小型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)分析及其穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)研究

莫啟導(dǎo)

(東莞市茅輋水庫管理所，廣東 東莞 523000)

0 引 言

土石壩水庫長期運(yùn)營中往往容易發(fā)生如下的病險(xiǎn)：壩體變形、沉降；壩基或壩體發(fā)生滲流破壞；水工結(jié)構(gòu)上輸水管涵易滲透破損；溢洪道內(nèi)淤積、白蟻侵害腐蝕等等[1]。通常滲流、白蟻侵害往往發(fā)生最為頻繁和常見。所以定期對(duì)土石壩水庫進(jìn)行除險(xiǎn)勘察是預(yù)防水庫病害，維持水庫長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的必須措施[2]。

文章以汕頭某水庫為工程背景，結(jié)合該土石壩水庫的興建歷史和前期勘察及除險(xiǎn)加固施工歷史，對(duì)該水庫進(jìn)行深層次的安全鑒定地質(zhì)勘查工作和既有病險(xiǎn)分析研究工作，為類似的長期運(yùn)營的土石壩水庫病險(xiǎn)分析和穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)做參考。

1 水庫工程概況

水庫位于汕頭市某區(qū)，工程建于1957年，水庫運(yùn)行至今已有60a，是一宗以農(nóng)業(yè)灌溉為主要任務(wù)的小型水庫。目前該水庫擔(dān)負(fù)著該區(qū)大于27公頃農(nóng)田的灌溉任務(wù)，是該區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉的主要水庫之一。

水庫原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200a一遇。水庫原設(shè)計(jì)集雨面積0.25km2，最大壩高14m，壩頂高程為29.00m，壩長210m。溢洪道為開敞式寬頂堰，溢洪道底高程26.86m，相應(yīng)庫容13萬m3。最大庫容為16萬m3。壩下涵管為鋼管，直徑為0.3m，進(jìn)水口涵管底高程為20.21m，涵管長度約46m。水庫主要建筑物有：大壩、溢洪道、輸水涵管、防汛路。

1.1 工程水文地質(zhì)條件

工程所在地區(qū)受太平洋和南海熱帶氣旋影響或直接侵襲頻繁，本地區(qū)的主要自然災(zāi)害為熱帶氣旋和風(fēng)暴潮[3]。

水庫兩邊山體為花崗巖風(fēng)化剝蝕地形，屬粵東低山山谷地貌。兩邊為低山，山勢(shì)北高南低，兩壩頭山體花崗巖球形風(fēng)化較為明顯。現(xiàn)由新至老分述如下：人工填筑層(QS)，主要由花崗巖風(fēng)化土及原沖積黏土質(zhì)砂填筑而成，形成于第四紀(jì)全新世。 第四系沖積層(Qal)，主要由灰黃色黏土、灰黑色淤泥質(zhì)土組成，形成于第四紀(jì)全新世。第四系殘積層(Qel)：主要由灰褐色砂質(zhì)黏性土組成，形成于第四紀(jì)更新世。 燕山晚二期粗粒花崗巖(γ52(3))：風(fēng)化不均勻，夾有少量強(qiáng)風(fēng)化碎塊，多呈粉土質(zhì)砂，形成于燕山期，在壩址區(qū)和庫區(qū)為此種巖性，分布廣。

1.2 不良地質(zhì)現(xiàn)象調(diào)查

庫區(qū)內(nèi)基巖為燕山晚二期的侵入花崗巖，風(fēng)化土層厚，根據(jù)壩址現(xiàn)場勘查及其他相關(guān)資料表明，庫區(qū)地下水分水嶺在水庫周側(cè)山脊[4]。庫區(qū)地下水壩肩地下水位高于水庫正常高水位，庫周未見滲透性良好 的區(qū)域性斷層通過，總體來說，滲漏相對(duì)穩(wěn)定。

庫區(qū)兩岸無重要建筑物、農(nóng)作物，沒有廠礦，水位達(dá)到正常高水位，水庫蓄水后，水位上升，雖局部引起地下水位壅高，但不會(huì)導(dǎo)致土地嚴(yán)重沼澤化的現(xiàn)象的出現(xiàn)，亦不會(huì)產(chǎn)生淹沒及浸沒的現(xiàn)象。

庫岸地形坡度較緩，地表覆蓋第四系沖積土層，可供水土流失的陸源碎屑較多。在雨季，可能會(huì)造成一定的水土流失，是水庫淤積的主要物質(zhì)來源，但庫尾植被較發(fā)育，且?guī)熘艿匦纹骄?，固體徑流量不大，淤積不嚴(yán)重。

在整個(gè)庫區(qū)未發(fā)現(xiàn)有影響水庫安全的大型滑坡、崩塌等外動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象，水庫其余庫周巖土體完整性較好，自然邊坡整體穩(wěn)定性尚好，未發(fā)生大范圍的庫岸再造問題，總體而言，庫區(qū)庫岸較穩(wěn)定。

2 水庫工程質(zhì)量分析及評(píng)價(jià)

經(jīng)過現(xiàn)場檢查，結(jié)合本次安全鑒定的地質(zhì)勘探成果和測(cè)量成果發(fā)現(xiàn)，水庫大壩、溢洪道及輸水涵管均存在一定的質(zhì)量及安全隱患。

2.1 壩體填筑質(zhì)量評(píng)價(jià)

水庫建于1957年，大壩為均質(zhì)土壩。由于工程建設(shè)期間大壩填土壓實(shí)質(zhì)量難以控制，給工程留下了一定的隱患。經(jīng)過幾十年來的維修養(yǎng)護(hù)和2008年的除險(xiǎn)加固時(shí)對(duì)水庫壩體進(jìn)行充填黏土灌漿，提高了壩體填土的密實(shí)度，減少了大壩的滲流量。

據(jù)現(xiàn)場注水試驗(yàn)，壩體填土層的滲透系數(shù)平均值為3.63×10-5cm/s，屬弱透水層，其室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果顯示，填筑土層滲透系數(shù)平均值為2.52×10-5cm/s，屬弱透水層。 結(jié)合現(xiàn)場注水試驗(yàn)及室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果，滿足SL251-2000 規(guī)范規(guī)定的均質(zhì)土壩碾壓后滲透系數(shù)<1.0×10-4cm/s的規(guī)定。

2.2 護(hù)坡質(zhì)量評(píng)價(jià)

大壩上游坡采用混凝土護(hù)面，運(yùn)行至今多年，現(xiàn)場檢查大壩迎水坡混凝土整體性較好，現(xiàn)場混凝土強(qiáng)度檢測(cè)為13.5-17.5MPa，保養(yǎng)管理較好。大壩下游坡為草皮護(hù)坡，坡面凹凸不平，局部土體裸露。

2.3 溢洪道質(zhì)量評(píng)價(jià)

水庫溢洪道為漿砌石結(jié)構(gòu)，底板為混凝土護(hù)面，現(xiàn)場混凝土強(qiáng)度監(jiān)測(cè)為14.0MPa；整體性較好，無雜草叢生破損等情況。

2.4 輸水涵管質(zhì)量評(píng)價(jià)

輸水涵管為壩下埋管，位于大壩右側(cè)，為2008年除險(xiǎn)加固時(shí)新建的φ300鋼管，管底進(jìn)口高程為20.21m，出口高程為19.10m，長46m。輸水涵管在壩頂迎水面設(shè)置有閘門啟閉機(jī)室，涵管鑄鐵閘門采 用斜拉式手動(dòng)啟閉機(jī)操作。

根據(jù)現(xiàn)場檢查檢測(cè)壩后露天段涵管厚度在7.28-7.42mm之間，經(jīng)過12a的運(yùn)行，涵管主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀較好，閘門和啟閉機(jī)操作運(yùn)行較好，無重大問題。

2.5 工程質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

經(jīng)過現(xiàn)場檢查，以及結(jié)合地質(zhì)資料可以看出，水庫大壩、溢洪道、輸水涵管情況整體較好，只是質(zhì)量存在一些不足，具體如下：①大壩壩體填筑質(zhì)量經(jīng)2008年除險(xiǎn)加固后，整體質(zhì)量較好，現(xiàn)場注水試驗(yàn)結(jié)果及室內(nèi)檢測(cè)結(jié)果均滿足規(guī)范要求，無滲漏現(xiàn)象。壩頂路面為泥結(jié)碎石路面，建議可采用混凝土進(jìn)行加固，迎水坡混凝土護(hù)面保存較為良好，背水坡坡面不平整，有雜草且部分裸露建議加固。②現(xiàn)狀溢洪道底板保存較好，運(yùn)行無問題。③涵管運(yùn)行較好，無問題。工程質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)為合格。

3 水庫工程病險(xiǎn)分析及評(píng)價(jià)

3.1 防洪能力復(fù)核評(píng)價(jià)

3.1.1 洪水復(fù)核

本次安全鑒定采用1/10000地形圖。對(duì)水庫的集雨面積、河流長度和河流比降進(jìn)行了復(fù)算，復(fù)算結(jié)果為水庫集雨面積F=0.242km2，河流長度L=1.83km，河道綜合比降J=0.08。設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)表如表1所示。

表1 水庫設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)表 mm

采用推理公式法進(jìn)行推算，為了準(zhǔn)確地反映本地區(qū)的洪水特性，以《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》為基礎(chǔ)，通過調(diào)整推理公式的匯流系數(shù)m值，并結(jié)合工程集水區(qū)下墊面情況，進(jìn)行洪水過程的計(jì)算過程，其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 水庫設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

3.1.2 調(diào)洪計(jì)算

水庫洪水來時(shí)，洪水自溢洪道下泄，由于洪水來水>溢洪道泄量，部分洪水蓄在庫內(nèi)，水庫水位抬高，當(dāng)洪峰出現(xiàn)后，洪水來水逐漸減小，直至來水等于出流量時(shí)，水庫出現(xiàn)最高庫水位，洪峰過后，庫水位逐漸回落，調(diào)洪演算成果見表3。本次調(diào)洪計(jì)算使用程序“廣東水文水利設(shè)計(jì)計(jì)算軟件平臺(tái)”進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，調(diào)洪計(jì)算成果如下。

表3 調(diào)洪演算計(jì)算成果表

水庫上次除險(xiǎn)加固洪水成果為：設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇，設(shè)計(jì)洪峰流量13.0m3/s，相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水位27.71m(已換算為同一高程系)；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200a一遇，洪峰流量18.0m3/s，相應(yīng)的校核洪水位28.15m。本次防洪安全復(fù)核，本水庫按大陸高丘區(qū)標(biāo)準(zhǔn)采用，洪水標(biāo)準(zhǔn)不變，設(shè)計(jì)洪水按20a一遇，校核洪水按200a一遇計(jì)算。設(shè)計(jì)洪峰流量14.51m3/s，比原成果13.0m3/s 大；校核洪峰流量21.13m3/s，比原成果18.0m3/s 大。經(jīng)調(diào)洪演算，設(shè)計(jì)洪水位27.45m，比原設(shè)計(jì)洪水位相差0.26m，校核洪水位為 27.70m，與原校核洪水位相差 0.45m[5-6]。

3.1.3 防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核結(jié)論

通過上述計(jì)算分析，對(duì)水庫防洪問題得出如下結(jié)論：原設(shè)計(jì)的大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)洪水符合要求；水庫大壩的實(shí)際抗洪能力能滿足國家現(xiàn)行規(guī)范要求。綜上所述，結(jié)合《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL258-2017)：大壩防洪安全性評(píng)價(jià)：A級(jí)。

3.2 滲流安全評(píng)價(jià)

3.2.1 滲透穩(wěn)定分析

根據(jù)本次現(xiàn)場注水試驗(yàn)，壩體填土層的滲透系數(shù)范圍值為3.40×10-5-4.07×10-5cm/s，平均值為3.63×10-5cm/s，屬弱透水層，其室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果顯示，填筑土層滲透系數(shù)范圍值為5.14×10-6cm/s-8.88×10-5cm/s，平均值為2.52×10-5cm/s，標(biāo)準(zhǔn)值為7.28×10-5cm/s，屬弱透水層。

結(jié)合現(xiàn)場注水試驗(yàn)及室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果，滿足SL 251-2000 規(guī)范規(guī)定的均質(zhì)土壩碾壓后滲透系數(shù)<1.0×10-4cm/s的規(guī)定。

3.2.2 滲流量計(jì)算分析

滲流計(jì)算方法及工況，水庫大壩滲流計(jì)算考慮下列兩種水位組合情況：

1)工況1：上游正常高水位(26.86m)與下游相應(yīng)的最低水位的穩(wěn)定滲流。

2)工況2：水庫水位從設(shè)計(jì)洪水位(27.45m)降至死水位(20.21m)的不穩(wěn)定滲流。

現(xiàn)狀大壩下游砌石排水體基本完好，因此滲流穩(wěn)定計(jì)算考慮排水體作用。計(jì)算方法為滲流有限元分析法，采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所《滲流分析軟件》計(jì)算,大壩土層滲流計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 大壩滲流計(jì)算參數(shù)表

滲透坡降計(jì)算，采用大壩下游最低水位工況，計(jì)算背水坡滲流出口比降。

1)滲出點(diǎn)A 點(diǎn)：

(1)

2)壩坡與不透水面交點(diǎn)B 點(diǎn)：

(2)

式中：m2為背水坡滲流出口處坡率。

該壩為均質(zhì)土壩，大壩主要有砂土、黏性土，花崗巖殘積土組成。 根據(jù)《滲流分析軟件》計(jì)算滲流結(jié)果見表5。

表5 大壩滲流計(jì)算成果

根據(jù)本次壩基、壩體的滲透試驗(yàn)成果，大壩滲流量計(jì)算成果比較小,說明十二年前除險(xiǎn)加固的壩體灌漿有效果。因水庫未設(shè)置滲流觀測(cè)設(shè)備，也未設(shè)置滲流量水堰，無法準(zhǔn)確觀測(cè)實(shí)際的滲流量，不能和理論計(jì)算滲流量作比較，故建議盡快配套滲流觀測(cè)設(shè)備和設(shè)計(jì)量水堰。

3.2.3 滲流安全綜合評(píng)價(jià)

水庫溢洪道為漿砌石結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)較好，現(xiàn)狀溢洪道情況良好，溢洪道底板為混凝土底板，是2008年除險(xiǎn)加固的時(shí)候進(jìn)行鋪設(shè)的，目前運(yùn)行較為良好。因此，對(duì)溢洪道滲流安全作出評(píng)價(jià)，認(rèn)為溢洪道滲流暫時(shí)安全。涵管為2008年水庫除險(xiǎn)加固時(shí)新建，輸水涵管運(yùn)行多年滲流無發(fā)現(xiàn)異常，因此，對(duì)輸水涵管滲流安全作出評(píng)價(jià)，認(rèn)為輸水涵管滲流 基本安全綜上所述，判定大壩的滲流安全性級(jí)別為B級(jí)，溢洪道的滲流安全性級(jí)別為B級(jí)，輸水涵管的滲流安全性級(jí)別為B級(jí)。大壩滲流安全性評(píng)價(jià)：B級(jí)。

3.3 白蟻防治評(píng)價(jià)分析

3.3.1 白蟻危險(xiǎn)現(xiàn)狀

充足的雨量及日照給予植被提供了良好的生長環(huán)境，同時(shí)也給白蟻的繁殖發(fā)展提供了優(yōu)越的條件，使得蟻被仍分布于土壩壩面，特別是土壩背水坡，雜草叢生，危害大壩安全。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，壩后坡雜草叢生，扒開草叢，發(fā)現(xiàn)有白蟻，土壩整體蟻害較為嚴(yán)重。

3.3.2 白蟻防治措施

水庫白蟻防治可借鑒臨近水庫白蟻防治的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)庫區(qū)開展白蟻滅殺工作。水庫白蟻防治采用 “三環(huán)節(jié)、八程序”和“以引代找、引結(jié)合”的技術(shù)措施，使用水利白蟻防治中心站研制的ASP 誘殺片與DB 型滅蟻誘餌對(duì)土壩及周邊白蟻源區(qū)的蟻害進(jìn)行徹底滅殺，具體措施如下：

1)對(duì)壩體分群孔、泥被泥線、雞叢菌投放DB 型滅蟻誘餌條進(jìn)行滅殺白蟻，埋設(shè)ASP型誘殺片進(jìn)行誘殺白蟻、徹底清除大壩白蟻隱患。

2)對(duì)壩體周邊50m范圍內(nèi)蟻源區(qū)的分群孔、泥被泥線、雞叢菌、爛樹頭、爛樹枝等投放滅蟻藥物進(jìn)行滅殺；擬近似等高線，高差5-10m，寬 1m 左右開辟工作道(主要方便放藥、檢查)，沿工作道兩邊間隔5-10m埋設(shè)ASP型誘殺片。每次檢查時(shí)，如發(fā)現(xiàn)白蟻蛀食完藥片，還有白蟻活動(dòng)新跡象時(shí)，應(yīng)另選位置理設(shè)新的藥片，滅殺蟻源區(qū)白蟻。

3.4 綜合安全評(píng)價(jià)評(píng)估

根據(jù)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL258-2017)，將本工程大壩安全分類為二類壩。過去特定歷史期間施工以當(dāng)?shù)剞r(nóng)民人力土法施工，碾壓不密實(shí)，施工質(zhì)量差。 整個(gè)施工過程中缺乏必要的不同高程不同部位碾壓取樣的檢測(cè)、試驗(yàn)資料，因此，施工中難于控制、改進(jìn)土壩施工質(zhì)量。需要加大病險(xiǎn)水庫排查和整治工作。水庫樞紐工程建成至今，發(fā)揮了較大的經(jīng)濟(jì)效益。但由于水庫存在一些病險(xiǎn)，水庫大壩安全分類為二類壩。為了更好地發(fā)揮水庫蓄水興利功能，充分利用水資源，增加供水效益，確保水庫安全，該水庫必須加強(qiáng)管理，進(jìn)行徹底的整治加固。

根據(jù)水庫大壩目前的狀況，大壩安全分類為二類壩。為了保證大壩的安全運(yùn)行，對(duì)目前水庫運(yùn)行和修繕措施提出如下建議：

1)加強(qiáng)大壩安全觀測(cè)和巡查工作，配套完善監(jiān)測(cè)管理設(shè)施，配備專業(yè)技術(shù)人員加強(qiáng)管理。

2)在大壩主體必須進(jìn)行白蟻的滅殺和大壩前后坡的除草工作，消除危害。對(duì)大壩上壩道路進(jìn)行清障除草，對(duì)存在的問題進(jìn)行修復(fù)。

4 結(jié)論和展望

對(duì)該水庫進(jìn)行詳細(xì)勘察和病險(xiǎn)評(píng)估分析后得出大壩安全為二類壩，整體運(yùn)行較規(guī)范、工程質(zhì)量合格，重點(diǎn)整治白蟻和壩后除草，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的結(jié)論。為了更好地發(fā)揮水庫蓄水興利功能，充分利用水資源，增加供水效益，確保水庫安全，水庫必須加強(qiáng)管理，進(jìn)行徹底的整治加固。

大壩在除險(xiǎn)勘察分析中，勘察手段往往比較綜合，文章研究中主要借助鉆探和室內(nèi)試驗(yàn)和調(diào)查的手段，往往對(duì)于一些水工結(jié)構(gòu)的探測(cè)需要使用先進(jìn)的物探手段，文章在這方面研究較少，這也是水庫除險(xiǎn)勘察未來重要的技術(shù)研究方向。