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摘要:对于存在安全隐患的水库，必须采取相应的除险加固措施，这样才能确保水库的安全运行。本文结合水库工程实例，分析了水库工程存在的主要问题，针对水库存在的险情，详细介绍了水库除险加固设计方案，包括了水库大坝、溢洪道、输水建筑物等加固设计措施，从而保证水库的安全运行，可供类似工程参考。
关键词:病险水库；除险；加固设计；溢洪道；输水建筑物
中图分类号： U457+.3 文献标识码： A 文章编号：
水库的主要作用是为农业生产和人民生活用水、工业用水提供水源，同时在防御洪水灾害也发挥了一定重要作用。但由于水库设计、施工、运行管理中存在的问题，部分水库达不到国家规定的防洪标准，而且随着水库运行时间延长，水库设施和各种设备不断老化，有些水库工程存在较严重的质量问题，水库不能正常运行。这些病险水库给下游城乡人民群众生命财产的安全构成威胁，如果险情得不到及时处理，后果将是十分严重的。
1 工程概况
某水库控制径流面积10.5km2，引流区20km2，是一座以灌溉、人饮为主，兼顾防洪、水产养殖的综合性水利工程。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000工程等级为Ⅳ等，主要永久性建筑物级别为4级，次要永久性建筑物及临时性建筑物级别为5级。水库设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为300年一遇。水库承担着和平镇4个村委会0.25万亩的农田灌溉和3000人的生活饮水，同时还承担下游3423亩农田、4215人和防洪保护任务。
大坝为均质土坝，坝顶为泥结石路面，坝高33m，坝顶宽3.25m，坝轴线长150.3m。上游坝坡采用干砌石护坡，下游坝坡为草皮护坡，下游坝脚设有倒虑体。溢洪道布置在左岸坝肩上，为开敞式无闸控制宽顶堰，长143m，溢洪道进口底板高程1867.57m，其后为泄槽段，下游未设消能防冲设施。输水涵洞位于右岸，全长185.2m，设有一道铸铁平板闸门作为工作闸门，闸门尺寸0.6m×0.6m(宽×高)，进口底高程为1845.26m，启闭塔操作平台高程1871.6m，洞身断面尺寸为1.05×1.5m(宽×高)，为浆砌石矩形结构，后接灌溉输水渠道。输水隧洞位于库尾，满足居民生活用水要求，全长305.2m，设一道铸铁平板闸门作为工作闸门，闸门尺寸0.6m×0.6m(宽×高)，进口底高程为1852.80m，启闭塔操作平台高程1871.8m，洞身断面尺寸为1.2×1.2m(宽×高)，为浆砌石矩形结构，后接输水渠道。
该水库始建至今已运行三十多年，为当地的生产和经济建设做出了较大的贡献。但是由于受当时技术、资金、自然条件等因素影响，水库一直带病运行，水库的经济效益和社会效益得不到充分地发挥，威胁着下游人民的生命财产安全，需要进行相应地除险加固处理。
2 工程存在的主要问题
经勘察和分析计算，石坝冲水库存在的主要问题有:
(1)大坝坝顶中部与坝肩高差为760mm，超出正常范围。上游坝坡凹凸不平，出现沉降、隆起、塌坑等现象，不平整度达到17cm；下游坝坡不平整，起伏相差0.7m。
(2)根据坝土取样的试验结果:坝土的黏粒含量为11.6%～39.1%，平均压实度为91%，按《碾压式土石坝设计手册》(SL274—2001)规定压实度应达到96%～98%。坝体总体碾压质量差。在现行水位1859.40m时，下游坝坡大面积潮湿，浸润线逸出点高出排水棱体顶2.5m。施工中虽进行了较彻底的清基，但大坝两坝肩、坝基及冲洪积层为中等—弱透水层，没有采取防渗工程措施，存在坝基及绕坝渗漏。
(3)根据工程稳定复核计算，大坝下游坝坡最小抗滑稳定安全系数为1.067，抗滑稳定性不满足规范要求。
(4)溢洪道整体外观陈旧老化，进口淤积，底板及边墙有部分裂缝，出口无消能设施，直接冲刷下游河道。
(5)输水涵洞进口只设有工作闸门，无检修闸门。闸门锈蚀和水封渗漏较为严重，闸门关闭后，涵洞出口漏水总量为1.1L/s。手动螺杆式启闭机外壳有局部锈蚀，标尺刻度不清，开启较困难。
(6)输水隧洞闸门锈蚀较为严重，锈蚀面积超过90%，锈蚀斑起壳，锈蚀深度1～4.6mm。闸门关闭后，隧洞出口漏水总量为0.6L/s。
(7)大坝安全监测和水文测报设施不完善，管理房已属危房，防汛抢险道路需扩建。
3 主要建筑物加固设计
3.1 大坝加固设计
1）坝体和坝基的防渗加固
结合本工程的实际情况，按照工程安全、经济合理、技术可行、方便施工的原则，决定采取帷幕灌浆的防渗方案。灌浆轴线选为坝轴线，采用单排孔进行灌注，孔距初拟为2.0m，坝体采用充填式灌浆，灌浆浆液采用1∶3的黏土水泥混合浆，分三序孔采用底孔灌浆全孔灌注的方法进行，结合部采用1∶1水泥黏土混合浆进行灌注。灌浆浆液浓度先稀后浓，开始采用稀浆，经过3～5min后加大浆液浓度，主要以浓浆灌注为主。灌浆压力初定为0.05～0.15MPa。坝基及两岸坝肩采用帷幕灌浆，灌浆浆液采用纯水泥浆，灌浆压力按P=P0+mD计算，初定为0.15～0.3MPa，灌浆水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1等比级，灌浆时由稀到浓，逐渐变级，开浆水灰比采用5∶1。参考类似工程，確定左岸基岩部分帷幕灌浆延长35m；右岸坝肩帷幕灌浆延长21m至与地下水位相交；灌浆顶界定为1869.30m，高于正常蓄水位。因不透水层埋藏较深，从防止渗透破坏、减少渗漏损失的角度综合考虑，河床段基岩灌浆深度为深入基岩5m左右；规范要求均质坝坝体渗透系数应满足K≤10－4cm/s，基岩透水率应满足q≤10Lu。
大坝坝体、坝肩和坝基防渗方案确定后，设计通过计算分析进一步了解了大坝防渗加固前后的渗流情况，对比分析了防渗加固的效果。根据地质钻孔及注压水试验资料，坝土渗透系数为1.7×10－3～6.13×10－3cm/s，平均值为5.08×10－3cm/s，属中等透水层，坝基土层渗透系数为3.9×10－3～5.1×10－3cm/s，平均值为4.32×10－3cm/s，属中等透水层。河床下伏全～强风化板岩夹砂岩地基，透水10.23～29.6Lu，平均值为18.24Lu，属中等透水层。大坝左右坝肩结合部渗透系数为K=6.19×10－4～4.08×10－3cm/s，为中等透水。帷幕灌浆渗透系数采用5.0×10－6cm/s，倒滤体渗透系数1.0×10－3cm/s。计算成果见表1。
表1 大坝渗流计算成果表
大坝经防渗处理后，大坝在正常蓄水位1867.57m时，单宽渗流量由防渗前6.12m3/(d·m)降至1.87m3/(d·m)，渗流量减少了69.4%。渗漏量比加固前明显减少，根据计算成果，大坝渗流处于安全状态。
2）坝坡加固设计
由于坝体和坝基力学指标都不高，下游坝坡相对比较陡，坝坡安全系数未达到规范要求值。故需对坝坡进行培厚加固。坝坡培厚加固方案进行了二个方案的比较。方案一对整个下游坝坡进行培厚，方案二是在下游坝坡设置反压平台来加固大坝。经过综合比选，选定设置反压平台进行加固。①上游坝坡加固。上游坝坡表层平均清除40cm，以修理平整为原则。在高程1851.26m～1854.27m翻铺原干砌块石护坡。在高程1854.27m设上游护脚，在高程1854.27m～1871.5m铺设混凝土预制块护坡。预制块下设20cm厚的碎石、砂混合垫层。高程1871.5m～1851.26m坡比均为1∶2.81。②下游坝坡加固。高程1871.5m～1860.00m坡比仍为1∶2.07。在高程1860m设置反压平台，平台宽6m，平台至1847.75m坡比为1∶2.96。在高程1847.75m～1834.28m新建贴坡排水体，外坡比为1∶2.25，顶宽2.0m，下设0.6m厚两层反滤层。整个下游坝坡采用草皮护坡。
关键词:病险水库；除险；加固设计；溢洪道；输水建筑物
中图分类号： U457+.3 文献标识码： A 文章编号：
水库的主要作用是为农业生产和人民生活用水、工业用水提供水源，同时在防御洪水灾害也发挥了一定重要作用。但由于水库设计、施工、运行管理中存在的问题，部分水库达不到国家规定的防洪标准，而且随着水库运行时间延长，水库设施和各种设备不断老化，有些水库工程存在较严重的质量问题，水库不能正常运行。这些病险水库给下游城乡人民群众生命财产的安全构成威胁，如果险情得不到及时处理，后果将是十分严重的。
1 工程概况
某水库控制径流面积10.5km2，引流区20km2，是一座以灌溉、人饮为主，兼顾防洪、水产养殖的综合性水利工程。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000工程等级为Ⅳ等，主要永久性建筑物级别为4级，次要永久性建筑物及临时性建筑物级别为5级。水库设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为300年一遇。水库承担着和平镇4个村委会0.25万亩的农田灌溉和3000人的生活饮水，同时还承担下游3423亩农田、4215人和防洪保护任务。
大坝为均质土坝，坝顶为泥结石路面，坝高33m，坝顶宽3.25m，坝轴线长150.3m。上游坝坡采用干砌石护坡，下游坝坡为草皮护坡，下游坝脚设有倒虑体。溢洪道布置在左岸坝肩上，为开敞式无闸控制宽顶堰，长143m，溢洪道进口底板高程1867.57m，其后为泄槽段，下游未设消能防冲设施。输水涵洞位于右岸，全长185.2m，设有一道铸铁平板闸门作为工作闸门，闸门尺寸0.6m×0.6m(宽×高)，进口底高程为1845.26m，启闭塔操作平台高程1871.6m，洞身断面尺寸为1.05×1.5m(宽×高)，为浆砌石矩形结构，后接灌溉输水渠道。输水隧洞位于库尾，满足居民生活用水要求，全长305.2m，设一道铸铁平板闸门作为工作闸门，闸门尺寸0.6m×0.6m(宽×高)，进口底高程为1852.80m，启闭塔操作平台高程1871.8m，洞身断面尺寸为1.2×1.2m(宽×高)，为浆砌石矩形结构，后接输水渠道。
该水库始建至今已运行三十多年，为当地的生产和经济建设做出了较大的贡献。但是由于受当时技术、资金、自然条件等因素影响，水库一直带病运行，水库的经济效益和社会效益得不到充分地发挥，威胁着下游人民的生命财产安全，需要进行相应地除险加固处理。
2 工程存在的主要问题
经勘察和分析计算，石坝冲水库存在的主要问题有:
(1)大坝坝顶中部与坝肩高差为760mm，超出正常范围。上游坝坡凹凸不平，出现沉降、隆起、塌坑等现象，不平整度达到17cm；下游坝坡不平整，起伏相差0.7m。
(2)根据坝土取样的试验结果:坝土的黏粒含量为11.6%～39.1%，平均压实度为91%，按《碾压式土石坝设计手册》(SL274—2001)规定压实度应达到96%～98%。坝体总体碾压质量差。在现行水位1859.40m时，下游坝坡大面积潮湿，浸润线逸出点高出排水棱体顶2.5m。施工中虽进行了较彻底的清基，但大坝两坝肩、坝基及冲洪积层为中等—弱透水层，没有采取防渗工程措施，存在坝基及绕坝渗漏。
(3)根据工程稳定复核计算，大坝下游坝坡最小抗滑稳定安全系数为1.067，抗滑稳定性不满足规范要求。
(4)溢洪道整体外观陈旧老化，进口淤积，底板及边墙有部分裂缝，出口无消能设施，直接冲刷下游河道。
(5)输水涵洞进口只设有工作闸门，无检修闸门。闸门锈蚀和水封渗漏较为严重，闸门关闭后，涵洞出口漏水总量为1.1L/s。手动螺杆式启闭机外壳有局部锈蚀，标尺刻度不清，开启较困难。
(6)输水隧洞闸门锈蚀较为严重，锈蚀面积超过90%，锈蚀斑起壳，锈蚀深度1～4.6mm。闸门关闭后，隧洞出口漏水总量为0.6L/s。
(7)大坝安全监测和水文测报设施不完善，管理房已属危房，防汛抢险道路需扩建。
3 主要建筑物加固设计
3.1 大坝加固设计
1）坝体和坝基的防渗加固
结合本工程的实际情况，按照工程安全、经济合理、技术可行、方便施工的原则，决定采取帷幕灌浆的防渗方案。灌浆轴线选为坝轴线，采用单排孔进行灌注，孔距初拟为2.0m，坝体采用充填式灌浆，灌浆浆液采用1∶3的黏土水泥混合浆，分三序孔采用底孔灌浆全孔灌注的方法进行，结合部采用1∶1水泥黏土混合浆进行灌注。灌浆浆液浓度先稀后浓，开始采用稀浆，经过3～5min后加大浆液浓度，主要以浓浆灌注为主。灌浆压力初定为0.05～0.15MPa。坝基及两岸坝肩采用帷幕灌浆，灌浆浆液采用纯水泥浆，灌浆压力按P=P0+mD计算，初定为0.15～0.3MPa，灌浆水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1等比级，灌浆时由稀到浓，逐渐变级，开浆水灰比采用5∶1。参考类似工程，確定左岸基岩部分帷幕灌浆延长35m；右岸坝肩帷幕灌浆延长21m至与地下水位相交；灌浆顶界定为1869.30m，高于正常蓄水位。因不透水层埋藏较深，从防止渗透破坏、减少渗漏损失的角度综合考虑，河床段基岩灌浆深度为深入基岩5m左右；规范要求均质坝坝体渗透系数应满足K≤10－4cm/s，基岩透水率应满足q≤10Lu。
大坝坝体、坝肩和坝基防渗方案确定后，设计通过计算分析进一步了解了大坝防渗加固前后的渗流情况，对比分析了防渗加固的效果。根据地质钻孔及注压水试验资料，坝土渗透系数为1.7×10－3～6.13×10－3cm/s，平均值为5.08×10－3cm/s，属中等透水层，坝基土层渗透系数为3.9×10－3～5.1×10－3cm/s，平均值为4.32×10－3cm/s，属中等透水层。河床下伏全～强风化板岩夹砂岩地基，透水10.23～29.6Lu，平均值为18.24Lu，属中等透水层。大坝左右坝肩结合部渗透系数为K=6.19×10－4～4.08×10－3cm/s，为中等透水。帷幕灌浆渗透系数采用5.0×10－6cm/s，倒滤体渗透系数1.0×10－3cm/s。计算成果见表1。
表1 大坝渗流计算成果表
大坝经防渗处理后，大坝在正常蓄水位1867.57m时，单宽渗流量由防渗前6.12m3/(d·m)降至1.87m3/(d·m)，渗流量减少了69.4%。渗漏量比加固前明显减少，根据计算成果，大坝渗流处于安全状态。
2）坝坡加固设计
由于坝体和坝基力学指标都不高，下游坝坡相对比较陡，坝坡安全系数未达到规范要求值。故需对坝坡进行培厚加固。坝坡培厚加固方案进行了二个方案的比较。方案一对整个下游坝坡进行培厚，方案二是在下游坝坡设置反压平台来加固大坝。经过综合比选，选定设置反压平台进行加固。①上游坝坡加固。上游坝坡表层平均清除40cm，以修理平整为原则。在高程1851.26m～1854.27m翻铺原干砌块石护坡。在高程1854.27m设上游护脚，在高程1854.27m～1871.5m铺设混凝土预制块护坡。预制块下设20cm厚的碎石、砂混合垫层。高程1871.5m～1851.26m坡比均为1∶2.81。②下游坝坡加固。高程1871.5m～1860.00m坡比仍为1∶2.07。在高程1860m设置反压平台，平台宽6m，平台至1847.75m坡比为1∶2.96。在高程1847.75m～1834.28m新建贴坡排水体，外坡比为1∶2.25，顶宽2.0m，下设0.6m厚两层反滤层。整个下游坝坡采用草皮护坡。