云南省属典型的山区省份, 地形起伏大, 水资源丰富但分布不均, 水患灾害、农田灌溉及人畜饮水等有关水资源问题一直是国民经济和社会发展的制约因素。至2005年底, 全省共建成小 (一) 型以上水库5324座, 其中, 大型水库5座, 中型水库169座, 小型水库5155座, 坝塘4.5万座, 总蓄水库容97亿m3, 兴利库容72.4亿m3。目前全省中型水库中, 病险率达46%, 小型水库病险率高达56%。
在部分中、小型病险水库除险加固工作的基础上, 分析了中、小型病险水库病害隐患存在的机理, 提出了除险加固中应采取的对策和措施, 为更好的完成我省中、小型病险水库的除险加固工作提供参考。
1 病险水库的病害机理分析
云南省中小病险水库数量众多, 原因是多方面的, 既有客观方面, 也有主观方面, 是多因素综合作用的结果。
1.1 自然地理环境复杂
(1) 云南省地处我国西南边陲, 北回归线横贯本省南部, 是一个高原山区省份, 属青藏高原的南延部分, 西部为横断山, 东中部为高原, 西南部地势趋缓。地形起伏很大, 全省境内六大水系穿插于横断山与高原之间, 形成山高谷深的地形。在高原和高山峡谷间镶嵌着1440多个断陷盆地和30余座湖泊, 水库大坝多建于盆地边缘的山前河谷上, 坝基冲积层厚度较大, 加之多数采用人工施工为主, 多数大坝坝基坐落于冲洪积层之上, 导致坝基渗漏严重, 甚至出现坝基渗透变形。
(2) 云南地处低纬热带和副热带的季风区域, 冬季受干燥大陆季风环流的控制, 干热少雨, 夏季盛行湿润的海洋季风, 属低纬山原季风气候。“立体气候”特点明显。受其影响, 筑坝土料种类繁多, 有高塑性粘土、高液限粉土、砾石土等, 成因以第四系残积土为多, 冲积、湖积土相对较少, 土料砾石含量较大, 普遍具有较高的流、塑限和较低的压实干密度, 施工中若对不同砾石含量的土料未作相应的调整, 将使坝土压实度変幅增大, 使得均质坝变为“分区坝”。
(3) 云南位于青藏高原东南部, 区内发育有径向、纬向、华夏与新华夏、滇缅印尼“歹”字型、通海“山”字型等构造体系, 各构造体系间相互联合、复合, 使得断裂、褶皱构造发育。近期的新构造运动较强烈, 地震活动频繁, 云南的地震活动具有如下特点: (1) 发震频率高、强度大; (2) 呈带分布; (3) 具有明显的周期性; (4) 地震灾害面积大, 死亡人数多, 次生灾害严重, 山区地震还伴生山体滑坡、崩塌、地裂、地陷以及泥石流等灾害, 次生灾害持续时间长。地震及其次生灾害对水库大坝安全威胁极大, 坝基、坝肩岩体节理裂隙发育, 岩体切割程度较高, 坝基渗漏、绕坝渗漏现象普遍。
(4) 云南省地形复杂, 地质构造强烈, 地下水运动活跃, 境内碳酸盐岩层成片出露, 其出露总面积达11万km2, 占全省土地面积的28%, 岩溶发育, 岩溶渗漏是水库大坝工程面临的主要问题之一。此外, 云南盆地边缘地带广泛分布有膨胀土, 对坝基、坝肩岩体稳定性构成极大威胁。
1.2 设计洪水标准偏低
全省的中小型水库多建于20世纪60年代前后, 当时我国水利水电工程制定的防洪标准过低, 直到20世纪80年代后期制定了《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》 (SDJ12-78) 及补充规定 (山区、丘陵部分) 和《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》 (平原、滨海部分) (SDJ217-87) , 在此基础上, 1994年颁发了国家标准《防洪标准》 (GB50201-94) , 2000年颁布了《水利水电工程等级划分及洪水标准》 (SL252—2000) 。正是由于上述原因, 造成多数中小型水库防洪能力普遍偏低。
1.3 勘测设计存在缺陷
(1) 基本资料不切实际。水库的集雨面积未经实测, 多数从小比例地形图量算, 以致集雨面积和库容量出现较大误差;坝址处没有设置固定水准点, 致使水库的库容、面积关系曲线数据与实际高程不一致。
(2) 设计计算采用的基础数据不准确。库区水文资料短缺, 多数工程洪水计算采用查图或引用邻近工程资料计算, 计算方法亦多采用经验公式或简化公式计算, 导致计算成果与实际出入较大。绝大多数小型水库建设中未进行地质勘探和取样试验工作, 对坝址地质情况缺乏了解, 填土物理力学指标凭经验主观取定, 设计成果存在较多的不准确因素。
(3) 工程设计布局方面存在缺陷。如有的水库未设溢洪道, 泄流采用输水涵洞取代。有的溢洪道布置在进水条件不理想, 或存在深挖方或高边坡开挖。溢洪道消能和归河问题也没有解决好, 在洪水下泄时回水对坝体和基础形成较严重冲刷。多数输水建筑物为坝下涵, 沿线多置于在土基上或处理不彻底的基础上, 产生不均匀沉陷而导致裂缝、断裂等, 进而产生严重渗漏。
1.4 施工质量控制不规范
(1) 地基处理不彻底。由于在坝址地质情况不明的条件下进行设计、施工, 特别是对有一定埋深覆盖层下的透水层、断层等未作处理, 有的坝基清基不彻底, 坝基建在松散的沉积层或松土层上, 又未设置截水等措施。致使坝体产生不均匀沉陷、裂缝, 导致坝体产生坝基渗漏、坝体渗漏或绕坝渗漏。
(2) 施工填土质量问题。受当时施工技术和施工机械等限制, 多数工程均为人工挖填土施工, 含水率控制、坝体碾压、夯实达不到设计要求, 或对分层压实的接合面未做刨毛处理, 分期施工加高的土坝或坝体不同土料的接合面因处理不当、填土压实度不一致, 造成结合不良等导致了坝体渗漏, 甚至滑坡。
(3) 泄水建筑物、坝下涵管等的施工质量问题。因受当时经济条件和建筑材料局限, 大部分砌体结构的砂浆都是由黄泥、石灰、水泥混合成的浆料, 其强度、耐磨性、抗腐蚀性等均较低, 加之经过近30年运行, 老化较为严重, 浆料脱落, 致使产生裂缝、断裂, 甚至倾斜、倒塌、失稳等现象。
1.5 运行管理机制不健全
(1) 大多数土坝的迎水坡为干砌石护坡, 因施工中为设置反滤、铺砌不牢、不平整、厚度和重量不够, 加上经几十年风浪的冲刷、侵蚀, 导致护坡变形、滑落, 甚至大面积被冲毁, 严重影响坝体安全。
(2) 蚁害、鼠洞问题。部分土坝因长期缺乏必要的养护、维修, 部分坝体存在白蚁和鼠害问题, 蚁窝、鼠洞一定程度上造成了贯穿坝体上、下游的洞穴, 形成渗漏通道, 危及大坝安全。
(3) 水工建筑物缺少必要的养护维修。大部分水库因管理人员不落实和经济等因素, 对金属结构等几乎从建成至今未进行岁修和养护, 使原本小问题的缺陷经日积月累的冲刷、气蚀、渗漏等而成为较大的安全隐患。
2 病险水库除险加固对策分析
为完成病险水库的除险加固任务, 为加快病险水库治理步伐, 提高质量, 宜从资金筹措、除险加固技术方案、施工质量控制及水库运行管理等方面入手。
2.1 多层次、多渠道融资
病险水库加固工程投资大、周期长、社会效益显著, 应以公共投入为主。按照“分级管理, 分级负责”的原则, 各级政府应建立相应的专项治理资金。但是, 要加快病险水库的治理步伐, 仅靠政府的投入是不够的, 必须建立和完善多元化、多层次、多渠道的投资体系。根据病险水库加固的现状和各地的实际情况, 采取不同的融资政策:将大型险库加固列入基建项目, 由国家投资;对位于经济发达地区或水库加固后经济效益较好的中型险库, 可利用贷款、发行债券及股份合作等方式筹资加固;对经济欠发达地区或主要体现社会效益 (防洪保安) 的中、小型险库的加固, 应以国家投入为主, 地方或受益区配套为辅;至于小型水库的除险加固, 则应以地方投资为主, 国家可给予一定数量的补贴或采用以奖代补的政策。同时, 结合病险水库治理, 积极稳妥地搞好小型水库的产权制度改革。
2.2 强化病险水库除险加固的技术措施
(1) 基本数据及洪水标准:鉴于水库普遍存在基本数据不清、不全或洪水标准偏低, 在除险加固时需通过调查研究, 核实、校验、补充、修正集雨面积、库容和水文、水力计算等有关参数, 按现行洪水标准及洪水计算方法复核洪水和调洪演算。结合坝坡稳定分析计算, 确定坝顶高程、坝坡坡比和泄水建筑物、输水建筑物的有关边界尺寸。
(2) 坝基、坝体渗漏处理:处理坝基和坝体渗漏问题, 宜围绕“上截下排, 以截为主, 截排结合”的原则, 视渗漏的部位、危害程度, 因地制宜, 有针对性地采取相应措施: (1) 处理坝基渗漏, 一般可采用粘土截水墙、粘土防渗铺盖、复合土工膜防渗、帷幕灌浆等截水措施, 同时可采用排水井、反滤排水体、反滤盖重、反滤排水体和盖重结合等排水措施; (2) 处理坝体渗漏的截水措施可采用粘土斜墙、坝体充填灌浆或劈裂灌浆[2]。对迎水坡偏陡、库水位易于放空的大坝可采取复合土工膜截渗。而对局部洞隙或因填土土质差、填土松散而引起渗漏的坝体, 宜采用充填式灌浆或劈裂灌浆; (3) 导渗措施, 可采用坝坡开沟导渗、坝坡培厚导渗、反滤体排渗等;对坝面散浸等但未引起坝坡失稳时可采取开沟导渗措施, 而对因散浸等引起失稳的坝坡可采用培厚导渗措施, 而对渗漏出逸点较低的坝坡脚渗漏可采取反滤体排渗措施。
(3) 绕坝渗漏:可在上游岸坡结合部采取粘土铺盖防渗法、坝肩设截水墙法、坝肩坝体整体灌浆截渗法等。同时可在下游岸坡绕坝渗流的出口处, 设置导渗排水反滤层或反滤沟, 若对下游坡进行培厚加固时, 宜在原坝下游坝端与山体交接处设置排水反滤暗沟, 以排除绕坝渗水。
(4) 坝坡加固:对坝体单薄, 坝坡较陡, 其抗滑稳定性未达现行规范要求的坝体, 应在进一步核实坝体物理力学参数后, 通过渗流和稳定分析计算, 确定坝体加固方案。坝坡加固, 多采取坝后坡培厚加固方案。若上游坡和下游坡稳定安全系数均不满足现行规范要求时, 可采取上游坡削坡、下游坡培厚的加固措施。若仅上游坡稳定安全系数不满足现行规范要求, 可结合上游坡护坡加固及综合考虑上半坡适当削坡, 下半坡适当加厚反滤料和块石的措施。
(5) 输水建筑物的除险加固: (1) 进水口空蚀问题。宜根据空蚀产生的原因, 尽量改善流态, 使建筑物边界和水流平顺, 尽量采用曲线形弯道, 减少突变, 增加材料表面强度和光滑度, 合理设置通气管, 管口安设防护罩网等; (2) 管身渗漏、裂缝、断裂处理:对坝下涵管管身出现渗漏、裂缝等可采用充填灌浆法、管内衬钢管或玻璃钢补强等措施。若断裂严重, 应考虑更换涵管, 施工可采用顶管法或新开输水隧洞。对伸缩缝老化渗漏、局部裂缝、断裂程度较轻者可采取内衬钢圈或玻璃钢补强等措施。
(6) 泄水建筑物的除险加固: (1) 溢洪道未衬砌或衬砌体结构不满足现行规范要求, 可采取重建浆砌石体或钢筋混凝土结构。消能结构需视地形、地质条件, 采用挑流或消力池底流消能方式; (2) 对陡坡和底板变形, 宜采取局部或全部翻修、重建, 防渗、排水设施需结合重建或翻修作彻底处理, 底板厚度不足可采取面浇混凝土加厚加固措施, 对混凝土或浆砌石结构底板或边墙出现裂缝, 可采取沿裂缝凿槽, 在槽内填充水泥砂浆、沥青砂浆或用环氧砂浆修补等措施[3]。
2.3 加强项目实施
(1) 强化项目管理:项目管理的核心是合同管理, 项目管理上须形成以项目法人为主体, 项目法人向国家和各投资方负责, 咨询、设计、监理、施工、物资供应等单位通过招标投标和履行经济合同为项目法人提供建设服务的建设管理新模式。项目法人负责按项目的建设规模、投资总额、建设工期, 实行项目建设的全过程管理。项目主管单位要加强对项目法人组建、项目报建、招标投标、质量监督、主体工程开工、项目验收等各个环节的监管, 严格执行基本建设程序。对以往忽视报建审批制度的现象要及时纠正。通过报建制度, 可有效地预防出现“三边”工程和“钓鱼”工程, 避免由此导致盲目开工、拖延工期、浪费资金等现象, 保证工程建设顺利进行。
(2) 实行招标投标制:病险水库除险加固的设计、施工、监理以及设备材料采购等, 需由建设项目法人依法招标, 择优选定。抓好《招标投标法》贯彻落实工作, 强化招标投标各个环节管理, 建立公开公平公正的市场秩序。
(3) 落实建设监理制:项目法人通过招标方式确定监理单位后, 监理单位即可进行工程现场管理, 依据合同从事进度、质量、投资控制, 合同管理和信息管理, 协调建设各方关系, 须杜绝监理单位超越资格等级承揽监理业务及自己施工、自己监理的现象。
2.4 建立良性循环的工程管理机制
目前多数病险水库产权虚置、管理不善、责任不落实的现象较普遍, 为防止出现一边除险、一边出险, 旧帐未还、又添新帐的被动局面。病险水库加固后, 宜从以下几方面入手建立良性循环的管理体制。
首先要尽快建立起适应市场经济运行的责权明确、管理科学的水库管理新机制。在病险水库加固工程建设之初应确定实行建设与管理统筹结合的新型建设管理体制。投资多元化、产权明晰化、供水供电价格商品化、水库服务有偿优质化, 增加现有水库管理经费, 逐步实现良性运营。其次要加强对水库调度管理人员的培训, 提高管理人员素质及水库调度水平。三是建立并严格遵守水库管理的各项规章制度及细则, 使其早日走上科学化、规范化的轨道。四是积极利用自身优势, 大力开发水土资源, 以开发促发展, 以发展促管理, 逐步建立适应市场经济的良性管理运行机制。
3 结语
由于自然地理环境复杂, 水库枢纽工程勘测设计标准偏低或存在缺陷, 施工质量控制不规范以及水库运行管理机制不健全等方面的综合影响, 云南省中小病险水库数量众多, 枢纽主要建筑物均不同程度地存在病害隐患。为加快病险水库治理步伐, 提高质量, 宜从资金筹措、除险加固技术方案、施工质量控制及水库运行管理等多方面开展工作。
摘要：结合云南省部分病险水库的除险加固工作, 分析了病害隐患存在的机理和原因, 提出除险加固中应采取的对策和措施, 为更好的完成中、小型病险水库的除险加固工作提供参考。
关键词：病险水库,病害机理,除险加固
参考文献
[1] 赵家成, 王从锋, 等.中、小型病险水库除险加固的研究[J].三峡大学学报 (自然科学版) , 2005, 27 (2) :119～122.
[2] 闫晓兵.土石坝防渗技术综述[J].山西水利, 2005 (4) :59～60.
[3] 周小光.浅谈土石坝安全隐患问题及其处理措施[J].水利科技与经济, 2005, 11 (12) :717～718.