山塘水庫除險加固工程設計中的幾個問題探討

曾 祥

(云浮市水利水電勘測設計院，廣東 云浮 527300)

1 概 述

隨著近年來水庫除險加固工作的穩(wěn)步推進，云浮市大部分小(2)型以上病險水庫已逐步得到整治，但仍存在大量蓄水庫容在10萬m3以下的山塘水庫仍未進行有效治理。據(jù)統(tǒng)計，云浮市蓄水庫容在10萬m3以下的山塘水庫共計1169宗，這些規(guī)模以下的山塘水庫工程基本上初建于20世紀60-70年代，未經(jīng)標準設計和規(guī)范施工，絕大部份不具備完善的泄洪、調(diào)洪能力。相比于小(2)型以上的水庫，此類山塘水庫通常不被重視、忽視了必要的除險加固工作，但其出險的概率遠遠高于小(2)型以上水庫。近年來云浮市已將部分除險加固工作的重點轉(zhuǎn)移到山塘水庫上、需要對其除險加固進行規(guī)范化設計。這些長期管理不善的山塘水庫在除險加固設計的過程中，有其獨特的工作重、難點。

2 常見問題及其解決方案

2.1 防洪標準的確定

云浮市規(guī)模以下山塘水庫的大壩高度大部分低于15m且上下游最大水頭差<10m。若洪水標準設計過高，工程量會相應增大、造成不必要的工程浪費。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2017)，當山區(qū)、丘陵區(qū)水庫工程永久性擋水建筑物的擋水高度低于15m且上下游最大水頭差<10m時，其洪水標準宜按平原、濱海區(qū)標準執(zhí)行。所以即便是按照小(2)型水庫確立洪水標準，規(guī)模以下山塘水庫的設計洪水標準可定為10a一遇，校核洪水標準可定為20a一遇。由此確定的防洪標準較為符合實際工程需要。

2.2 設計洪水的計算

在設計工作開始階段，需要對山塘水庫的洪水過程進行定量計算，以確保下一步的調(diào)洪計算具備較為準確的前提條件。一般來說，流域無水文站、缺乏實測資料時，可根據(jù)《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》(2003年)和《廣東省暴雨徑流查算圖表》(1991年)查取相關參數(shù)，由設計暴雨推求設計洪水，主要采用廣東省綜合單位線法和推理公式法(1988年修訂)兩種方法進行計算。由于推理公式法(1988年修訂)計算洪量過于集中、調(diào)洪水位偏高；而廣東省綜合單位線法計算成果能夠較好地反映降雨過程的變化、洪峰流量和洪水過程線的推求也是有機結(jié)合在一起。同時，廣東省綜合單位線法分析使用的資料基礎稍好于推理公式法(1988年修訂)，而用實測洪峰驗證，精度也比推理公式法(1988年修訂)高?？偟膩碚f，在推求設計洪水過程線方面，廣東省綜合單位線法顯然優(yōu)于推理公式法(1988年修訂)。因此，在對參數(shù)合理調(diào)整的前提下，使兩種方法的設計洪峰流量相差不超過20%后，原則上應采用廣東省綜合單位線方法的設計洪水成果。

云浮市規(guī)模以下山塘水庫基本上缺乏實測水文資料，其設計洪水可沿用上述方法進行計算。在實際操作過程中，由于山塘水庫的集雨面積絕大部分<10km2，按照上述方法計算得出的設計洪水明顯偏大，與實際情況不相符。為了能夠更準確地推求設計洪水成果，可參考廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式的計算成果進行調(diào)整。廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式主要針對除水庫外的集雨面積<10km2的工程，其計算結(jié)果只能反映洪峰流量的數(shù)值，不能反映洪水過程。實踐證明，對于集雨面積<10km2的工程，廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式法的洪峰流量成果明顯比廣東省綜合單位線法和推理公式法(1988年修訂)更符合實際情況。故此，對于山塘水庫設計洪水的計算，我們可先采用廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式法計算出某頻率的洪峰流量，以此數(shù)值為參考對廣東省綜合單位線法和推理公式法(1988年修訂)的參數(shù)進行合理調(diào)整，在確保查算圖表合理取值的前提下得出與廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式法計算的洪峰流量盡量相近的計算成果，從而保證設計洪水符合實際情況的同時，也能清晰地反映洪水過程[1]。

2.3 來水量的計算

規(guī)模以下山塘水庫的集雨面積較小，有可能出現(xiàn)來水量不足導致山塘水庫不能正常運行的情況。為了保證山塘水庫發(fā)揮其應有的功能，可采用以下的措施：

1)引調(diào)洪水：于山塘附近尋找天然匯水區(qū)域，根據(jù)區(qū)域特征新建引洪渠道，引流至山塘蓄水，引洪渠道的設計流量應根據(jù)山塘下游控制的用水區(qū)的需水量、需水過程、引流匯水面積和山塘的庫容量分析計算確定。

2)引調(diào)泉水：若庫盆周邊或山塘附近存在出露泉水，可新建引水渠道將取泉水引至山塘積蓄。引水積蓄對山塘水庫在干旱季節(jié)能夠正常運行能夠起到很好的補充作用。

2.4 調(diào)洪演算

在設計工作過程中，經(jīng)常會遇到一些特殊的山塘水庫——集雨面積小、庫容容積較大，現(xiàn)狀未設置溢洪道、只埋設了放水涵管，每逢暴雨來臨時，只需打開放水涵管泄洪即可滿足防洪要求。此類山塘水庫往往沒有固定的正常蓄水位，平時蓄放水都是根據(jù)當?shù)氐挠盟枨鬀Q定的。若采用常規(guī)的水量平衡方程基本原理進行水庫調(diào)洪計算來確定壩頂高程，其現(xiàn)狀壩頂高程往往大大高于計算壩頂高程。由于此類山塘水庫集雨面積小，暴雨匯水時間較短，可根據(jù)廣東省綜合單位線法和推理公式法(1988年修訂)算出1天洪量。將該洪量與山塘庫容作定量比較，當1天洪量小于山塘庫容時，可認為現(xiàn)狀山塘大壩的壩高符合防洪要求，無需進行調(diào)洪演算[2]。

2.5 消能設施的布置

云浮市規(guī)模以下山塘水庫，其已建“溢洪道”大多只是土渠、且下游往往未設置消能設施。對于現(xiàn)狀“溢洪道”，往往是沿著當?shù)氐匦伍_挖成渠，其渠底縱向坡度較大。我們對其進行拓寬挖深加固時，如果重新設計泄洪段縱向坡度，必然占用較多附近的土地，常會引發(fā)用地矛盾。為了避免用地爭端，同時考慮工程的經(jīng)濟性，通常沿現(xiàn)狀“溢洪道”進行加固設計即可。而一旦維持原狀縱向坡度不變，則泄洪流速將會遠大于不沖流速。此時可從兩個方面采取措施：溢洪道泄洪段底板橫向增設若干道消力坎；溢洪道末端布置消力池和海曼。特別要注意的是，若采用底流式消能，其消力池長度將會非常大，故建議采用挑流式消能[3]。

2.6 更換放水涵管

除有些條件較好的地質(zhì)可以通過新打隧洞取代放水涵管、或頂管施工、或采用虹吸管外，仍有一些山塘水庫需要通過大開挖來更換原放水涵管。這些涵管更換時除了保證基礎不發(fā)生不均勻沉降外，尤其要注意其回填壓實土方必須要“無死角”。涵管安裝定位后，兩側(cè)需要回填土方，由于靠近涵管的位置壓實土方時容易由于施工工作面不足而造成“漏壓”現(xiàn)象。而該部位若不密實，將有可能導致壩體產(chǎn)生致命隱患——橫向裂縫。我們可在設計環(huán)節(jié)消除這種可能出現(xiàn)的隱患：涵管安裝定位后，兩側(cè)采用混凝土振搗密實填充。

2.7 施工用電和防汛道路

云浮市規(guī)模以下的山塘水庫大多地處偏僻，在實際施工時往往面臨用電困難和材料運輸困難的問題。倘若采取常規(guī)方案：即架設線路引電、修建標準化防汛道路，無疑需要高昂的費用，該部分費用甚至占據(jù)總工程造價的大部分。為了提高工程效益，筆者認為可采取以下措施：施工場地自發(fā)電，費用按照實際發(fā)生費用計算；防汛道路則應降低修建標準，采取開挖平整后壓實即可，無需標準化建設。

3 結(jié)論與建議

云浮市規(guī)模以下的山塘水庫位于山區(qū)地帶，其特點是地處偏僻、庫容小、主體建筑和次要建筑等級低，如果按照常規(guī)方法對其進行除險加固設計，很有可能會造成不必要的工程浪費。在不與規(guī)范產(chǎn)生沖突的前提下，可根據(jù)山塘水庫的實際情況調(diào)整設計方法和理念實現(xiàn)設計目標，以達到最佳工程經(jīng)濟效益。