刍议我区病险水库除险加固设计问题
摘要：我区病险水库的特点主要是防洪标准不能满足要求，大坝存在渗漏问题，抗震标准不够．大坝稳定和强度不能满足要求等。除险加固设计应注意设计洪水标准、工程规模、设计深度和方案比选等问题。
关键词：水库；除险加固；设计；
一、我区水库病害特点
我区绝大多数水库修建于20世纪50一70年代．限于当时的技术水平和经济能力．工程质量总体偏差。又以灌溉和防洪为主要功能，主要发挥社会效益，长期以来正常维护或更新投入不足，对于存在的病害未能及时处理，往往“积劳成疾”形成病险水库。
占我区水库总数绝对多数的是中小型水库．其主要建筑物通常由挡水建筑物、泄水建筑物及输水建筑物等组成，部分水库有发电建筑物。其中，挡水大坝以土石坝居多，砌石坝次之：泄水建筑物多为独立的溢洪道，部分小型水库也有采用输水与泄洪相结合的涵管；中小型工程的输水建筑物多为坝下涵管和输水隧洞。
我区病险水库主要有以下问题：
(1)防洪标准不能满足规范要求
主要现象是大坝坝顶高程不够或泄水建筑物泄流能力不足。主要原因有：①随着水文资料系列的延长，设计洪水洪量、洪峰和洪水过程发生较大改变；②原设计防洪标准不能满足现行规范要求；③泄水建筑物存在严重安全隐患，不能正常泄洪。
(2)运行年限较长的大坝普遍存在不同程度的渗漏问题。特别是土石坝，渗漏问题更加突出
主要原因有：①早年修建的土石坝和部分重力坝清基不彻底．坝基和坝体防渗设计与处理标准偏低：②碾压式土石坝填筑料不均匀，压实度或密实度偏低；③坝体裂缝造成坝体和坝基长期渗漏冲刷形成集中渗漏通道。大坝渗漏主要表现为：下游坝坡、坝脚或坝下游一定范围出现集中渗漏、管涌、散浸、流土等，导致一定范围沼泽化。
(3)抗震标准不够
主要原因有：①建设年代久远，当时对地震问题认识不足；②地震裂度及参数不断修改补充。
(4)大坝稳定和强度不能满足现行规范要求
主要原因有：①土石坝坝坡抗滑稳定、重力坝沿建基面或沿基础深层软弱结构面抗滑稳定不满足现行规范要求；②土石坝护坡缺损或冲刷破坏，正常维护不及时；③混凝土和浆砌石坝建设时施工质量差，浆砌石或混凝土坝强度偏低；④混凝土结构碳化。
(5)泄水建筑物结构稳定和强度不能满足现行规范要求
主要原因有：①结构出现裂缝；②溢流面及泄槽未衬砌或衬砌质量差，出现冲蚀破坏；③泄水建筑物出口无消能工或消能工不完善，不能保证安全下泄洪水。
(6)输水建筑物进口结构单薄，稳定和强度不能满足要求
主要原因有：①早期修建的中小工程，涵管多为坝下埋管，容易产生接触冲刷破坏，危及大坝安全；②输水隧洞衬砌结构施工质量差或设计不完善．出现裂缝、冲蚀、漏水，甚至剥离、露筋．影响隧洞结构安全。
(7)闸门、启闭机和监控设备老化、锈蚀严重。部分设备超过折旧年限。需淘汰更新
(8)管理设施落后或不完善，监测设施失效或不完善
二、除险加固设计的特点
病险水库除险加固设计具有较强的政策性和相对于新建工程更大的风险
①《水库大坝安全评价导则》(SL258—2000)规定，水库大坝安全评价以现行有效规池为准，工程质量评价、洪水标准、结构、渗流、抗震和金属结构安全均需符合现行规范要求．因此，除险加同设计标准也应以现行设计规范为准。
②由于是已运行多年的工程，设计依据的水义、地质和运行管理等基础资料通常较少，部分资料属同忆整理，资料的不准确导致设计风险较大：实施过程中通常需采用动态优化设计方式．设计变更相对较多。
③涉及的专业多，但有专业工作量相对较少，对设计单位综合能力和设计人员素质要求很高。
④我同病险水库除险加固主要采用政府资金．除险加固设计是工程建设程序的重要环节，没计单位提出加固方案后，按基建程序分级报批，审批环节多，设计周期长。
三、除险加固设计的主要内容
一般分为初步设计、招标设计和施工详图三阶段。其中初步设计是确定加固项目和确定设计方案的重要阶段，各专业主要工作包括以下内容：
(1)水文专业
收集当地水文、气象资料，延长资料系列，复核设计洪水，提出施工分期洪水。大中型水库还需完善或补充水文测报系统设计。
(2)地质专业
根据安全鉴定结论和建议，按设计要求进行地质勘探和岩土物理力学参数试验，提出有关岩土物理力学参数．对坝体和坝基进行地质评价，从地质角度对除险加固方案提出建议，提出天然建筑材料料场性能和储量。
(3)规划专业
收集当地经济社会发展基本资料，复核水库工程规模和效益指标，对除险加固的必要性进行论述．复核水库库容曲线和水库调度原则，按现有资料进行洪水调节计算，确定水库特征水位。按有关政策规定，水库除险加固一般不得提高工程规模和等级。
(4)水工专业
针对各建筑物存在的问题，进行除险加同方案比选和推荐方案设计。方案主要从技术可靠、经济合理、施工工期及对环境的影响等方面进行比较：比较方案在各方面应是成立的方案。对大坝渗流、结构稳定和强度进行必要的验算，对泄水建筑物和输水建筑物过流能力和消能防冲措施应进行复核计算．必要时进行水工模型试验。大坝等主要建筑物的安全监测设计亦属于水工专业的内容。
(5)施工专业
对设计推荐方案和重要比较方案进行施工组织设计．提出施工导流方案、施工总体布置、总工期和各加固项目的主要施工技术等。
(6)金属结构与机电专业在实际检测资料的基础上．对有关闸门、启闭机及监控设备进行改造或更新设计
(7)环境保护和水土保持专业提加固工程坝区环境保护设计、水土保持方案及必要的投资。
(8)建筑交通专业
主要是完善管理设施方面的设计，涉及的主要内容包括防汛公路和管理房改造设计等内容。
(9)概算
根据加固工程施工组织设计、当地材料价格和水利行业定额编制设计概算。
(10)经济评价分析计算加固工程项目经济效益和年运行费用，进行国民经济评价．必要时进行财务评价，论证项目的经济合理性。
四、除险加固设计应注意的主要问题
1．设计洪水标准
我区对水利水电工程洪水标准作过多次调整，特别是“75•8”后一些水库提高了洪水标准，致使部分水库洪水标准偏高或偏低．加固设计时需按现行规范规定适当调整洪水标准。此外，有些中、小型水库设计洪水标准历经多次调整，未经有关政府部门批准，除险加固设计时需重新核定设计洪水标准。调整洪水标准时应遵循以下原则：
①洪水标准低于或高于现行规范要求，应按现行规范对洪水标准进行适当调整。若原防洪标准偏低，大幅度提高防洪标准技术上的难度较大，需增加的投资较多，一般采用规范下限值；如原防洪标准超过规范规定，调整洪水标准时，应尽量选用规范规定的洪水标准上限值。对洪水标准按规范规定提级时．应对水库各建筑物安全现状慎重研究．不宜将洪水标准定得过高
②有些水库原设计洪水标准偏低，但满足现行规范要求．加固设计时，对其设计洪水标准一般不作调整。
⑧“75•8”后部分水库校核洪水标准定得很高．增设了非常溢洪道．或另提出保坝洪水标准．超过现行规范要求。加固设计时应研究非常泄洪设施(或措施)的可操作性，根据实际情况研究是否保留非常溢洪道：在投资增加不多的情况下．可考虑通过设置挡水子坝的措施满足设计洪水标准，保留超标准洪水时的泄洪功能。
2．工程规模
一般情况下。加固设计不改变水库功能和调整水库规模。
①有些水库实际运行时虽然起到了城镇供水、水产养殖及旅游等作用，但加固设计时原则上不将其增列为水库功能。
②有些水库由于未处理好移民问题影响正常运行．甚至一直处于降低水位运行，但除险加固费用一般不得用于解决移民遗留问题。若当地政府承诺在一定时期内解决移民问题，可按原批准规模进行加固设计；若小能解决移民问题，宜调整水库规模，适降低正常蓄水位和防洪限制水位。
③经充分论证．如确有必要且有可能结合除险加固增加水库功能和抬高蓄水位，则应由受益方分摊投资。
3．设计深度和方案比选
在初步设计阶段，对大坝防渗、坝体加高培厚、泄洪建筑物和输水建筑物的改建等项目设计，应进行方案比选．推荐方案和比较方案应达到同等深度。同时还应注意比较方案应是可行的方案，不可提出不可行的方案作为比较方案。
设计采用的方案应达到规定的设计深度，应按《水利水电工程设计工程量计算规定》计算相应阶段的设计工程量．不得任意扩大或减少设计工程量。
4．土石坝渗流安全问题和防渗技术
土石坝筑坝材料具有一定渗透性．坝体渗流场的分布取决于不同区域筑坝材料的渗透性能。各类坝型对筑坝材料的渗透性能有一定要求，当材料渗透性不满足要求或防渗体产生裂缝时，坝体就会产生渗流异常，影响大坝安全和正常运行。病险水库的土石坝一般都存在不同程度的渗流异常，主要表现在下游坝坡和坝脚一定范围存在散浸、管涌及流土等现象土石坝渗透破坏的主要形式为集中渗漏及不同材料接触面的接触冲刷此外，排水及反滤设施淤堵和防渗体的破坏，也会导致坝体浸润线增高，局部等势线集巾，渗流坡降增大，从而产生集中渗漏。
对于土石坝的异常渗流现象采取何种适当的处理措施是土石坝加同设计的难题。按土石坝的渗流特点．处理渗流异常现象有两类处理方式．一类是恢复或增强坝体防渗性能．另一类是在渗流出口采取排水和反滤措施。具体采用哪种方式需根据渗流异常的部位、渗漏量和浸润线(渗压力)的观测资料综合分析确定。对于我区大量存在的均质土坝和黏土心墙坝，比较稳妥可靠的处理方式是住坝体与坝基内增加一道垂直防渗措施，但增没垂直防渗措施的投资较大．有时还会对坝体产生较大损伤．影响坝体整体性。对于坝体一般性散浸和长期存在的比较稳定的局部集中渗漏现象，不一定需要增设防渗措施，采取投资较少的排水、反滤措施可能是更优的方案。
20世纪90年代以前，增设垂直防渗的主要方案有冲抓套井回填黏土防渗墙、倒挂井混凝土防渗墙、劈裂灌浆、充填灌浆等。近年，垂直防渗施工技术发展较快，塑性混凝土防渗墙技术广泛应用于坝体和坝基防渗处理．收到了较好的效果。
20世纪80年代以来，我区一些地方推广高压摆喷和旋喷灌浆技术处理坝体和坝基渗漏，部分工程收到了良好的效果：在用于处理坝体内的薄弱部位时，可以起到充填和加固作用，总体上减少坝体渗透量，也收到一定的防渗效果。根据近年土坝加固工程实践，高压摆喷和旋喷灌浆存透水性总体较小、密实性相对较好的土体内难以形成连续可靠的防渗板墙。
除险加固设计实践中，一些设计人员在进行方案比较时，对土坝坝体防渗采用塑性混凝土防渗墙方案和高喷灌浆方案进行比较，这是不妥当的，两者不具可比性。高喷灌浆的防渗效果与劈裂灌浆、充填灌浆相当，塑性混凝土防渗墙方案、冲抓套井回填防渗墙及倒挂井混凝土防渗墙方案均可存坝体内形成连续可靠的防渗体系。方案比选时，可按需要选择这几种方案进行技术经济比较。
5．加固项目
目前，病险水库除险加固工程一般是利用政府资金。政府投入资金，主要是保证水库大坝发挥其社会效益，确保水库大坝的防洪安全。因此，病险水库加固工程设计时。应合理把握加固项目，纳入加固的项目应从确保大坝安全角度考虑。按国家政策规定，水库管理设施、防汛公路及库坝区环境工程等项目可适当考虑部分补助性资金。对发电、城镇供水等营利性设施一律不纳入除险加固工程项目。
6．结构复核时的强度参数取值
加固设计时，需要根据建筑物的现状．对其结构稳定和强度进行必要的复核计算。计算的材料参数应采用实际检测指标，计算方法应符合现行规范要求。
土石坝抗滑稳定计算中，对坝体材料实际分区应根据施工实际断面及补充勘探取得的地质资料综合拟定．所需岩土物理力学参数，应根据施工检测资料和补充的地勘试验成果综合确定。重力坝抗滑稳定计算采用的坝体与坝基抗剪强度参数，可根据原设计采用参数和坝基岩性类比确定．必要时通过钻孔取样试验确定。混凝土结构应力和配筋复核计算采用的材料强度指标，应根据实际检测资料确定。
五、结语
综上所述，我区病险水库数量多，险情复杂．严重威胁公共安全。为适应经济社会发展的需要．由各级政府组织对病害严重的病险水库进行全面加固是必要的。病险水库加固设计专业性强，对设计人员专业要求很高。本文分析了我区病险水库的病害特点，提出加固设计的主要内容和设计中应注意的一些问题，以供病险水库除险加固设计借鉴。