頭[13]。

泄槽水深計(jì)算方法為：

(3)

式中，hb—泄槽水深；h—溢洪道斷面水深；v—不存在摻氣時(shí)斷面的流速；ξ—修正系數(shù)，取值為常數(shù)。

經(jīng)過計(jì)算得出加固后小型病險(xiǎn)水庫(kù)溢洪道中泄槽水深的計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2 泄槽不同位置摻氣水深 單位：m

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算洪水及調(diào)洪時(shí)段

采用洪水分析及調(diào)洪演算方法，充分考慮水庫(kù)周邊流域地形、制備以及河道粗糙率等相關(guān)參數(shù)，從而計(jì)算出加固設(shè)計(jì)結(jié)果。一般情況下水庫(kù)調(diào)洪時(shí)段為0.5h或1h，但由于河道長(zhǎng)度短、流域面積小，會(huì)導(dǎo)致洪水位的上升速度較快，若設(shè)定調(diào)洪時(shí)段為0.5h或1h，會(huì)因?yàn)闀r(shí)段設(shè)置過長(zhǎng)而錯(cuò)過洪峰，致使壩頂高程不足[14]。因此根據(jù)實(shí)際洪水流速和流量準(zhǔn)確計(jì)算調(diào)洪時(shí)段，并將調(diào)洪時(shí)段控制在10min之內(nèi)。

2.3 規(guī)范小型水庫(kù)日常運(yùn)行和管護(hù)

除了除險(xiǎn)加固方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)之外，在加固工程完成后，需要對(duì)水庫(kù)日常運(yùn)行進(jìn)行嚴(yán)格把控，并提升對(duì)小型水庫(kù)的管護(hù)效率[15]。針對(duì)相應(yīng)的水庫(kù)建立自動(dòng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)建設(shè)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水庫(kù)自動(dòng)監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用建立的自動(dòng)監(jiān)控管理系統(tǒng)，在除險(xiǎn)加固后根據(jù)工程規(guī)模、類型、重要性等條件，配置并完善觀測(cè)設(shè)施與儀器。有組織地進(jìn)行階段性觀測(cè)與專項(xiàng)監(jiān)察，收集相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)與資料，為水庫(kù)維修與防汛搶險(xiǎn)及時(shí)提供第一手資料，間接保證水庫(kù)的運(yùn)行安全。

3 除險(xiǎn)加固效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)提出的解決方案是否能夠解決小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)常見的問題，設(shè)計(jì)除險(xiǎn)加固效果的驗(yàn)證分析選擇如圖5所示的水庫(kù)作為此次驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

圖5 小型病險(xiǎn)水庫(kù)環(huán)境示意圖

該水庫(kù)對(duì)應(yīng)的河流包括3條支流，河長(zhǎng)67.5km，流域面積為647km2，屬于小型河流的研究范疇。實(shí)驗(yàn)水庫(kù)對(duì)象所處環(huán)境的氣候條件為半濕潤(rùn)溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，年平均降水量為700mm，年平均徑流量為1.69億m3。在上述水庫(kù)背景下，分別將傳統(tǒng)的水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化的水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，利用圖6所示的水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6 水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)分析的一般程序

按照?qǐng)D6中的程序?qū)崿F(xiàn)流程，充分考慮多個(gè)可能引發(fā)水庫(kù)潰壩的影響因素以及共同效益，得出除險(xiǎn)加固優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用效果，見表3。

表3 不同除險(xiǎn)加固方案下水庫(kù)潰壩概率分析結(jié)果

從表3中的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，傳統(tǒng)的小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案的水庫(kù)加固結(jié)果的綜合風(fēng)險(xiǎn)概率為0.17%，而應(yīng)用優(yōu)化小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案水庫(kù)的加固結(jié)果的綜合風(fēng)險(xiǎn)概率為0.12%，相比之下水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)概率降低了0.05%。

4 結(jié)語

水利工程“三分建，七分管”，建設(shè)是基礎(chǔ)，管理是關(guān)鍵，發(fā)揮效益才是最終目的。結(jié)合小型水庫(kù)的具體運(yùn)行情況，從管理、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)角度建立相應(yīng)的安全運(yùn)行機(jī)制，提出加固工程設(shè)計(jì)優(yōu)化、演算調(diào)洪、規(guī)范日常管理3個(gè)方面改進(jìn)建議，以保證小型水庫(kù)的運(yùn)行穩(wěn)定與安全，相比傳統(tǒng)的小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)概率降低了0.05%。然而在此次研究工作中，只分析與解決了傳統(tǒng)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中的部分常見問題，但是根據(jù)不同的壩型、壩基和病因情況，需采用不同的處理方法，因此在設(shè)計(jì)中存在的其他問題，還需要在未來的工作中進(jìn)一步改進(jìn)。