浅析小型水库除险加固技术方案的优化

浅析小型水库除险加固技术方案的优化

第09卷第7期中国水运Vol.9No.72009年7月ChinaWaterTransportJuly2009浅析小型水库除险加固技术方案的优化刘仁生（湖南省怀化市水利局，湖南怀化418000）摘要：我国病情水库数量多、分布广、险情较严重。本文结合怀化市鹤城区黄水溪水库工程实际，研究分析工程的安全性，指出水库存在的主要病情与险情；对土坝灌装工程的设计进行了研究；对主要建筑物的除险加固提出了诸多有益的建议。为基层水利工程技术人员，在水库病险情分析研究与加固设计工作方面提供了可供借鉴的思路和方法。关键词：水库；分析；加固中图分类号：TV511文献标识码：A文章编号：1006-7973（2009）07-0157-02一、概况带来更多福祉。本文以鹤城区黄水溪水库水库为例探讨一下目前，我国已建成水库9万余座，这些水库在防洪、灌小型水库的加固问题。溉、发电、供电等方面发挥了显著的社会和经济效益。由于二、土坝灌浆设计研究历史原因，我国病险水库数量多，分布广，险情较严重。为黄水溪水库地处鹤城区石门乡岩田村，属沅水水系舞水了完成病险水库除险加固任务，水利部开展了全国病险水库二级支流，距鹤城区15km，有林区公路到达坝址附近，约除险加固专项规划的编制工作。规划的范围是水利部门管辖有500m长没有公路，交通不太方便。的大、中、小型病险水库；以大型和影响县以上城镇、重要黄水溪水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养鱼等综合2铁路干线的重点小型病险水库为规划重点，规划水平年近期利用的小（Ⅰ）型水库工程。坝址控制流域面积1.18km，为2010年，远期为2015年。根据国家西部开发战略，还干流长度3km，干流坡降20‰。最大坝高28.8m，水库正3确定了一批西部地区一般小型和重点小型病险水库为除险加常蓄水位为526.73m，正常库容100.04万m。校核洪水3固工程重点。截止2000年底，全国有大型病险水库143座；位527.45m，总库容107.63万m。小型病险水库1,092座，其中重点小型病险水库543座；小枢纽工程由大坝、溢洪道及灌溉涵管等建筑物组成，枢型病险水库29,147座，需除险加固总投资544亿元。近期纽工程为Ⅳ等，主要建筑物为4级。大坝为粘土心墙坝，坝规划目标，2005年以前完成1190座各类病险水库加固，其顶高程529.2m（坝中部528.8m），坝轴线长106m，坝顶中大型143座，重点小型543座；西部地区一般小型119宽3.5m，坝底宽122.62m。溢洪道位于大坝右岸，溢流堰3座；西部地区重点小型385座，规划总投资272亿元。远长6m，溢洪道全长50m，最大下泄流量12m/s。灌溉输期规划目标，2015年以前完成其余病险水库除险加固任务，水涵管位于右岸坝下，全长125m，结构为0.4×0.7m浆砌总投资272亿元。并要求二类水库达到国家防洪标准。石箱形涵，进口高程504.65m，纵坡I=1/100，设计过水3湖南省现有各类水库13,326座，约占全国水库总数的流量0.4m/s；卧管位于大坝右岸，长33m，浆砌块石结构，1/7，其中病险水库就有5,621座，占水库总数的42.2%；断面尺寸为0.4×0.5m，放水孔直径为φ=0.2m。病险水库数量众多，病险问题复杂，病险程度严重，已成为防洪效益保护下游耕地2,100亩农田，450栋房屋和我省防汛抗灾和安全生产的一大心病。自1998年以来，在2,300人生命财产以及6km长的1802省道和7km长的湘国家的大力支持和省委省政府的高度重视下，我省共有804黔铁路不遭受洪水威胁。座病险水库列入国家专项治理规划，已基本完成194座病险水库灌溉4个村4,000亩稻田，年灌水能力可达98.023水库除险加固任务，其中国家投入我省病险水库除险加固的万m，养鱼水产产量0.2万斤，年经济效益2.25万元。资金已达17.8亿元。截至当前，我省还有国家专项规划内的1．大坝存在的主要问题610座病险水库、省级规划内803座小I型和308座重点小2007年6月3日，鹤城区水利局组织专家组对黄水溪II型病险水库和国家、省级规划外的3,900座小II型病险水水库进行了大坝现场安全检查，经检查发现工程存在以下主库除险加固工作尚未实施，预计投入资金67亿元，中央可要问题：（1）大坝坝基、坝肩渗漏严重，库水位525.2m时，投入22亿元，我省需自己解决45亿元资金。我省在五年内坝基及坝肩绕坝渗漏量达9L/s；坝外坡在522m高程以上，2要完成各类病险水库的除险加固任务，其任务之重，责任之大面积散浸，面积约180m；坝顶高度与宽度不够。（2）溢大，效率之高，为我省历史罕见。届时，病险水库除险加固洪道出口无衬砌和无泄槽消能设施，泄水槽有堆积淤塞，影任务的全面完成，也将为我省又好又快发展，人民幸福安康响溢洪道安全运行。（3）灌溉输水涵、卧管渗漏严重，库水收稿日期：2009-06-21作者简介：刘仁生，湖南省怀化市水利局。n158中国水运第09卷位525.2m时，渗漏量达100L/s。（4）大坝坝体上无任何自下与坝基灌浆面相界，上到孔口；如单为坝体灌浆孔，则观测及监测设施。（5）防汛公路路况差，山高超以陡，约有灌浆深入坝基1m，上到孔口。造孔85个，钻孔深1,275m。500m长无上坝公路，给抗洪抢险存在安全隐患。（6）防汛（3）灌桨压力。疏松土坝灌浆前期浆液以充填、穿透为仓库严重破损，给防汛抢险带来安全隐患。主，中期大部分浆液在劈裂裂缝里作纵向、竖向向上充填、2．坝基帷幕灌浆设计扩散，而后期浆液上升至坝顶形成了从下至上的灌浆液墙。（1）灌浆范围及灌浆孔布置。①灌浆孔布置。在坝轴因此疏松土坝灌浆前期压力较低，中期压力较大，后期压力线上游1.5m布一排孔，孔距2.5m，造孔43个；②材料。稍低，它与灌浆过程有关，灌浆压力可按表2控制。采用粘土浆灌浆，粘土粘率含量大于90%。表2灌浆压力控制值（2）灌浆孔深。坝基灌浆目标是坝基残积、冲积土层与灌浆时期前期、后期中期（部分孔前期）全风化岩层和强风化岩层接触带，全风化岩层和强风化岩层。孔深（m）<1717-2121-25<1717-2121-25灌浆孔段从坝基线以上1m至岩基相对不透水层。43个孔灌压力（Mpa）0.10.150.200.250.300.35浆进尺516m，造孔深1161m。（4）灌桨工艺设计（3）灌桨压力。灌浆压力按下式计算确定：P=P0+mh①灌浆方法是采用孔底注浆、全孔灌注的方法。灌浆时式中：P一灌浆压力（孔口压力）（Mpa）M——灌浆每一般要求先稀后浓，即灌浆开始时用稀浆，待坝体劈开后再加深lm的允许增加的压力值（Mpa），取0.015Mpa/m。用浓浆。②“内劈外不劈”为原则。③先灌河槽后灌岸坡H——灌浆段深度（m）段和弯曲段。④位移控制：每次灌浆时，一般坝肩位移量应灌浆压力可按表1控制。控制在1-2cm范围内。⑤裂缝控制：劈裂灌浆在孔内下3-表1灌浆压力控制值5米深的护壁管以控制坝顶裂缝的发展。一旦坝顶出现裂缝，孔深（m）<1719212325其宽度应控制在1-3cm内，长度在20m内，每次停灌后12h压力（Mpa）0.310.340.370.400.43内能自行回弹闭合宜，不能自行回弹闭合者应做阻浆盖。⑥（4）灌浆工艺设计一次灌浆量和灌浆次数控制：每次灌浆量和灌浆次数应根据①沿坝轴线单排布孔，不分序，孔距为2.5m；②灌坝高和吃浆量大小确定，一般第一序孔初次灌浆量控制在3浆方法是采用套管法和全孔灌注相间灌浆方法；灌浆不分序，l0-30m，一般不少于5次，间隔时间为5天左右，每次复3相邻两孔或数孔同时注浆，灌浆压力要大，供浆量要足以利灌量为10m左右。⑦观测要求：为灌浆施工服务设置沉降于坝基的劈裂。③下套管时套管一般下到坝基以下，然后在位移观测，每天定时观测一次，灌浆坝段灌浆时临时加测。套管内钻孔到设计部位，在套管上口阻塞器后，再进行压力灌浆时孔口压力的变化随时由专人观测记录。⑧好各项灌浆灌浆。④灌浆开始，先灌5分钟左右稀浆，泥浆比重要控制记录，填表好相关表格。33在1g/cm左右，然后泥浆比重提高到1.5g/cm左右。⑤4．灌浆效果检查每孔灌浆数次后，基本不再注浆时，将注浆管提升lm左右，（1）帷幕灌浆效果检查。帷幕灌浆结束后，在第一、二继续灌浆。⑥当坝基灌浆达到终灌标准后，将灌浆管提入坝排之间布置检查孔，孔数为帷幕灌浆孔数的10%。进行常规体再提升注浆管对坝体进行劈裂灌浆。⑦对于只进行坝基灌简易压水试验和帷幕灌浆单位吸水量W小于0.05L/min的浆不进行坝体灌浆的灌浆孔，当坝基灌浆达到终灌标准后，孔应达90%以上。再起管，灌浆管拔出后，孔口用稠浆灌满，浆面下沉后再灌，（2）坝体劈裂充填灌浆效果检查。结合帷幕灌浆检查孔，直至浆面不下沉为止，最后回填夯实。在土层进行与场注水试验，K值在坝顶以下5米范围内应小-4-43．坝体劈裂灌浆设计于5×10cm/s，5米以下应小于1×10cm/s。劈裂充填灌浆是根据坝体应力分布的特点，即在坝顶沿三、结语坝轴线方向存在一个小主应力面，而且由于填土疏松，小主水库投入运行到现在，已有二十年多年。由于缺少资金，应力很小（出现弱应力压）。在坝顶沿坝线布置灌浆孔，利用经常的维修少，同时工程管理跟不上；配套不完善，工程老一定的灌浆压力劈裂坝体，后维持较大的吸浆量，灌入浆液化，又多次受特大暴雨袭击，出现许多工程隐患。通过本研部分充填、穿透灌浆孔周围的疏松土体，部分沿劈裂缝向上究发现水库工程存在着严重的病情和险情，主要表现在：①充填、扩散，逐步形成防渗帷幕墙。经过多次反复劈裂充填大坝坝坡稳定性不满足规范要求，迎水坡干砌石崩塌。②背—间歇，坝体相应出现劈裂—回弹后，在坝线附近形成从下水坡陡且渗漏严重，局部呈牛皮涨。③溢洪道堰面混凝土表到上纵向连续的防渗墙，并使防渗墙附近的坝体得到充填和层剥落、裂缝，出口无衬砌，无消能设施，影响溢洪道安全严密。运行。④灌溉输水涵、卧管渗漏严重。⑤大坝坝体上无任（1）灌浆孔的布置。设二排孔。第一排孔与坝基帷幕灌何观测及监测设施。⑥防汛公路路况差，防汛仓库严重破损，浆孔设为同一孔，造孔43个，第二排孔设在坝轴线，孔距给防汛抢险带来安全隐患。为2.5m，造孔42个，共造孔85个。以上工程问题均己严重地威胁到工程的安全，必须尽快除灌浆材料：采用粘土灌浆，粘土粘率含量大于90%。险加固，以确保工程安全，根据研究，建议应进行加固工程项（2）灌浆孔深。如坝体、坝基灌浆孔设同一孔，则灌浆目有：①对大坝进行防渗处理，改造坝坡，（下转162页）n162中国水运第09卷单位长度的造价为目标函数记为F，则2．罚乘子法的基本算法BBaa2133BBB考虑一般的优化问题Fd=+×−×++×−×−××[()H(dH)()Cc]1（2）2322322minfX()⎫⎪s,,()0thX==k1,2,?n⎬Bkk2式中：aH12=×−4(d)/B，Cd=aH2=+/(d)约束条g()0Xjn≤=1,2,?⎪1，2jj⎭（8）件与（1）相同。构造增广Lagrange函数：综合（1）和（2）两种情况，则可给出衬砌断面优化设rnnkk12222LX(,,,)()λμλr=+fX∑∑hXkk()+hXk()+{[max(0,μj+rgXjj())]−μ}（9）22kk==11r计模型：求Xi（对直线圆弧相切型i=1，2，3，4；对抛物线型i=1，2，3使目标函数F→min。在乘子迭代过程中，给定某个充分大的rr≥′，由下式对直线圆弧相切型目标函数F如式（1），对抛物线型如进行乘子修正：kk+1=+=⎫⎪式（2），满足：σ≤≤≥≥0;σσ[];ddQQ00;。λλjjirhX()i1,2,,?nikk+1⎬2．渠道分析模型μμj=+=max(0,jirgX()j1,2,?,nj⎪⎭（10）将渠道混凝土衬砌及周围一定区域的土体的不同介质罚乘子法基本算法如下：0取为分析对象，采用有限单元法进行分析。由于渠道很长，①选取初始乘子向量λ0，μ及适当罚参数r0>0，选故按平面应变问题取单位长度进行计算；土体范围取混凝土定r的增长系数β，精度控制参数ε12,ε以及某个γ，置k=0；衬砌6B宽和深；考虑渠道内的静水压力及衬砌自重荷载>②求解无约束极值问题min(,LXrλμkkk,,)，其中函数采用平面八结点等参单元，计算单元应力。土体部分不计自Xk；L由式（9）定义，其解为重。③计算二、优化方法njkk20.5CXhj()=∑hX())渠道混凝土衬砌断面优化设计问题为非线性规划问题，j=1（11）采用罚乘子法进行优化设计。n⎧⎪j1⎫kkkkk21．罚乘子法的基本思想CXjj()=+⎨∑gX()max[0,()rgXj+λj]⎬⎪⎩j=1r⎭（12）主要考虑不等式约束的非线性极小化问题，即min()fX⎫CX()k≤εCX()k≤ε⎬如果h1并且j1则StgX,,()0,j12≤=，，，?mj⎭（3）∗k∗∗XX===(,)λλμμ，计算终止，否则转下一步；引进松驰变量Z=(,,ZZ12?Zm)，令2kkrkhXZgXZ(,)=+()（4）④乘子迭代过程，按式（10）由乘子λ,μ及罚参数jjj求出新的乘子向量kk+11+。如果λkk+1−≤λε，且kk+1利用等式约束的罚乘子法定义增广Lagrange函数：λ,μ2μ−με≤2mmr2则X∗=Xk，计算终止，否则转下一步；LXZ(,,,)()λλr=+fX∑∑hXZjj(,)+hXZj(,)2jj==11（5）⑤修正罚参数⎧CC（Xkk（X式中：λ为Lagrange乘子向量，r为罚参数。选定罚⎪⎪khi>>βrr如,rk+1kk−−11r=⎨CC（X）（X）参数rr≥′，并对某一组乘子向量λ，求出LXZ(,,,)λr的hi⎪kXXZ==(),λ()λ⎪⎩r反之（13）无约束最优化解，再按乘子迭代公式：()λλ=+rCXZ(,)（6）置kk→+1，回到第2步。kk+1写成分量形式三、优化设计软件2根据上述理论方法，已有单位编制了可视化渠道衬砌结()λλ=+()(()rgXZ+)j=1,2,?m（7）jk+1jkjj这样，求解增广Lagrange函数LXZ(,,,)λr的无约束构分析及优化设计软件OPT2000。该软件，可以对渠道衬小化与乘子迭代过程反复交替进行，直至砌进行结构分析及结构优化设计并给出结果。对渠道衬砌断∗∗∗面的优化设计工作起到了积极的推动作用。XXZZ→→→,,λλ。（上接158页）以提高其坝坡的稳定性，使其满足规范要求。参考文献②对溢洪道堰面重新浇注混凝土，重做消能设施，以提高其[1]中国水利年鉴（2001），北京：中国水利水电出版社，2001结构强度和抗冲能力。③将灌溉输水涵改建为输水隧洞，改年11月.建放水卧管。④增设大坝坝体观测及监测设施。⑤改造防[2]湖南省怀化市鹤城区黄水溪水库安全鉴定专家组.黄水溪汛公路，改建防汛仓库。水库大坝安全鉴定报告书2007年11月.从项目的经济分析和评价等，文中所拟定的除险加固设[3]湖南省水利电力厅.湖南省水文图集.2001年1月.计方案在技术上和经济上是切实可行的。