雷赞舟

(福建江隆水利水电工程有限公司，福建 龙岩 364000)

三圣庵水库大坝输水系统漏水险情原因分析及处置方案

雷赞舟

(福建江隆水利水电工程有限公司，福建 龙岩 364000)

三圣庵水库位于文溪上游左岸的一条小支流源头，地处培丰镇洪源村东北部，坝址以上集雨面积0.268km2，总库容12万m3，水库设计灌溉面积23.33hm2，是一座以灌溉为主的小(2)型水库；水库枢纽由均质土坝、溢洪道、输水系统等建筑物组成，工程属Ⅴ等工程，大坝等主要永久性建筑物级别为5级；根据本次勘察开挖情况及此前观察漏水、输水及运行过程存在的特征现象分析，推断本次险情为大坝上游局部裂缝与输水箱涵破裂处形成漏水通道，造成大坝输水系统漏水；输水涵洞方案依据工程的技术可行、经济合理性方面考虑，兼顾施工方便易行，做出了最优方案选择。

三圣庵水库；大坝输水系统；漏水险情；裂缝；处置方案

1 工程概述

三圣庵水库位于文溪上游左岸的一条小支流源头，地处培丰镇洪源村东北部，距培丰镇政府约3.8km，距县级公路线约4.0km，坝址以上集雨面积0.268km2，主河道长1.04km，河道平均坡降178‰，总库容12万m3，水库设计灌溉面积23.33hm2，是一座以灌溉为主的小(2)型水库。水库枢纽由均质土坝、溢洪道、输水系统等建筑物组成，工程属Ⅴ等工程，大坝等主要永久性建筑物级别为5级。水库正常蓄水位394.10m，正常库容10.09万m3；死水位382.8m，死库容0.26万m3；30a一遇设计洪水洪峰流量6.84m3/s，设计洪水位395.0m； 300a一遇校核洪水洪峰流量10.3m3/s，校核洪水位395.3m，总库容12万m3。

大坝为黏土心墙坝，坝顶高程396.2m，最大坝高16.5m，坝长60.0m,坝顶宽5.0m；溢洪道位于大坝左侧，为开敞式宽顶堰进口，溢洪道长138.5m，由进水水平段、渐变段及陡坡段等组成；输水系统位于坝址左侧，进口设消力箱，采用斜拉闸门控制，孔口径直径0.5m，进口高程382.80m。后接输水箱涵，箱涵为砌石矩形断面，宽0.30m，侧墙高0.45m，涵洞总长81.3m，涵洞进口中心高程381.0m，出口底高程380.0m，最大放水流量0.12m3/s，出口接灌溉干渠。大坝和涵洞平面布置及断面图详见图1、2。

水库工程于1956年10月破土动工，1957年3月建成开始蓄水，为下游灌区发挥了巨大作用，取得了良好的经济效益和社会效益，有力促进了地方经济的发展。

2 险情现状

2.1 漏水过程及特征现象

2016年10月23日，现场水库管理员发现水库输水系统漏水现象，并上报管理单位，经管理单位组织行政管理和各相关参建单位现场勘查，发现输水系统在闸门已关闭的工况下，输水箱涵内出口集中漏水外，其他部位未发现漏水，此时大坝水位约392m，箱涵内出口水深约0.3m，宽约0.3m，目估流量约0.12m3/s左右，漏水量较大，且变化幅度小，同时上下游水质基本一样。

图1 水库现状平面布置图

图2 大坝现状横断面图

2.2 放水过程及特征现象

2016年10月23日-2016年10月26日，为水库放空期，根据现场水库管理员记录及放空后现场勘查，水库放空期间，也同样除输水箱涵内出口集中漏水外，其他部位未发现漏水，水位约380.17-380.35m，箱涵内出口水深约0.17-0.35m，宽约0.3m。放水水过程中，同时发现大坝上游面出现一条裂缝，裂缝出现后随后出现一处坍塌坑，裂缝位于坝中靠左坝段，坍塌坑位于裂缝顶部，呈椭圆型，底部已被坍塌体填满，无积水。

2.3 运行过程及特征现象

水库大坝于1957年运行至今已有59a，运行期间除灌溉用水、防汛放空外，水库不输水，截止2016年10月23日，运行良好，输水系统不存在漏水现象；土坝自身土体天然自身沉降也已稳定；根据管理人员反映及现场查勘发现，常有当地的拉矿大货车经过坝顶，且大货车拉矿重量均在80t上下，荷载大。

3 险情勘察

3.1 现状勘查

根据现场现状勘查，大坝上游面存在一条裂缝及一处坍塌坑，裂缝位于坝中靠左坝段，缝宽0.5-3cm，缝长13m，起点高程384.90m，终点高程388.60m，基本呈直线，走向约SW45°，靠近坝脚处呈弧形闭合。坍塌坑位于裂缝顶部，呈椭圆型，长约3.5m，宽约2.5m，最深约2.5m，最浅1.3m，底部已被坍塌体填满，无积水。坝面裂缝塌坑现状见图3。

3.2 地勘勘察

为探明大坝漏水、塌坑及裂缝的成因，本次勘察则针对坝体上游面塌坑处进行初步探槽开挖，接着沿缝探坑开挖，最后进行整体大开挖[1]。根据开挖现状，沿缝开挖后，见缝壁有明显的漏水痕迹，呈灰黑色淤泥附着，缝从坝面延伸至坝底，为显著的漏水通道；塌坑部位清理后继续向下开挖，开挖至输水箱涵顶部(高程381.13m)，箱涵顶部与坝体塌坑位置垂直所对应处，存在破裂缝，裂缝清理后面积约0.01m2，裂缝邻近约50cm处箱涵顶部块石已松动，且无胶结，钩机轻易的将其清出，松落部位面积约0.04m2。输水箱涵破碎现状见图4。

图3 坝体上游面裂缝、塌坑现状图

图4 输水箱涵顶部破碎现状图

开挖时坝体土体密实，揭露地层为土层，土层采用注水试验，共完成5段注水试验。根据注水试验成果，坝体填筑土体渗透系数为6.55E-06cm/s-8.6E-05cm/s，平均值2.67E-06cm/s，大部分属于弱渗透性。

4 险情成因分析

根据本次勘察开挖情况及此前观察漏水、输水及运行过程存在的特征现象分析，推断本次险情为大坝上游局部裂缝与输水箱涵破裂处形成漏水通道，造成大坝输水系统漏水，具体原因分析如下：

1)根据开挖揭露查明，坝体局部填筑土质量较差，并不能达到填筑要求，局部土质不均，形成局部薄弱带。水库除险加固及防汛放空到水库蓄满之前，大坝上游面长期露出水面，土体表面存在干缩裂缝。水蓄满及水位变化时，相应水压力变化，局部薄弱带土体存在水力劈裂，进一步造成干缩裂缝加剧变成水力劈裂缝，形成坝体上游坝面裂缝。

2)输水箱涵为浆砌块石结构，开挖后见现状块石多处并无砂浆胶结，存在松动现象，表明其原施工时施工质量差，导致局部存在薄弱带，易被破坏，大货车经过坝顶，且货车载重均在80t左右，产生较大的荷载压力，从而造成输水箱涵不均匀沉陷产生松动及位移，更进一步的加剧了输水箱涵薄弱带发生破裂，形成箱涵裂缝。

3)大货车经过坝顶，加之箱涵埋置于均质土坝中，两者由于刚度不同，在不均匀变化时，坝体内部流塑拉伸，坝体内部产生水平及垂直裂缝，导致箱涵体薄弱带外围大坝土体形成坝体内部裂缝。

综上所述，随时间的推移，以上裂缝沿着坝体薄弱部位进一步加剧发展和延伸，致使坝体内部裂缝和坝体上游坝面裂缝贯通形成裂缝通道；同时，输水箱涵的裂缝处水压力变化造成箱涵裂缝加大，导致裂缝通道、箱涵形成集中漏水通道，且伴随渗透破坏，漏水淘刷造成最终的坝体局部塌陷。

5 险情处置方案

5.1 输水系统方案的选择

三圣庵水库输水系统由进口段、输水段和启闭机房等组成， 由斜拉闸门控制放水。根据三圣庵水库存在的问题及特性，加固设计拟考虑定向钻进套管和原箱涵套管两个方案进行比选。以上拟定的方案比较只考虑放水段及封堵。

1)方案一：定向钻进套管方案。

定向钻进是一种装定向钻机设在地面上，在表层开槽、清除杂填土后，采用雷达探测仪导向，控制钻头按管道设计轴线钻进，经多级扩孔后，将管道回拉就位，完成管道敷设的施工方法。

定向钻进的工作原理是采用定向钻进技术，按设计的钻孔轨迹施工一个导向孔，先导孔完成后，在钻杆柱端部换接大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设管线，在拉回钻杆的同时将先导孔扩大，随后拉入需铺设的管道。在钻掘导向孔的过程中，利用膨润土、水、气混合物来润滑、冷却和运载切削的土至地面。钻头上安装了定向测控仪，可改变钻头的倾斜角度。

该方案设计采用水泥沙浆充填原放水箱涵，并于输水箱涵左侧1.0m布置定向钻进孔，采用DN250PE管衬套。管进出口高程均按原有高程。输水涵管定向钻进长约81.3m。

2)方案二：原箱涵套管方案。

原放水箱涵均为0.3×0.45m的浆砌石箱涵，设计拆除原输水涵洞位置进口端箱涵17m，衬套DN250的PE管，长约81.3m，采用C20 混凝土封堵涵洞两侧，封堵长度2.0m，涵洞与套管缝隙采用水泥砂浆充填。

两种方案对比情况如表1。

根据表1可知， 方案一投资较大，工期较长，工艺要求高，施工对坝体影响较小；方案二投资较少，工期较短，工艺要求低，施工坝体有影响较大，但经上游坝面裂缝处理可解决。

综上所述，从工程的技术可行、经济合理性等方面考虑，本阶段推荐采用“方案二：套管方案”对放水系统进行加固。

表1 两种方案综合比较表

5.2 险情处置方案

2004年国内首个应用于水资源保护的数字化监控中心——黄河水资源保护监控中心建成。近期实施的二期建设，所研发的水资源保护监测管理、监督管理、应急管理三大应用系统，使黄河水资源保护信息化水平再上新台阶。

本次应急除险加固主要建设内容如下：

5.2.1 输水系统修复工程

5.2.1.1 重建进水口消力箱工程

拆除原消力箱，重建进水口消力箱,采用C25钢筋混凝土结构，尺寸4m×4m×4.6m(长×宽×高)，边墙及底宽均为0.5m，消力箱底高程379.80m，进水口孔径300mm，消力箱与PE管连接处设置截水槽和止水，防止接缝处漏水。

5.2.1.2 重建输水涵管工程

重建后涵管长76m，进口中心高程为381.0m，出口中心高程为380.0m，涵管采用DN250PE(0.63MPa)进行套管。在桩号管0+017.5.及管0+076处设置堵头，1#堵头尺寸为2×1×1(长×宽×高)，2#堵头尺寸为1×1×1(长×宽×高)，堵头采用C20混凝土现浇，消力箱到桩号管0+017.5处，长17.5m采用C20混凝土外包管，外包厚度25cm，同时清除该段老浆砌石涵洞，桩号管0+017.5至出口套管后采用预埋花管骨料灌浆，骨料灌浆采用M10砂浆，灌浆压力0.2MPa，将原浆砌石涵洞封堵。

输水系统输水部分包括进水口及输水涵管，进水口按孔口出流计算，涵管出流能力按管道无压流进行复核。

孔口出流计算公式：

(1)

式中：Q为管道过水流量，m3/s；μc为流量系数；薄壁孔口取0.62；A为过水断面面积，m2；H0为上下游水位高差，m；孔口取382.9m；d为管径，孔口0.3m。

孔口过流能力详见表2。

表2 孔口过流能力计算成果表

涵管过流能力计算公式为：

(2)

式中：Q为流量，m3/s；n为糙率，PE管取0.007；A为过水断面面积，m2；R为水力半径，m；i为水面坡降，i=0.0125。

经计算，当管道充满度为0.8时，管道过流能力为0.121m3/s。

经过计算可知，孔口过流能力及涵管过流能力，大于设计引用流量0.12m3/s，满足要求。

5.2.2 大坝修复工程

5.2.2.1 裂缝修复工程

沿裂缝及坑洞周边开挖，将松土翻出，再按1∶1.4的边坡开挖，形成稳定开挖边坡，开挖底高程381.3m，顶控制高程396.2m，开挖长度沿坝轴线方向，顶长约45m，马道处约28m，坝脚处约18m。开挖过程中注意开挖安全，及时支护，避免因开挖造成边坡滑坡等安全隐患。

坝体填筑采用黏土分层夯填，直至恢复原坝型轮廓。坝体黏土回填必须严格控制铺土厚度，不得超厚，人工夯填每层不得超过15cm，土块粒径≤5cm，机械压实每层不得超过25cm，土块粒径≤10cm；铺土分层统一碾压，黏土含水率10%-30%，碾压后的渗透系数小于1×10-4cm/s，塑性指数7-17，水溶盐和有机质含量分别小于3%和5%，大坝土体填筑压实度≥0.97，其中大坝与建筑物连接处填土≥0.98。

5.2.2.2 上游坝坡防护工程

将上游坝坡干砌块石护坡拆除，人工清除表层约50cm厚的坡面。坡面整理并压实，采用黏土换填，黏土层厚50cm，黏土层上铺设一层厚度为20cm的砂砾石垫层，在389.4m马道以下采用干砌石护坡，厚度为30cm，以上采用预制六棱块护坡，六棱块采用C20混凝土预制，边长30cm，厚度10cm。

坝坡填筑必须严格控制铺土厚度，不得超厚，人工夯填每层不得超过15cm，土块粒径≤5cm，机械压实每层不得超过25cm，土块粒径≤10cm；铺土分层统一碾压，黏土含水率14%-17%，黏粒含量15%-40%，碾压后的渗透系数<1×10-5cm/s，塑性指数10-20，水溶盐和有机质含量分别<3%和2%，大坝土体填筑压实度≥0.97，其中大坝与建筑物连接处填土≥0.98。

6 结 语

本工程渗漏通道明显，水库降水又容易，通过开挖揭示，可以精准明确病因；输水涵洞方案依据工程的技术可行、经济合理性方面考虑，兼顾施工方便易行，做出了最优方案选择。通过三圣庵水库输水系统漏水险情分析及处置，为该大坝输水系统漏水险情的处置方案提供了科学依据,取得了满意的成果， 确保了水库安全及下游灌溉供水，最大程度的发挥水库工程的效益。

[1]李佩丰.小型土坝输水系统病险问题处理[J].小水电，2006(04)：21-23.

1007-7596(2017)06-0098-04

2017-05-16

雷赞舟(1975-)，男，江西萍乡人，工程师，从事水利水电工程设计。

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