试论病险水库加固措施

试论病险水库加固措施
牛运光

　　摘要加快病险水库除险加固，确保水库安全，充分发挥防洪和兴利效益，对促进国民经济发展和人民生活水平的提高，具有重要意义。提高水库防洪标准主要采用加高大坝、增加水库调蓄洪水能力和扩建、增建溢洪道的办法，提高水库工程质量重点要解决好防渗问题。
　　关键词病险水库加固措施大坝

　　加快病险水库除险加固，确保水库安全，充分发挥防洪和兴利效益，对促进经济与社会的发展，具有十分重要的意义。

　　一、提高水库防洪标准的工程措施

　　提高水库防洪标准的工程措施：一是加高大坝、增加水库调蓄洪水能力，对削减洪峰的作用较大，对下游淹没影响也较小；二是扩建或增建溢洪道，加大泄洪量，对削减洪峰的作用不是太大，但对下游淹没影响却较大。据分析，单独采用加高大坝措施的水库，最大泄流量一般为最大入库洪峰流量的40%以下；单独采用扩建或增建溢洪道措施的水库，最大泄流量一般为最大入库洪峰流量的70%以上。因此，对下游防洪有重要要求的水库应尽可能采取以增加坝高为主，必要时再结合扩建泄洪设施的办法进行。

　　对已建成的水库，经过一段时间运行，要进行工程安全鉴定。如发现防洪标准偏低或较大的工程质量问题，要及时进行扩建加固。一般加固顺序，应先处理工程质量，然后提高防洪标准，也可结合提高防洪标准，一并进行处理。

　　1.大坝加高

　　适当加高大坝，可以较大地增加调蓄能力，提高防洪标准。一般采取以下措施。

　　①“戴帽”加高

　　从坝顶上直接加高，而不是从背坡脚开始培厚加高。加高部分，迎水面可以利用防浪墙直立加高，背水面上部坡度加陡一些，与下游坡面相接，一般也应经过计算，在安全的条件下进行。限于坝坡稳定的要求，加高的高度有一定限制，不能加高过大，影响坝坡稳定。一般加高1～2m，最大不宜超过3m。如加高过多，则必须加宽坝身。一般从背水坡脚加宽加厚，保证坝坡稳定。如福建省的汀溪水库（中型），在河南省“75·8”大洪水后，经复核防洪标准偏低，采取相应的工程措施，将主副坝戴帽加高50cm，即满足可能最大洪水标准的要求，核算后坝坡也是稳定的。

　　②从大坝背水坡培厚加高

　　这一措施，比“戴帽”加高工程量要大，造价也高。但为了满足大坝坝坡稳定的要求，也只有采取这一措施。加高大坝可以超过3m，根据需要来定。如山西省漳泽水库（大型），防洪标准仅有百年一遇洪水。为提高水库防洪标准，从背水坡坝脚培厚加高大坝5m，同时延长坝内输水涵洞工程，以满足规范要求的防洪标准。

　　2.溢洪道拓宽、加深或增建

　　① 溢洪道拓宽，并增设闸门

　　在地形、地质条件许可而且增加开挖量不大的情况下，将原溢洪道拓宽，而不降低堰顶高程，这是增加下泄流量、提高防洪标准的一项措施，投资也比较少，但不应增加泄流量过多，以免加重下游河道的负担。

　　② 溢洪道加深，并安设闸门

　　像福建省杜塘水库（中型），原有溢洪道设有6m高的溢流堰一道，堰顶自由溢流，未设闸门，为提高防洪标准，将原有实用堰降低3.5m，并增建闸门4孔，加大了下泄流量，满足了防洪标准的要求。

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③ 溢洪道拓宽、堰顶降低并增设闸门

　　采取这一措施提高防洪标准，如福建省活盘水库（中型），经过洪水复核，设计洪水位超过坝顶1.25m。为了提高防洪标准，将溢洪道拓宽1.5m，堰顶降低2.5m，并安设闸门，不仅可以提高防洪标准，还可以把正常高水位提高2.5m，相应增加库容3500万m3。

　　④ 增设溢洪道

　　在地形条件许可的情况下，开挖工程量不大，也可考虑增设溢洪道。投资可能大一些，但施工不受已建工程制约。

　　3.大坝加高与溢洪道改建或增建相结合

　　① 大坝适当加高结合溢洪道拓宽

　　为提高水库防洪标准，增加水库调蓄库容，加大下泄流量，可采用适当加高大坝与改建溢洪道的综合措施。如北京市官厅水库（大型），由于水库泥沙淤积严重，防洪标准降至300年一遇洪水，水库下游有北京市，位置重要，需要提高防洪标准。采取了大坝适当加高和溢洪道加宽的措施。大坝从背水坡脚培厚加高7m，由原来45m加高到52m，结合抗震，其坝坡也满足抗震要求。大坝左岸溢洪道原净宽20m，扩宽为52m，闸室4孔，每孔净宽13m。泄洪流量由原 1200m3/s，增加为6000m3/s，抗洪标准达到了可能最大洪水标准。同时，增大了库容，也提高了供水效益，加固是成功的。

　　② 大坝适当加高与溢洪道堰顶降低并更换闸门

　　如福建省东圳水库（大型），为提高防洪标准，大坝加高4m，并充分考虑了大坝抗震要求；溢洪道过水宽50m不变，将其上2m高的堰槛拆除，更换闸门5扇，以加大泄洪流量，满足了提高防洪标准的要求。

　　③ 大坝加高与溢洪道增设闸门

　　如福建省眉力水库（中型），充分利用水库有利条件，提高水库防洪标准。主坝加高4.5m，副坝加高4m，溢洪道由原来无闸宽顶堰改为有闸实用堰，宽度和深度不变，正常水位由67.6m提高到72.8m。既增加了调蓄库容，也加大了溢洪道泄洪量，增加有效库容890万m3，加大泄洪量445m3/s。

　　④ 大坝适当加高并增设新溢洪道

　　如福建省黄岗水库（中型），坝址两岸河谷地形狭窄，山坡甚陡，无适合做开敞式溢洪道的地址，采用泄洪洞泄洪，最大泄洪量1460m3/s，满足不了复核后防洪标准的要求。为了提高标准，如单纯依靠加高大坝，会带来很多问题，如库区移民和其他建筑物改建等。同时，加大泄洪洞也有困难。通过多方案比较分析，采用了适当加高大坝与增设新溢洪道相结合的措施，将主副坝加高2m，并在副坝右岸开挖新溢洪道，满足了水库提高标准。

　　二、提高水库工程质量的措施

　　关于工程质量问题，土石坝主要是渗漏、滑坡和裂缝，其中滑坡和裂缝的产生，有的也与渗漏有关，所以处理土石坝质量，关键是防渗，这里主要是针对防渗提出一些常用的工程措施。一般处理防渗的原则是“上堵下排”。上堵的措施有水平防渗与垂直防渗。水平防渗有黏土铺盖结合下排开挖导渗沟、减压井和水平盖重压渗等；垂直防渗有混凝土防渗墙、高压喷射灌浆防渗、劈裂灌浆防渗，冲抓套井回填黏土防渗及土工合成材料防渗等。

　　在病险水库防渗加固中，有的是坝基需要防渗加固，有的是坝基和坝体都需要防渗加固。在采取工程措施时，多采取垂直防渗措施。这是因为采取这一措施，一般不需要放空水库。反之，如果采取水平防渗措施，则必须放空水库，才能彻底进行。而水库长期蓄水后，总会有些淤积，给水平防渗处理带来一定的困难；在保持坝基渗透稳定和截渗方面，水平防渗也不如垂直防渗彻底。同时，在我国北方地区，水资源紧缺，放空水库一般要慎重。

　　1.垂直防渗措施

　　以混凝土防渗墙为例。混凝土防渗墙的主要优点可以适应各种不同材料的坝体和复杂的地基水文和工程地质条件。如处理坝体、坝基整体防渗，可从坝顶建造防渗墙，直达基岩，墙的两端与岸坡防渗设施或岸边基岩相连接，墙的底部可嵌入新鲜岩层或弱风化基岩内一定深度。如仅处理坝基防渗，其防渗墙上部应与坝体的防渗体相连接，并深入一定的深度。在处理中只要严格控制质量，是可以达到彻底截断渗透水流的目的。这是病险水库防渗加固常用的一项措施。

　　混凝土防渗墙早在20世纪50年代初意大利和法国即开始使用，随后各国相继引进推广。50年代末我国也开始对混凝土防渗墙进行研究和试用。40年来，国内外都在发展，在应用范围、墙体材料种类、墙的厚度和单位造价等方面都有了新的进展。我国于1958年首先在山东省月子口（现名崂山）水库试验成功以后，相继在密云白河主坝、毛家村坝、铜街子等坝使用，已建成40多道坝基混凝土防渗墙和10多道穿过坝体直达基岩的混凝土防渗墙，都取得了很好的效果。

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在应用范围方面，开始用在新建水工建筑物基础上，后来推广到病险水库土石坝坝体和坝基的处理，城市建筑物地下基础和海港码头等工程，使用范围不断扩大。

　　在墙体材料种类方面，发展尤为突出，其主要原因是：①防渗墙嵌入基岩内，与地基联合受力。由于地基是分散的覆盖层或填筑料，在水库蓄水后，会产生较大变形，防渗墙不可能抵抗这种变位，只能随着变化，而混凝土墙的弹性模量偏高，一般在1000MPa以上，允许变形很小，彼此不相适应，促使混凝土防渗墙产生较大应力，以致有可能引起墙体的裂缝。在墙体内加设钢筋骨架，选用高标号混凝土及加厚墙体等措施，可以获得一定的效果，但是这些措施耗用钢筋、水泥等材料，数量很大，因而加大了工程造价，延长了工期，这就迫使在墙体材料上，研究如何向塑性过渡，降低材料的弹性模量，使之与地基弹性模量相接近，以提高墙的抗拉强度，适应地基较大的变形。②混凝土防渗墙在目前使用的各种防渗措施中，单价比较高，约达1000元/m2，在一定程度上，限制了发展，如果使用塑性混凝土，掺入一定比例的粉煤灰、黏土或膨润土等，可以减少水泥用量，降低防渗墙的成本。同时，仍具有一定的强度和较好的抗渗性能，就可促使更大范围的发展。基于上述原因，塑性混凝土才被研究提出。

　　我国在“七五”期间进行了塑性混凝土的研究，并已将研究成果用于山西册田水库土石坝、新疆乌拉泊水库土石坝、十三陵抽水蓄能电站以及福建省水口水电站上下游围堰等工程防渗墙中，取得了新进展。在此基础上，国外又发展为自凝灰浆防渗墙，类似混凝土防渗墙，在槽孔泥浆中，加入各种固化剂和外加剂，经搅拌均匀后，自凝成墙体，起到防渗的作用。自凝灰浆要同时满足造孔固壁和成墙两方面的要求，应具有一定的流动特性和后期成墙的强度，它类似塑性防渗墙，具有弹性模量低、接缝质量易保证、墙体不易裂缝、抗渗性能好、造价低、工艺比较简单等优点。近几年来，我国也在研究，个别工程开始应用，经进一步实践后，才能推广。

　　在墙的厚度和单位造价方面，从20世纪50年代后期开始引进原苏联的乌卡斯钻机，成墙厚度0.8～1.0m，从防渗角度要求，也不一定需要这样厚度。但由于钻机设备没有更新，直到70年代末，墙的厚度一直保持不变，致使单位造价居高不下，到了80年代后，国内水利部门研制成锯槽成墙防渗，多头小直径深层搅拌截渗墙、液压开槽机成墙防渗墙、射水法成槽防渗墙等。同时，还从德国、意大利引进薄抓斗成槽造墙防渗，从法国引进振动沉模造墙防渗，从日本引进柱列式地下连续墙防渗等。墙的厚度愈来愈薄，在土层、沙层或砂砾层，可减薄到0.1m造价减到100元/m2左右。

　　在混凝土防渗墙施工中，必须确保施工质量，尤其应注意两槽孔混凝土墙间连接问题，是保证防渗的关键，在连接部位，从孔口到孔底的任一高度连接的墙厚必须达到设计厚度，而且混凝土墙间必须连接紧密，不能有夹泥层，以防渗透破坏。例如，北京市斋堂水库，土石坝为黏土斜墙砂砾石坝，坝基砂卵石层深48m，采用混凝土防渗墙，在施工中，由于质量控制不严，槽孔两墙接头夹泥皮较厚，有的被渗流冲蚀流失，造成漏水，坝面塌坑，后在接缝处钻孔，浇筑混凝土堵塞了缝隙，水库才能正常运行。

　　2.水平防渗措施

　　水平防渗分水平铺盖与排水减压设施。

　　① 水平铺盖加固

　　加固水平防渗铺盖，必须检查地区和坝址工程和水文地质状况，这是做好防渗加固的先决条件。通过勘察，了解坝基砂砾石平面和空间的分布情况、层次性质和分布规律以及地下水动态特性和渗透途径等，以便针对不同的具体条件，可能发生的问题、性质和程度，以及已成的铺盖情况，确定加固铺盖的具体尺寸、范围，铺盖层下是否需要增设反滤层，是否有软弱基础需要处理。同时，还要调查加固铺盖土料的料源、数量、级配、最大干容重、最优含水量、渗透系数和允许坡降等。

　　在加固水平铺盖时，根据补做的详细勘探试验资料，做出覆盖冲积层的地质剖面图，进一步查明各层颗粒级配、渗透系数和允许渗透坡降等。一般来说，应满足的条件是：①铺盖下卧冲积层内渗透坡降，不能超过冲积层土沙的允许渗透坡降，达到地基渗透稳定；②通过铺盖的渗透坡降不能超过铺盖土的允许坡降，达到铺盖填土渗透稳定；③下游渗流出逸处的剩余水头，不至于产生渗透破坏，达到渗流出口渗透稳定；④渗流量小于允许损失量，达到渗流损失量最小。这四条中，以第一条最为重要。为了满足上述四条的要求，正确的加固设计，主要是确定补强的长度、厚度、密实性及渗透性。铺盖长度应保持一定的水平渗径，防止接触冲刷及内部管涌，并结合下游排水减压设施，使出逸坡降小于允许值。铺盖有效长度是指增加铺盖长度，虽然可以减少自铺盖前端进入坝基的渗流量，但通过铺盖本身渗入坝基的渗流量却相应地增大，在达到有效长度后，再增加长度就不再减少渗流量。铺盖有效长度是随铺盖不透水性增加而减小，随铺盖厚度、坝基深度、坝基渗透性及水头的增加而增长。河南、河北等省一般采用铺盖长度为5～8倍水头，对水头较大、砂砾石层较深时，采用8～10倍水头。均质坝底为不透水轮廓，铺盖长度可适当减短。对地质层次复杂的，最好根据电拟试验来确定。铺盖厚度与密度应满足铺盖本身的渗透稳定的要求，而不到于被水头渗透力穿破。一般采用碾压施工时，铺盖前端厚度为0.5～1.0m，末端与坝体接合处厚度为1/6～1/10水头，均质坝体可稍薄些。如土料透水性较大，密实度较低，还应加厚。铺盖透水愈小，厚度愈大，防渗作用愈好。一般应是地基的几百分之一，甚至上千分之一。铺盖加固应严格控制质量，特别是接触部位，更要保证质量。铺盖与地基接触处，如地基透水性大、级配差的砂砾石层，则应加铺反滤层，以免水库蓄水后，加固的铺盖，重复发生裂缝、塌坑等。在加固铺盖时，应采用碾压法施工。在特殊情况下，如不能放空水库时，也可利用水中倒土、深水抛土、冰上凿孔抛土及人工放淤等方法，但只能作为加固的辅助手段。

　　② 排水减压设施加固

　　排水减压设施一般采用导渗沟、减压井及水平盖重压渗等设施。对导渗沟的加固，应根据设计要求，严格掌握层间关系，防止导水沟淤堵。

　　一旦发生淤堵情况或局部破坏，应及时清除和翻修。导渗沟的断面应满足正常排除渗水的要求，不足者，予以扩大。导渗沟还应有一定的纵坡和排水出路，如发现有积水，应及时加以整修，使渗透水能够及时地排除。对减压井的加固，主要是解决井内淤塞，起不到减压作用的问题，应及时冲水清理，但不要破坏井壁反滤层，以免失去反滤作用。还要防止人为地向井内投小块石，如已发现，及时设法清除，并加强井口保护，以防再次发生。对水平压渗盖重设施的加固，如发现反滤层失效或压渗厚度不够，就及时翻修，满足设计厚度。