馬妍博 袁明道 黃春華 張旭輝 廣東省水利水電科學(xué)研究院
某水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程修建于某村境內(nèi),水庫(kù)集雨面積為1.2km2,設(shè)計(jì)總庫(kù)容為15m3,設(shè)計(jì)灌溉面積為200畝,屬于小Ⅱ型水利工程。隨著水庫(kù)運(yùn)營(yíng)年限的不斷增加,水庫(kù)出現(xiàn)了一系列病害問題,水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力日趨下降,為了改善水庫(kù)所處的運(yùn)行環(huán)境,需要對(duì)水庫(kù)病害特點(diǎn)進(jìn)行分析,并對(duì)水庫(kù)實(shí)施加固處理。
大壩作為本水庫(kù)中最重要的建筑物,不僅直接決定著水庫(kù)是否可以正常發(fā)揮功效,還在一定程度上保護(hù)著水庫(kù)下游人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全。如果大壩出現(xiàn)了滲漏、壩體不穩(wěn)或者存在潰壩隱患,會(huì)出現(xiàn)十分危險(xiǎn)的情況。所以,水庫(kù)擋水建筑物大壩是整個(gè)水庫(kù)結(jié)構(gòu)中最為重要的水工建筑物。大壩的類型主要分為土壩、堆石壩、漿砌石壩等,其中主要以土壩居多,所以土壩存在的問題也比較多,最主要的問題是壩頂高程不足、壩體滲漏、壩坡較斗、無人看管、雜草叢生并伴有白蟻生長(zhǎng)等。堆石壩、漿砌石壩雖然與土壩相比存在的問題較少一些,但也不排除其有老化、滲漏以及壩基不穩(wěn)等基本問題。
按照當(dāng)前的水庫(kù)防洪要求和標(biāo)準(zhǔn)來看,所有水庫(kù)溢洪道必須硬底化,但是由于我國(guó)大部分水庫(kù)建設(shè)年代久遠(yuǎn),所以多數(shù)水庫(kù)溢洪道為土渠和亂石堆砌的溝渠,完全不能達(dá)到泄洪的基本要求,防沖刷要求更是無從談起。另外,有一些水庫(kù)中的溢洪道以混凝土、壩漿砌石為主,這些溢洪道從表面上來看能夠達(dá)到要求和標(biāo)準(zhǔn),但是隨著水庫(kù)容量和水位的變化,水庫(kù)溢洪道的過流能力依然無法達(dá)到泄洪的要求和標(biāo)準(zhǔn)。
縱觀我國(guó)大部分的小型水庫(kù),大約有95%以上由土石壩建造而成,由于建設(shè)之初受到技術(shù)方面的限制,導(dǎo)致水庫(kù)的質(zhì)量并不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),其在經(jīng)歷很長(zhǎng)一段使用時(shí)間后,不論是在抗震還是防洪方面都會(huì)或多或少出現(xiàn)一些問題。加之,地方政府部門對(duì)小型水庫(kù)的重視程度不高,使得許多小型水庫(kù)陷入了無人管理的尷尬局面,長(zhǎng)此以往小型水庫(kù)的金屬結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定安全等方面出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。小型水庫(kù)病害形成的原因主要包括以下幾個(gè)方面:
本水庫(kù)在建設(shè)之初同樣受技術(shù)方面的限制,其防洪能力逐漸減弱,在泄洪設(shè)施的建設(shè)上由于建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低,以至于其在汛期和洪水泛濫期間無法充分發(fā)揮應(yīng)有的防洪作用,從而給生活在下游人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的威脅。同時(shí),由于該水庫(kù)在設(shè)計(jì)之初對(duì)質(zhì)量要求較低,使得在使用過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。除此之外,大壩泄水建筑的泄水能力和頂部高程無法滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),即大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)。出現(xiàn)這種情況的根本原因是水文資料年代久遠(yuǎn),洪水信息發(fā)生了一定的改變,泄水建筑出現(xiàn)了安全問題,其作用無法實(shí)現(xiàn)。
水庫(kù)大壩的抗震烈度比較低,無法滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致該狀況的根本原因是新抗震烈度區(qū)劃圖的要求比較高,水庫(kù)原地震烈度設(shè)計(jì)低;原來設(shè)計(jì)時(shí)沒有對(duì)地震工程情況進(jìn)行認(rèn)真分析,經(jīng)過仔細(xì)勘驗(yàn)以后發(fā)現(xiàn)大壩的抗震烈度較低。
大壩的抗滑穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無法滿足現(xiàn)行規(guī)定,導(dǎo)致這種情況的根本原因是土石壩壩體的橫斷面較窄,大壩坡度較陡,壩坡的抗滑穩(wěn)定性無法滿足規(guī)定;護(hù)坡破損嚴(yán)重,對(duì)大壩的安全造成了嚴(yán)重的威脅;大壩基礎(chǔ)沒有進(jìn)行徹底清理或者施工質(zhì)量比較差,導(dǎo)致大壩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差。
輸水以及泄洪建筑的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無法滿足現(xiàn)行的規(guī)定,導(dǎo)致這種情況的根本原因是沒有合理設(shè)計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)、涵管以及輸水隧洞或者在設(shè)計(jì)時(shí)未嚴(yán)格規(guī)范,使其出現(xiàn)了漏水、沖蝕、剝離、露筋以及裂縫等問題,從而使建筑物的整體性受到了一定的影響,尤其是壩下預(yù)埋的管道出現(xiàn)漏水情況,會(huì)使壩體受到侵蝕。泄洪建筑存在的主要問題有失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋、泄槽和溢流面沒有進(jìn)行襯砌等,從而導(dǎo)致沖蝕損壞的情況。
水庫(kù)的機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)已經(jīng)使用了幾十年,已經(jīng)接近折舊年限或者超過折舊年限,這就使得其銹蝕和老化問題嚴(yán)重,無法實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行,給水庫(kù)水位安全造成一定的威脅。
水庫(kù)沒有完善的觀測(cè)系統(tǒng)和水文測(cè)報(bào)系統(tǒng),甚至有些小型水庫(kù)沒有觀測(cè)設(shè)備,加之水庫(kù)的管理設(shè)備比較陳舊,防汛道路狹窄,部分水庫(kù)沒有設(shè)置專用的防汛通道,導(dǎo)致水庫(kù)運(yùn)行管理水平和重量低下。
大部分小型水庫(kù)的壩體和壩基都會(huì)出現(xiàn)滲流現(xiàn)象,這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因有壩體施工材料質(zhì)量不合格、壩體單薄,其在長(zhǎng)期的水流沖擊下導(dǎo)致壩體土料出現(xiàn)裂縫。同時(shí),由于下游壩體的排水棱體設(shè)計(jì)水平不高,其功能和作用逐漸失效,導(dǎo)致下游壩體浸潤(rùn)線持續(xù)增高,從而造成壩體滲漏。
針對(duì)上述問題,本文提出詳細(xì)的加固策略,包括加固大壩、加固壩基、加固溢洪道、加固下游消能防沖設(shè)施等,具體進(jìn)行如下分析:
大壩的主要類型是單曲拱壩,在進(jìn)行加固除險(xiǎn)時(shí),可以使用以下兩種辦法:第一,合理加高壩頂位置的非溢流壩體、對(duì)溢流堰進(jìn)行升級(jí)改造、對(duì)壩體實(shí)施灌漿防滲處理以及在大壩頂部設(shè)置交通橋等。使用型號(hào)為C20的混凝土對(duì)非溢流壩的壩頂進(jìn)行抬高,使其寬度增加3m左右,在壩頂上游和下游位置設(shè)置1.2m的不銹鋼欄桿;第二,使用“上堵下排”的策略處理拱壩的滲漏問題。對(duì)壩體進(jìn)行灌漿布孔操作,在漏水壩的位置單排布置,孔距保持在2m左右。
在壩基進(jìn)行帷幕灌漿防滲處理的時(shí)候,使用自壩頂鉆孔灌漿的辦法,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)帷幕的灌漿處理。壩體使用帷幕灌漿的處理辦法,所以壩體灌漿軸線一定要與基礎(chǔ)帷幕灌漿軸線相吻合,帷幕灌漿主要是借助壩體鉆孔灌漿平臺(tái)來實(shí)現(xiàn),保證壩體防滲與基礎(chǔ)防滲的有機(jī)融合,進(jìn)而構(gòu)成比較封閉的防滲體系。
壩頂無閘控制泄洪表孔的裝置是拱壩溢洪道,主要位置在大壩中間,其類型為開敞式,其高度可以達(dá)到580多米,寬度可以達(dá)到36m 左右,主要的消能結(jié)構(gòu)類型為挑流式,下泄流量最大值可以達(dá)到801.00m3/s。認(rèn)真分析溢洪道易出現(xiàn)的問題,要想有效改善泄流條件,就要重新建設(shè)溢洪道的溢流堰,將原來的溢流堰表面拆除,溢洪道的頂部高程保持不變,對(duì)其壩頂高程進(jìn)行合理的加高處理。使用WES冪曲線作為堰面曲線,曲線的下面與反弧段進(jìn)行連接,在挑流消能的時(shí)候,使用挑流鼻坎的策略,從而使下游壩腳的抗沖刷能力得到改善。以壩頂交通橋的設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ),位于溢洪道頂部橋墩的厚度保持在0.5m左右,水平長(zhǎng)度保持在3m左右,其類型為等厚型,出口設(shè)置成矩形,進(jìn)口設(shè)置成半圓形。
大壩主要的消能形式為挑流式,下游河床中碎石塊的厚度可以達(dá)到5m左右,抗沖刷的能力比較差,與大壩相交位置的主要構(gòu)成物質(zhì)為灰?guī)r夾頁(yè)巖,其中夾頁(yè)巖的性質(zhì)較軟。由于夾頁(yè)巖的裂紋發(fā)育較好,會(huì)被雨水沖刷而導(dǎo)致剪斷情況發(fā)生,這就會(huì)給大壩造成比較嚴(yán)重的危害。要想使下游的抗沖刷問題得到較好的處理,需要先清理大壩內(nèi)部的雜物和淤泥,將表層覆蓋物清理干凈,直到漏出基巖面為止,并將基巖面清洗干凈。
在左岸壩體里面設(shè)置輸水鋼管,其斷面為圓形,長(zhǎng)度在13m 左右,直徑為0.9m,進(jìn)口處的高程保持在560m左右,使用蝶閥控制輸水鋼管。輸水鋼管已經(jīng)使用了二十多年,出現(xiàn)了嚴(yán)重的生銹問題,受混凝土澆筑質(zhì)量和鋼管生銹問題的制約,使得輸水鋼管的滲漏問題比較嚴(yán)重。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行認(rèn)真分析以后,結(jié)合資金籌備情況,決定挖掘壩體埋管的出口位置,挖掘的深度為10cm,重新埋設(shè)的輸水管要與原有的輸水管進(jìn)行良好的焊接,使用閘閥控制輸水鋼管,并加設(shè)閘閥室和一道檢修閘閥。
大壩左岸壩肩為水庫(kù)防汛公路的起點(diǎn),該公路為村級(jí)公路,總長(zhǎng)度可達(dá)到2000m,路基的寬度可達(dá)到5m,沒有路面結(jié)構(gòu)。對(duì)水庫(kù)樞紐的主體工程進(jìn)行認(rèn)真分析以后,在路基整修時(shí),按照鄉(xiāng)級(jí)公路的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,路面為泥結(jié)石,這樣會(huì)對(duì)搶險(xiǎn)防洪起到較好的作用。路面層次從路基開始分別為碾壓碎石墊層、水泥穩(wěn)定層、混凝土路面,使用的混凝土強(qiáng)度為C25型。
水庫(kù)大壩的施工等級(jí)為二級(jí),使用人工觀測(cè)和巡視的辦法進(jìn)行安全監(jiān)測(cè),工程監(jiān)測(cè)只能及時(shí)觀測(cè)滲流量和水位。使用水尺對(duì)上游壩面進(jìn)行觀測(cè);壩體的滲流量即需要觀測(cè)的滲流量,在下游壩腳集水溝位置設(shè)置三角堰,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)的壩基滲漏量、壩體以及水庫(kù)總滲流量的觀測(cè)。
水庫(kù)受到地震災(zāi)害以后,會(huì)使水庫(kù)的建筑設(shè)施以及水庫(kù)本身受到嚴(yán)重的損壞,給水庫(kù)所在地的沙土密實(shí)度帶來一定的影響,密實(shí)度不高的沙土受到地震災(zāi)害以后會(huì)變得非常松散,使防御洪水災(zāi)害的能力降低。如果想要實(shí)現(xiàn)較好的處理效果,就要對(duì)水庫(kù)中的沙土進(jìn)行換填處理,以此改變和提高水庫(kù)土壤的密實(shí)度,也可以對(duì)水庫(kù)的原有沙土進(jìn)行壓實(shí),以此提升密實(shí)度,并借鑒過往成功的經(jīng)驗(yàn)來采取處理措施。水庫(kù)大壩的坡度比較陡,這樣就會(huì)使壩坡的穩(wěn)定性受到一定的影響,因此需要不斷提升大壩的穩(wěn)定性,對(duì)大壩的壩坡進(jìn)行加固處理。認(rèn)真分析大壩的壩坡以后,采取降低坡度的辦法來處理,主要有削坡和培土這兩種辦法。在實(shí)際施工的時(shí)候,即使使用的材料具有較好的透水性,也要依據(jù)上游和下游的實(shí)際情況來選擇科學(xué)的加固策略。
土石壩在受到重力和其他外力的作用下,會(huì)出現(xiàn)向外移動(dòng)和向下移動(dòng)的走勢(shì),這就對(duì)壩坡內(nèi)巖土的抗剪強(qiáng)度提出了更高的要求,如果土石壩可以抵抗外力說明其是穩(wěn)定的,否則就會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)滑坡等問題。同時(shí),又由于土石壩滑坡受到多種因素的影響,比如雨水滲入、施工方式、施工進(jìn)度以及地震等,這些不利因素的出現(xiàn)都會(huì)引起壩坡內(nèi)孔隙水壓力性質(zhì)的改變,從而嚴(yán)重降低壩坡的抗剪強(qiáng)度。為此,當(dāng)壩坡出現(xiàn)滑坡時(shí),需要從以下幾個(gè)方面做起:(1)對(duì)滑坡出現(xiàn)的原因進(jìn)行全面勘探;(2)進(jìn)行土工試驗(yàn),從而確定滑坡產(chǎn)生的原因;(3)制定具有針對(duì)性的壩體滑坡加固方案。在通常情況下,土石壩加固需要通過人工填筑壩料完成。
本項(xiàng)目提出的非工程措施主要有以下幾個(gè)方面:
(1)建立水庫(kù)工程管理單位,并保證水庫(kù)管理人員管理經(jīng)費(fèi)和水庫(kù)的日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用充足,為水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作的進(jìn)行提供資金基礎(chǔ)。
(2)建立完善的水庫(kù)自動(dòng)化管理機(jī)制,隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異,水庫(kù)管理應(yīng)逐漸向著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。
(3)完善水庫(kù)對(duì)外通訊設(shè)施設(shè)備,對(duì)外通訊設(shè)施設(shè)備是水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作順利、有序開展的根本保證。
(4)不斷加大對(duì)水庫(kù)管理人員的培訓(xùn)力度,努力提升其自身的業(yè)務(wù)素質(zhì)和專業(yè)素養(yǎng),加強(qiáng)計(jì)算機(jī)技術(shù)方面的培訓(xùn)和學(xué)習(xí),以此提升水庫(kù)管理的質(zhì)量和水平。
(5)建立健全水庫(kù)日常檢查、維修養(yǎng)護(hù)以及防汛方案,并認(rèn)真貫徹落實(shí)下去,為水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作的開展提供制度保障。
綜上所述,該水庫(kù)是一個(gè)兼發(fā)電、防洪、養(yǎng)殖為一體的小型水庫(kù),水庫(kù)經(jīng)過多年的運(yùn)行后出現(xiàn)了一系列的病害問題,不能充分發(fā)揮出發(fā)電、防洪等方面的作用。對(duì)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固后,水庫(kù)的安全隱患逐步消失,其設(shè)計(jì)效益也充分發(fā)揮出來,保證了灌區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量的穩(wěn)定,社會(huì)效益顯著。同時(shí),希望通過對(duì)本文的研究,可以對(duì)日后類似水庫(kù)的除險(xiǎn)加固工作帶來幫助和借鑒。