中小型水库的除险加固设计研究
周浩天
【摘 要】本文介绍了中小型水库的概况和一般存在的工程问题，介绍了中小型水库加固设计中易遇到的问题，并对加固设计中应注意的关键和一般加固方案进行了探讨。
【关键词】中小型水库；加固；设计；非工程措施
Design Danger small reservoir reinforcement
Zhou Hao-tian
(Wujiaqu NongLiuShi Survey and Design Research Ltd Wujiaqu Xinjiang 831300)
【Abstract】This paper describes an overview of the small and medium sized reservoirs and engineering problems exist in general, about the issues that small reservoir reinforcement design easily met, and reinforcement design should pay attention to the key and the general strengthening program were discussed.
【Key words】Small reservoirs;Reinforcement;Design;Non-engineering measures
1. 我国中小型水库现状
目前，我国已建成水库共有8万多座，水库总库容近5000亿立方米。由于这些水库大部分修建于50年代到70年代，限于当时的历史条件和由于水库设计、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，“汛期不敢蓄水，汛后无水可蓄”，国家投巨资兴建的水库不得不低水位运行，达不到调蓄水资源的目的，严重影响水库工程效益的发挥。据有关部门统计，全国存在病险问题的水库所损失的防洪库容高达55亿立方米、兴利库容约120亿立方米。水库的病险问题也给水库下游城乡人民群众生命财产的安全构成威胁，一些城市和县城由于地处水库下游，犹如“头顶一盆水”，如果水库险情得不到及时处理，后果将是十分严重的。
2. 存在问题
由于大多数水库建于20 世纪50年代后期至70 年代初期，在此期间修建的中小型水库多属“三无”或“三边”工程。因此，中小型水库存在很多问题：
2.1 病险率高，病害严重。据统计，现有中小型病险库三百多座，占中小型水库总数的40％左右。防洪标准低、大坝渗漏、裂缝和坝坡滑塌、溢洪道泄洪标准不够、放水建筑物不能发挥正常功能等问题普遍存在。仅小型水库中，全省就有114 座小（一）型水库和208 座小（二）型水库的防洪标准达不到部颁除险加固非常运用标准。
2.2缺乏大坝安全观测、水情测报和防汛抢险设施，工程盲目运行，极易失事。
2.3 管理工作薄弱，特别是乡村管理的小型水库，日常管理和养护工作无人负责，安全管理责任无法落实。
3. 中小型水库病险原因分析及对策
3.1 坝基渗漏。很多病险库都存在坝基渗漏问题，究其原因有很多，但大多数病险水库是因为水库在上世纪50 至70 年代建成，属于“三边”工程，对坝基没有很好的按技术要求进行处理，不是清基不到位导致坝基坝体接触面成为渗水薄弱环节，就是截水槽的开挖深度不够，留下了渗水通道，或者坝体填筑标准不够，压实度根本满足不了设计要求，给坝体稳定埋下安全隐患。有些水库的坝基渗漏是因为坝基位于覆盖层上，而覆盖层的渗透系数大，允许渗透比降较低，原设计的坝基截水槽或者其它处理措施的深度没有达到相对不透水层或者截水悬挂帷幕的深度不够，不能有效的阻止渗漏或延长渗径，甚至就根本没有进行坝基处理。针对这些情况，可结合覆盖层的深浅、库区情况、附近粘土料源实际进行垂直截渗或者水平铺盖。如果覆盖层很厚，而附近又有丰富的粘土料源，施工没有太大困难，则采取水平铺盖是比较适宜的；相反，如果附近没有粘土料源，覆盖层又较薄，采取垂直防渗的优越性就比较明显。在垂直截渗墙的方案选择中，还应根据覆盖层的颗粒级配情况，施工场地情况，结合经济指标分析进行选择。如覆盖层为砂卵石，厚度超过30m，选择混凝土截渗墙比较稳妥；如果为粉细砂，厚度又较小，则采用高喷灌浆即可。
3.2 坝体渗漏。坝体渗漏多由于坝体填筑材料或者填筑标准不符合要求，密实度不够，渗透系数偏大。针对类似这种情况，采取如下三种措施比较适宜：
3.2.1 首先应对坝体进行必要的充填灌浆，增加坝体的密实度，然后在坝体上游坡铺设复合土工膜，要注意处理好土工膜与坝基的结合部位。
3.2.2 采用劈裂灌浆，劈裂灌浆利用了坝体填筑的自然应力状态，是一种既节约又效果良好的措施。对于坝体填筑标准不符合要求的，可以劈裂两排，不但可以在两排之间形成很好的防渗层，而且因为其灌浆压力较大，还可以在两排灌浆孔以外的一定范围内，对坝体起到较好的加固作用。另外，还可以将坝基一定深度地劈开，对坝体和坝基的结合面也起到很好的防渗作用。
3.2.3 根据工程的具体情况，采取在上游坝坡贴防渗斜墙、铺设复合土工膜、加大坝体断面等措施。例如黄陵郑家河水库的坝体加固就采用了临水侧铺设复合土工膜的措施，效果良好。
3.3 坝体稳定不满足规范要求。
（1）常见的原因有上游坝体渗透系数太小而坡比较陡，浸润线偏高，坝体断面偏陡等。根据规范规定，坝体稳定应对正常运行期的上下游坝坡、水位骤降的上游坝坡、一定蓄水位与地震组合的上下游坝坡、施工期上下游坝坡进行抗滑稳定验算。
（2）如果上游坝体渗透系数太小而坡比较陡，使得在水位骤降工况下，上游坝体内的水不能及时排出坝体，增大了土体重量（此时一般为饱和容重），由于含水量大而减小了凝聚力和内摩擦角，从而造成上游坡失稳，处理措施一般是减缓坝坡。
（3）如果浸润线偏高，说明坝下游坡脚的排水不畅，坝体各层之间的渗透性不完全符合逐渐增大的原则，处理措施主要是增加坝体内部排水和坝坡脚排水体，一般采用棱体排水。当然也可放缓坝坡，但往往不经济。例如洋县的沙河水库加固工程，因下游坡脚褥垫式排水出口被鱼池堵死，导致下游坡脚排水不
畅，通过在鱼池与坝脚之间开挖导渗沟，增加排水棱体，使褥垫式排水口外露，彻底疏通了排水通道，除险加固以后，运行良好。
（4）坝体断面偏陡一般采取的措施是加培断面，如果工程实际情况允许，结合技术经济指标分析，也可在上游加培。需要注意，在这种情况下应复核施工期坝坡稳定。例如陕北的姬滩水库，坝前淤积经过多年沉积，具有较好的密实性、均匀性，在施工前进行了导流排水、拉沟晾晒等措施处理，成功的在坝前进行了加培，降低了工程造价。除险加固后，水库运行良好。
3.4 溢洪道布置不合理、泄洪标准不够。
（1）多数病险水库的溢洪道设计平面布置不尽合理，这种情况多出现在岩石基础上，由于多为人工开挖，所以经常按照岩体的坚硬程度变化，随意性较大，很少能按设计线路完成施工。尤其是控制段的体型，即不是WES 堰，也不是直坎宽顶堰（驼峰堰非常少见），梯形的断面型式居多，这与当时的施工水平也有很大关系，造成泄洪时流量系数不够，从而泄洪能力不足。
（2）常见的问题还有纵剖面设计、消能设施设计不合理，空蚀破坏严重，经常是泄一次洪就被破坏一次，坡与坡的衔接、泄槽与消力池的衔接非常的不合理，又没有补气措施，所以经常空蚀破坏。
（3）溢洪道的泄槽底板下的排水措施很薄弱，有的根本没有排水系统，从而泄洪时造成失稳破坏。
（4）针对以上情况，应该根据《溢洪道设计规范》（SL252- 2000）， 结合工程实际情况，对平面布置、控制段、泄槽、排水、消能设施等进行系统设计，结合水库调洪，认真复核泄量，使其满足现行规范要求。例如某水库除险加固，通过在底板和侧墙上增设排水孔，消力池底板下增设排水廊道等一整套排水系统，很好地解决了溢洪道的排水问题。截至目前，运行良好。
3.5 放水设施老化失修，不满足原设计要求。这种情况多出现于陕北病险水库，原工程绝大多数为放水卧管，年久失修，淤积严重，不能满足放水要求，一般应废弃原放水卧管，另建放水塔。但要充分考虑水库淤积发展对放水的影响。一般放水塔采用分层取水的形式。
3.6 其他常见病害。
（1）其它常见的病害还有：上游坝坡无护坡、下游坝坡无排水或者排水系统不完整、坝顶宽度不足、坝顶高度不够、背水坡脚无反滤、无监测设施等等，针对这些问题，应该根据工程等级，严格按照《碾压土石坝设计规范》（SL274- 2001）进行完善设计，这里不再累赘。
（2）应该说明的是，不论什么病害，均应认真分析原因，结合工程实际，进行详细的技术经济比较后合理选择方案，不能盲目或者主观的采取措施，避免采取的措施不力，造成投资浪费。
（3）除上述工程措施外，还应强调的是，应加强对监测资料的整理和分析，为工程的安全运行提供科学依据；加强非工程措施的投入和管理，对施工质量的管理和工程运行的维护管理，落实安全责任。
4. 结语
综上所述，做好中小型水库除险加固工作对促进地区经济发展，保障社会稳定意义重大。而要做好除险加固设计，首先要认真分析病害及其原因，然后才能对症下药，采取适宜的措施进行加固，达到既能使水库正常运行，又能减少工程造价的目的。同时，应重视非工程措施的落实，这样才能保证加固后的长期正常运行。
【摘 要】本文介绍了中小型水库的概况和一般存在的工程问题，介绍了中小型水库加固设计中易遇到的问题，并对加固设计中应注意的关键和一般加固方案进行了探讨。
【关键词】中小型水库；加固；设计；非工程措施
Design Danger small reservoir reinforcement
Zhou Hao-tian
(Wujiaqu NongLiuShi Survey and Design Research Ltd Wujiaqu Xinjiang 831300)
【Abstract】This paper describes an overview of the small and medium sized reservoirs and engineering problems exist in general, about the issues that small reservoir reinforcement design easily met, and reinforcement design should pay attention to the key and the general strengthening program were discussed.
【Key words】Small reservoirs;Reinforcement;Design;Non-engineering measures
1. 我国中小型水库现状
目前，我国已建成水库共有8万多座，水库总库容近5000亿立方米。由于这些水库大部分修建于50年代到70年代，限于当时的历史条件和由于水库设计、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，“汛期不敢蓄水，汛后无水可蓄”，国家投巨资兴建的水库不得不低水位运行，达不到调蓄水资源的目的，严重影响水库工程效益的发挥。据有关部门统计，全国存在病险问题的水库所损失的防洪库容高达55亿立方米、兴利库容约120亿立方米。水库的病险问题也给水库下游城乡人民群众生命财产的安全构成威胁，一些城市和县城由于地处水库下游，犹如“头顶一盆水”，如果水库险情得不到及时处理，后果将是十分严重的。
2. 存在问题
由于大多数水库建于20 世纪50年代后期至70 年代初期，在此期间修建的中小型水库多属“三无”或“三边”工程。因此，中小型水库存在很多问题：
2.1 病险率高，病害严重。据统计，现有中小型病险库三百多座，占中小型水库总数的40％左右。防洪标准低、大坝渗漏、裂缝和坝坡滑塌、溢洪道泄洪标准不够、放水建筑物不能发挥正常功能等问题普遍存在。仅小型水库中，全省就有114 座小（一）型水库和208 座小（二）型水库的防洪标准达不到部颁除险加固非常运用标准。
2.2缺乏大坝安全观测、水情测报和防汛抢险设施，工程盲目运行，极易失事。
2.3 管理工作薄弱，特别是乡村管理的小型水库，日常管理和养护工作无人负责，安全管理责任无法落实。
3. 中小型水库病险原因分析及对策
3.1 坝基渗漏。很多病险库都存在坝基渗漏问题，究其原因有很多，但大多数病险水库是因为水库在上世纪50 至70 年代建成，属于“三边”工程，对坝基没有很好的按技术要求进行处理，不是清基不到位导致坝基坝体接触面成为渗水薄弱环节，就是截水槽的开挖深度不够，留下了渗水通道，或者坝体填筑标准不够，压实度根本满足不了设计要求，给坝体稳定埋下安全隐患。有些水库的坝基渗漏是因为坝基位于覆盖层上，而覆盖层的渗透系数大，允许渗透比降较低，原设计的坝基截水槽或者其它处理措施的深度没有达到相对不透水层或者截水悬挂帷幕的深度不够，不能有效的阻止渗漏或延长渗径，甚至就根本没有进行坝基处理。针对这些情况，可结合覆盖层的深浅、库区情况、附近粘土料源实际进行垂直截渗或者水平铺盖。如果覆盖层很厚，而附近又有丰富的粘土料源，施工没有太大困难，则采取水平铺盖是比较适宜的；相反，如果附近没有粘土料源，覆盖层又较薄，采取垂直防渗的优越性就比较明显。在垂直截渗墙的方案选择中，还应根据覆盖层的颗粒级配情况，施工场地情况，结合经济指标分析进行选择。如覆盖层为砂卵石，厚度超过30m，选择混凝土截渗墙比较稳妥；如果为粉细砂，厚度又较小，则采用高喷灌浆即可。
3.2 坝体渗漏。坝体渗漏多由于坝体填筑材料或者填筑标准不符合要求，密实度不够，渗透系数偏大。针对类似这种情况，采取如下三种措施比较适宜：
3.2.1 首先应对坝体进行必要的充填灌浆，增加坝体的密实度，然后在坝体上游坡铺设复合土工膜，要注意处理好土工膜与坝基的结合部位。
3.2.2 采用劈裂灌浆，劈裂灌浆利用了坝体填筑的自然应力状态，是一种既节约又效果良好的措施。对于坝体填筑标准不符合要求的，可以劈裂两排，不但可以在两排之间形成很好的防渗层，而且因为其灌浆压力较大，还可以在两排灌浆孔以外的一定范围内，对坝体起到较好的加固作用。另外，还可以将坝基一定深度地劈开，对坝体和坝基的结合面也起到很好的防渗作用。
3.2.3 根据工程的具体情况，采取在上游坝坡贴防渗斜墙、铺设复合土工膜、加大坝体断面等措施。例如黄陵郑家河水库的坝体加固就采用了临水侧铺设复合土工膜的措施，效果良好。
3.3 坝体稳定不满足规范要求。
（1）常见的原因有上游坝体渗透系数太小而坡比较陡，浸润线偏高，坝体断面偏陡等。根据规范规定，坝体稳定应对正常运行期的上下游坝坡、水位骤降的上游坝坡、一定蓄水位与地震组合的上下游坝坡、施工期上下游坝坡进行抗滑稳定验算。
（2）如果上游坝体渗透系数太小而坡比较陡，使得在水位骤降工况下，上游坝体内的水不能及时排出坝体，增大了土体重量（此时一般为饱和容重），由于含水量大而减小了凝聚力和内摩擦角，从而造成上游坡失稳，处理措施一般是减缓坝坡。
（3）如果浸润线偏高，说明坝下游坡脚的排水不畅，坝体各层之间的渗透性不完全符合逐渐增大的原则，处理措施主要是增加坝体内部排水和坝坡脚排水体，一般采用棱体排水。当然也可放缓坝坡，但往往不经济。例如洋县的沙河水库加固工程，因下游坡脚褥垫式排水出口被鱼池堵死，导致下游坡脚排水不
畅，通过在鱼池与坝脚之间开挖导渗沟，增加排水棱体，使褥垫式排水口外露，彻底疏通了排水通道，除险加固以后，运行良好。
（4）坝体断面偏陡一般采取的措施是加培断面，如果工程实际情况允许，结合技术经济指标分析，也可在上游加培。需要注意，在这种情况下应复核施工期坝坡稳定。例如陕北的姬滩水库，坝前淤积经过多年沉积，具有较好的密实性、均匀性，在施工前进行了导流排水、拉沟晾晒等措施处理，成功的在坝前进行了加培，降低了工程造价。除险加固后，水库运行良好。
3.4 溢洪道布置不合理、泄洪标准不够。
（1）多数病险水库的溢洪道设计平面布置不尽合理，这种情况多出现在岩石基础上，由于多为人工开挖，所以经常按照岩体的坚硬程度变化，随意性较大，很少能按设计线路完成施工。尤其是控制段的体型，即不是WES 堰，也不是直坎宽顶堰（驼峰堰非常少见），梯形的断面型式居多，这与当时的施工水平也有很大关系，造成泄洪时流量系数不够，从而泄洪能力不足。
（2）常见的问题还有纵剖面设计、消能设施设计不合理，空蚀破坏严重，经常是泄一次洪就被破坏一次，坡与坡的衔接、泄槽与消力池的衔接非常的不合理，又没有补气措施，所以经常空蚀破坏。
（3）溢洪道的泄槽底板下的排水措施很薄弱，有的根本没有排水系统，从而泄洪时造成失稳破坏。
（4）针对以上情况，应该根据《溢洪道设计规范》（SL252- 2000）， 结合工程实际情况，对平面布置、控制段、泄槽、排水、消能设施等进行系统设计，结合水库调洪，认真复核泄量，使其满足现行规范要求。例如某水库除险加固，通过在底板和侧墙上增设排水孔，消力池底板下增设排水廊道等一整套排水系统，很好地解决了溢洪道的排水问题。截至目前，运行良好。
3.5 放水设施老化失修，不满足原设计要求。这种情况多出现于陕北病险水库，原工程绝大多数为放水卧管，年久失修，淤积严重，不能满足放水要求，一般应废弃原放水卧管，另建放水塔。但要充分考虑水库淤积发展对放水的影响。一般放水塔采用分层取水的形式。
3.6 其他常见病害。
（1）其它常见的病害还有：上游坝坡无护坡、下游坝坡无排水或者排水系统不完整、坝顶宽度不足、坝顶高度不够、背水坡脚无反滤、无监测设施等等，针对这些问题，应该根据工程等级，严格按照《碾压土石坝设计规范》（SL274- 2001）进行完善设计，这里不再累赘。
（2）应该说明的是，不论什么病害，均应认真分析原因，结合工程实际，进行详细的技术经济比较后合理选择方案，不能盲目或者主观的采取措施，避免采取的措施不力，造成投资浪费。
（3）除上述工程措施外，还应强调的是，应加强对监测资料的整理和分析，为工程的安全运行提供科学依据；加强非工程措施的投入和管理，对施工质量的管理和工程运行的维护管理，落实安全责任。
4. 结语
综上所述，做好中小型水库除险加固工作对促进地区经济发展，保障社会稳定意义重大。而要做好除险加固设计，首先要认真分析病害及其原因，然后才能对症下药，采取适宜的措施进行加固，达到既能使水库正常运行，又能减少工程造价的目的。同时，应重视非工程措施的落实，这样才能保证加固后的长期正常运行。
