水库运维中的稳定分析评估及除险加固管理实践.pdf

186云南水力发电YUNNAN WATER POWER第 40 卷第 3 期 *收稿日期：2023-06-20 作者简介：贺泽云（1973-），男，广东曲江人，工程师，主要从事水利工程管理等工作。水库运维中的稳定分析评估及除险加固管理实践贺泽云（韶关市曲江区罗坑水库管理处，广东韶关512000）摘要：水库运行安全对下游的生产生活稳定至关重要，陕冲水库被评为三类坝，水库大坝存在较严重的险情，水库不能发挥其设计效益。针对工程现状和存在的主要问题，提出除险加固的策略，对大坝底涵进口混凝土面板拆除重建，优化加固溢流堰堰体，重建梯级引水；拆除重建输水底涵进出口段，大坝增设位移观测设施、渗流压力观测设施，并对大坝右岸管理房及周边环境进行整治提升。消除水库工程目前存在的隐患，力争水库安全达标，从而获得灌溉、防洪等综合效益。关键词：水库加固；防灾减灾；安全稳定；运行管理中国分类号：TV697.1 文献标识码：B文章编号：1006-3951(2024)03-0186-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.03.047Stability Analysis and Evaluation and Risk Elimination and Reinforcement Management Practices in Reservoir Operation and MaintenanceHE Zeyun(Shaoguan Qujiang District Luokeng Reservoir Management Office,Shaoguan 512000，China)Abstract：The safe operation of reservoirs is crucial for the stability of downstream production and life.Shanchong Reservoir has been rated as a Class III dam,and there are serious risks to the dam,making it unable to fully utilize its design benefits.In response to the current situation and main problems of the project,this article proposes a strategy for risk elimination and reinforcement,including the removal and reconstruction of concrete panels at the inlet of the dam bottom culvert,optimization and reinforcement of the overflow weir body,and reconstruction of cascade water diversion.It is necessary to demolish and rebuild the inlet and outlet sections of the water conveyance bottom culvert,add displacement observation facilities and seepage pressure observation facilities to the dam,and improve the management room and surrounding environment on the right bank of the dam.By eliminating the current hidden dangers in reservoir engineering and striving to meet the safety standards of the reservoir,comprehensive benefits such as irrigation and flood control can be achieved.Keywords：reservoir reinforcement;disaster prevention and reduction;safe and stable;operation management0引言陕冲水库位于韶关市曲江区白土镇，位于曲江区西南方向，距曲江区直线距离 11 km，水库大坝位于白土镇的大村，地貌以高丘低山为主，流域范围内植被覆盖良好，陕冲水库工程主要由大坝、溢洪道、输水涵管等建筑物组成，是 1 座以灌溉为主，兼有防洪等综合利用的水库工程。根据最新水库安全评价报告，陕冲水库被评为三类坝，水库大坝存在较严重的险情，水库不能发挥其设计效益1。以陕冲水库除险加固治理为研究背景，针对工程现状和存在的主要问题，进行稳定分析评估，提出水库安全经济的工程加固方案以及科学运维方案，消除水库工程目前存在的隐患，力争水库安全达标，从而获得灌溉、防洪等综合效益。1工程现状及存在问题1.1水库概况陕冲水库兴建于 1968 年，工程主要担负着水库下游约 350 亩农田的灌溉任务。水库坝址以187贺泽云水库运维中的稳定分析评估及除险加固管理实践上集雨面积为 4.78 km2，干流河长为 5.15 km，平均坡降 J=0.05。大坝为均质土坝，此次除险加固坝顶高程不变，加固后坝顶长 204 m，最大坝高10.16 m（根据现状实测坝顶高程与地质钻孔所得建基面高程之差计算），坝顶宽度 5.39 m。水库工程为小（2）型水库，工程等别为等，其主要建筑物为 5 级，次要建筑物为 5 级。设计洪水标准为 20 年一遇，校核洪水标准为 200 年一遇，消能防冲建筑物的设计洪水标准为 10 年一遇2。1.2水库问题此次除险加固时对大坝现状进行了现场踏勘，结合工程地质勘察报告，陕冲水库现状存在主要问题如下。1.2.1大坝1）输水底涵上部混凝土面板同一部位曾塌陷 2 次，输水底涵上部背水坡坡面曾塌陷 1 次，当地镇政府均对其进行了应急修复处理，此次除险加固现场检查曾塌陷部位未见明显异常。根据底涵检查视频资料显示，现状底涵接口处无承插口，无外包混凝土，接口错位明显，管内可见掉落坝体填土。通过分析，混凝土面板、背水坡塌陷主要原因是现状底涵出水由接口冲刷坝体填土所致。2）大坝背水坡杂草杂树丛生，坡面不规则，有白蚁危害迹象。现状棱体排水布置于背水坡中段，未布置在背水坡坡脚，且现状棱体排水较矮，难以发挥棱体的正常功用。3）坝顶仅中部约 3.5 m 宽硬化，两侧未硬化，且未设置坝顶排水沟。1.2.2溢洪道1）溢洪道堰体近似薄壁堰，但堰型不规则，泄洪时淘刷交通桥桥墩基础，堰体背水侧现状局部淘刷。2）现状溢洪道在桥墩底部设有凹槽，近似挑流消能，但上游水力条件较差，难以在该处形成挑流，消能效果不明显；现状溢洪道末端与下游河道间高差较大，未设置消能设施，下游河道弃有垃圾，竹林丛生。3）现状溢洪道交通桥两侧未设置防护栏杆；现状交通桥梁底与现状溢洪道侧墙不满足超高要求。1.2.3输水涵管水库安全评价之前输水底涵上部混凝土面板及背水坡坡面曾塌陷 1 次，当地镇政府对其进行了应急修复处理。2021 年 2 月 24 日水库安全评价现场检查时，发现输水底涵上部混凝土面板塌陷，基础掏空，形成较大的陷坑，未正常蓄水，之后镇政府对该部位进行了应急修复，掏除了陷坑松土，进行了填塞混凝土处理。2021 年 5 月 20 日水库安全评价再次现场检查时水库正常蓄水，库区未见明显漩涡迹象，但底涵出口管周发现有浑水渗出，与管内清水有明显区别，说明底涵有管周绕渗的情况。此次除险加固对底涵内部进行了检查，根据底涵检查视频资料显示，现状底涵接口处无承插口，无外包混凝土，接口错位明显，局部管段裂缝老化，底涵内部对应混凝土面板、背水坡坡面塌陷位置可见掉落坝体填土，底涵管周绕渗的原因主要为涵管出水由接口错位缝进入管周所致3。1.2.4安全监测水库现状在大坝右岸设有三要素遥测终端系统（库水位、降雨量、坝体外观），未设置水位观测设施、变形观测设施、渗流量观测设施、渗流压力观测设施。1.2.5管理设施水库管理房现状为瓦房，破损严重；水库大坝现状无防汛物料池；大坝未设置标识标牌；大坝坝后坡坡脚人工挖有水塘，库区有养殖户违建土堤，影响水库安全管理。1.3库区工程地质评价库盆岸坡地表以残坡积土为主，属于弱透水层，层厚较厚，有利于减小库区渗漏；库盆所在河谷地表以冲洪积块石为主，为强透水 中等透水层，一般厚度范围 05 m，层厚变化不大，但下伏为相对隔水的残积土层，因此仅需考虑坝基渗漏问题。对底涵内部进行了检查，根据底涵检查视频资料显示，现状底涵接口处无承插口，无外包混凝土，接口错位明显，局部管段裂缝老化，底涵内部对应混凝土面板、背水坡坡面塌陷位置可见掉落坝体填土，底涵管周绕渗的原因主要为涵管出水由接口错位缝进入管周所致。拟重建梯级引188云南水力发电2024 年第 3 期水，拆除重建底涵进出口段，坝内旧底涵内衬钢管，旧底涵与内衬钢管之间充填灌浆。2治理策略与调洪演算2.1治理策略大坝：底涵进口混凝土面板拆除重建；背水坡坝面修整后新设草皮护坡，坝面新建步级，坡脚重建排水棱体；坝顶未硬化部分新设混凝土路面，闭合坝顶上游侧防浪墙，坝顶新设路面排水；对大坝进行白蚁防治。溢洪道：优化加固溢流堰堰体；对现状交通桥桥墩墩头进行修圆，将墩身外表面重新批荡；交通桥两侧增设防护栏杆；对溢洪道现状侧墙加高，将侧墙外表面重新批荡；溢洪道下游侧增设消能设施。输水涵管：重建梯级引水；拆除重建底涵进出口段；坝内旧底涵内衬钢管，旧底涵与内衬钢管之间充填灌浆。安全监测：大坝迎水坡增设水位尺，背水坡坡脚新设量水堰；大坝增设位移观测设施、渗流压力观测设施4。管理设施：对大坝右岸管理房及周边环境进行整治提升，新设防汛物料池，在管理范围界布设界桩，在水库大坝处设置标识标牌；对坝后水塘进行回填，库区违建土堤开缺口。2.2水库调洪演算陕冲水库溢洪道溢流堰优化后为克-奥型低堰，堰顶泄流净宽 B=22.57 m，堰顶高程 66.6 m，溢洪道泄流能力根据克-奥型实用堰堰流公式进行计算。（1）（2）（3）式中：Q流量，m3/s；m流量系数；堰顶宽，取 1.16 m；侧收缩系数；k边墩形状系数；0中墩形状系数；n孔数，取 1；B堰流总净宽，取 22.57 m；g重力加速度，m/s2；H堰上水深，m。根据上述公式进行计算，陕冲水库溢洪道过流能力计算成果见图 1。图 1陕冲水库水位-泄量关系曲线图陕冲水库溢洪道为开敞式溢洪道，没有水闸控制，洪水期库水位超过溢流堰顶时，溢洪道直接下泄水库调蓄后的洪水。此次设计按水库溢流堰堰顶高程 66.6 m 作为起调水位。陕冲水库各频率洪水调洪演算成果见表 1。表 1陕冲水库各频率洪水调洪演算计算成果表频率P/%最大下泄流量/（m3/s）最高库水位/m最大库容/104m3削峰流量/（m3/s）551.967.7755.2214.10.576.568.0859.2216.3104467.6553.8313.53除险加固措施3.1大坝加固此次设计拟拆除重建混凝土面板护坡破损严重部位，对底涵进口处上游坡重建混凝土面板护坡。新设混凝土面板护坡面积合计 350 m2，混凝土面板护坡厚 120 mm，下铺 100 mm 厚粗砂垫层，复合土工膜布置于粗砂垫层中部（复合土工布上下层各布置 50 mm 粗砂垫层），复合土工膜为两布一膜，规格为 500 g/m2，混凝土面板分缝采用沥青木板分缝，纵横间距为 4 m。护坡坡脚设 C20 混凝土阻滑墙，阻滑墙长 7 m。混凝土护坡厚度的计算公式见式（4）。（4）式中：系数，对整体式护面板取 1；hp累积频率为 1%的波高，根据计算，设计工况下为 0.56 m；b沿坝坡向板长，取为 4m；c板的密度，取为 2.4 t/m2。经计算，迎水坡混凝土面板厚度为 0.04 m。考虑其为坡面混凝土，施工难度较大，当混凝土面板厚度较薄时容易产生裂缝，且施工质量难以189贺泽云水库运维中的稳定分析评估及除险加固管理实践保证，因此，上游护坡厚度设计为 12 cm。背水坡加固设计：此次设计对背水坡坝面修整后新设草皮护坡，草皮护坡面积 5 900 m2。在背水坡坡脚重建排水棱体，总长 167 m，排水棱体顶宽 1.5 m，内坡 1 1，外坡 1 1.5，高 2.5 m。在背水坡新建步级，步级为C20混凝土结构，宽1.4 m，两侧设小挡墙。坝顶加固设计：此次设计对坝顶未硬化部分新设混凝土路面，新设混凝土路面合计 353 m2。坝顶新设路面排水沟，总长 215 m，为 C20 混凝土结构；对防浪墙未闭合部位进行加固，加高后全坝段防浪墙顶高程不低于 69.5 m。3.2溢洪道加固此次设计优化加固溢流堰堰体；对现状交通桥桥墩墩头进行修圆，将墩身外表面重新批荡；交通桥两侧增设防护栏杆；对溢洪道现状侧墙加高，将侧墙外表面重新批荡；溢洪道下游侧增设消能设施。3.2.1优化加固溢流堰堰体为避免水库下泄洪水时影响溢洪道交通桥的正常使用，避免对大坝防汛抢险造成影响，此次设计优化加固溢流堰堰体，将堰顶往上游侧移动2.4 m，保证水库泄流时交通桥桥底的安全超高。堰型优化为实用堰，堰顶高程不变，堰高 2.56 m，迎水侧铅直，背水侧坡比为 1 2，堰体表面为 C20钢筋混凝土结构。3.2.2交通桥桥墩批荡及增设防护栏杆此次设计对现状交通桥桥墩墩头进行修圆，将墩身外表面批荡凿除后重新进行 M10 水泥砂浆批荡；在交通桥两侧增设镀锌栏杆，栏杆高 1.1 m，总长 44 m。3.2.3溢洪道现状侧墙加高及批荡此次对溢洪道现状侧墙加高，将现状侧墙外表面批荡凿除后重新进行 M10 水泥砂浆批荡。3.2.4溢洪道下游侧增设消能设施此次设计将现状堰体下游侧凹槽用 C20 混凝土回填修顺，在现状溢洪道末端新建消力池，消力池宽 16.5 m，斜坡段长 8.531 m，消力池长 11.3 m，消力坎高 0.9 m，在消力池末端设干砌石海漫。新建消力池两侧设 C20 埋石混凝土侧墙，埋石率20%。侧墙顶宽 0.5 m，迎水坡铅直，背水坡坡比为 1 0.35，侧墙布置50 mm PVC 排水管，坡度 i=3%，水平间距 2 m。斜坡段、消力池底板由上至下分别为 30 cm 厚 C20 混凝土、10 cm 厚粗砂垫层。消力池底板布置50 mm PVC 排水管，呈梅花形布置，纵横间距 1 m。3.3输水管涵加固此次设计重建梯级引水，拆除重建底涵进出口段，坝内旧底涵内衬钢管，旧底涵与内衬钢管之间充填灌浆5。3.3.1重建梯级引水重建梯级引水总长 24 m，为 C20 混凝土结构。梯级引水放水斜涵管采用 DN315 PVC 管，每个梯级设置 DN160 放水孔，梯级引水顶部设通气孔。梯级引水底部设消力井与输水底涵衔接，消力井采用 C25 钢筋混凝土结构，净空尺寸为 1.5 m1 m1.2 m（长 宽 高），壁厚 0.25 m。消力井进口设 C25 预制钢筋混凝土闸板，闸板高 0.6 m，宽 0.5 m，厚 50 mm，闸板间防渗体土料填筑压实，消力井进水孔用 C20 预制混凝土塞封堵。3.3.2加固输水底涵此次设计拆除进口约 5 m 底涵、出口约 14 m底涵。进口段底涵采用 DN600 焊接钢管重建（外径 610 mm，壁厚 8 mm），长 6.25 m，外包 C20 混凝土；出口段底涵采用 DN800 预制钢筋混凝土级承插管重建，出口段底涵重建至排水棱体末端，长 8.83 m，外包 C20 混凝土6。对于坝体内的旧底涵，拟进行内衬钢管处理，封堵旧底涵与内衬钢管空隙的进出口后，对其充填灌浆。钢衬管采用焊接钢管 DN600（外径 610 mm，壁厚 8 mm），长 47.3 m，钢衬管需进行防腐处理，焊接时需错缝焊接。充填灌浆材料采用水泥浆，灌浆压力控制在 0.3 MPa0.5 MPa 间，具体根据现场灌浆实验确定。4安全监测与运维管理提升4.1安全监测系统此次设计大坝迎水坡增设水位尺，背水坡坡脚新设量水堰；大坝增设位移观测设施、渗流压力观测设施。1）迎水坡增设水位尺。此次设计大坝迎水坡增设水位尺 1 套，布置于右坝段。190云南水力发电2024 年第 3 期2）大坝增设位移观测设施。变形监测包括水平位移观测和垂直位移观测，两者共用 1 个位移观测点，布置监测横断面 2 个，监测纵断面 3 个，共布置 6 个位移观测点。水平位移观测布置 3 个工作基点，3 个校核基点；垂直位移观测布置 2 个水准基点。位移观测点、工作基点、校核基点均采用带有强制对中基座的混凝土监测墩，视线应出（旁离）地面或障碍物距离应在 1.5 m（2 m）以上。要求旁离障碍物距离应在 1 m 以上。工作基点、校核基点建在岩基上的，可直接凿坑浇筑混凝土埋设；位于土基上的监测网点起底座埋深不小于 1.5 m。3）新设量水堰。此次设计在排水棱体坡脚新建集水沟，集水沟沟底布置反滤层，外侧新建 C20混凝土截水墙。集水沟下游接量水堰，量水堰渠道采用C20混凝土结构。量水堰板采用直角三角堰，堰板应铅直，同时堰板应与堰槽侧墙垂直；量水堰板过流堰口倒角为 45，尖角为 R0.5 圆角，堰口高的一面为上游侧。堰板采用不锈钢制作7。4）大坝增设渗流压力观测设施。渗流压力采用测压管（DN50 镀锌钢管）观测，布置监测横断面 1 个，监测纵断面 3 个，共布置 3 个渗流压力观测点。测压管在坝体后钻孔埋设，造孔采用岩心管冲击法干钻，必要时用套管护壁，外包无纺土工织物。测压管水位采用渗压计观测。4.2运维管理标准化此次设计对大坝右岸管理房及周边环境进行整治提升，新设防汛物料池，在管理范围界布设界桩，在水库大坝处设置标识标牌；对坝后水塘进行回填，库区违建土堤开缺口8。1）管理房及周边环境整治提升。拟在大坝右岸重建管理房，重建管理房为框架结构，平面尺寸为 6.24 m6.24 m，主体高度 4.748 m。管理房设会客厅、休息室、卫生间各 1 间，满足防汛值班、设施存放等要求。管理房左侧设停车坪，右侧设花坛围栏院落。2）新建防汛物料池。防汛物料池采用砖砌结构，平面尺寸为 6 m8 m，高 2 m。设计配套物料主要有：袋内 840 条、土工布 448 m2、砂石料 112 m3、块石84 m3、铅丝112 kg、桩木0.28 m3、救生衣12件、便携式工作灯 3 只、投光灯 1 只、电缆 28 m。3）标示标牌。此次设计结合水库管理需要，设置必要的标识标牌，包含公告类 3 种、警示类 1种、指引类 3 种、制度类 4 种。4）界桩。在水库管理范围边界设立界桩，界桩布设间距为 100 m，管理范围边界的拐点，界桩间距为 20 m，共布设界桩 48 个。5）违建物拆除。对坝后水塘进行回填，回填面积为 540 m2，回填平均深度为 1.5 m，库区内养殖户违建土堤开缺口 2 处。6结论以陕冲水库综合整治除险加固工程为研究背景，提出符合防灾减灾标准建设堤防加固达标方案，并多方面论证方案的合理性，得到主要结论如下：对大坝底涵进口混凝土面板拆除重建，背水坡坝面修整后新设草皮护坡，坝顶未硬化部分新设混凝土路面，闭合坝顶上游侧防浪墙，坝顶新设路面排水；优化加固溢流堰堰体，对溢洪道现状侧墙加高，将侧墙外表面重新批荡，溢洪道下游侧增设消能设施；重建梯级引水，拆除重建底涵进出口段，坝内旧底涵内衬钢管，旧底涵与内衬钢管之间充填灌浆；安全监测，大坝迎水坡增设水位尺，背水坡坡脚新设量水堰，大坝增设位移观测设施、渗流压力观测设施。在水库运维管理上，对大坝右岸管理房及周边环境进行整治提升，对坝后水塘进行回填，库区违建土堤开缺口。使得水库的安全和运行稳定得到了有效提升。参考文献1 王攀生.小型水库土石坝除险加固施工技术研究J.水上安全，2023，（3）：167-169.2 王霄清.鸳鸯池水库除险加固方案优选分析J.陕西水利，2023，（4）：140-142.3 邓剑峰.小型水库安全评价及其除险加固设计研究J.水利技术监督，2023，（4）：221-224.4 赵玉军.芨芨水库大坝除险加固设计方案分析J.河南水利与南水北调，2023，52（3）：69-70.5 张有文，陈金辉，李建玲，等.价值工程及层次分析法在小型水库除险加固中的运用J.水利技术监督，2023，（2）：30-34.6 裴航.基于立体生态技术在水库除险加固中的应用J.黑龙江水利科技，2022，50（12）：135-139.7 李靖.中小型水库除险加固灌浆防渗处理技术：以沙田水库为例J.珠江水运，2022，（21）：52-54.8 肖俊，郑棚，汤程.金厂坪水库除险加固工程综合效益后评价 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