1 概述
某市位于四川盆地西北部, 属“5·12”汶川特大地震极重灾区。该市西北部为山地, 东南部为平原, 地势由西北至东南逐渐倾斜, 有“六山一水三分田”的特点。山地区有高、中、低山三种类型(以中山为主) , 幅员面积648. 55km2 ,占全市总土地面积的52. 08% ; 平原区幅员面积596. 75km2 , 占全市总土地面积的47. 92%, 属盆西平原亚区的组成部分。
该市共有小型水库21 座, 其大坝均为均质土坝, 大部分水库位于平原区, 三个方向均筑坝的水库不在少数。其中, 小(1) 型水库有5 座,小(2) 型水库有16 座, 坝高超过10m 的水库共有14 座。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306- 2001) 和2008 年6 月出台的[ 四川、甘肃、陕西部分地区地震动峰值加速度区划图、地震动反应谱特征周期区划图] , 这21 座水库的地震基本烈度基本为Ⅶ~Ⅷ度。
2 病险情况及其成因
这21 座水库均建于上世纪50~ 70 年代, 由于当时受人力、物力、财力、技术等多因素制约, 水库的修建仅从当时现状和需要出发, 对库区的地质、水文及环境等未进行充分的勘测、分析、论证, 施工质量差, 工程建设管理措施落后。“5·12”汶川特大地震之前, 水库就普遍存在建设标准低、结构不合理、筑坝材料达不到规范要求、工程设施设备老损、运行管理设施缺失等病险情况。“5·12”汶川特大地震更是加重了水库的病险, 具体表现为以下几个方面:
2. 1 在建设标准方面
小型水库工程区域一般没有实测洪水资料及地表径流资料, 也无相邻或相似站的相关资料可以借用。因此, 四川省内的小型水库整治多采用《四川省水文手册(1979 年)》或《四川省中小流域暴雨洪水计算手册(1984年)》, 查算值推算设计洪水。这两本手册的短历时(24 小时以内) 暴雨公式略有不同, 同频率的设计暴雨计算值, 后者大于前者。而对于震损水库整治设计的水文及水库特征水位计算,《四川省震损水库除险加固工程初步设计报告编制大纲要求》中明确要求采用《四川省中小流域暴雨洪水计算手册(1984 年)》。震后在进行安全鉴定和整治设计的过程中, 我们发现, 在放水设施和溢洪设施相同的条件下, 该市小型水库相同设计标准下的洪水位高程低于复核计算值, 进而导致坝顶(防浪墙) 的高程不满足防洪要求。
5 . 12 汶川特大地震以后, 根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001) 国家标准第1 号修改单的说明, 四川省部分受地震影响的区域地震动峰值加速度和地震动反应谱特征周期作了相应修改。修改区域内原规定值废止, 新建、改建、扩建一般建设工程的抗震设计, 已建建设工程的抗震鉴定与加固, 地震灾后重建规划, 需按新规定的抗震设防要求进行。该市的地震基本烈度原为Ⅵ度, “5·12”地震后调整为Ⅶ~Ⅷ度。按照新的地震基本烈度复核, 该市小型水库的大坝坝坡抗滑稳定最小安全系数均不满足抗震的要求。
2. 2 在枢纽布置和结构方面
2. 2. 1 坝轴线。《碾压式土石坝设计规范》(SL274- 2001) (下简称《规范》) 中对于坝轴线要求“宜采用直线。当采用折线时, 在转折处应布置曲线段。设计地震烈度为8 度、9 度的地区不宜采用折线。”而实际上, 该市的小型水库三方筑坝的不在少数, 并且在转折处基本没有布置曲线段。通过对各水库的震损情况来看, 坝体的转折处为裂缝集中的区域, 并伴有内坡滑坡、外坡渗水等病害。
2. 2. 2 坝顶构造。震前, 该市的小型水库
坝顶宽度基本上未考虑水库运行和应急抢险的需要, 坝顶宽度小于3m 的不在少数。另外, 坝顶基本未进行硬化处理, 但作为当地民众生活生产必须的通道, 坝顶难以承受牲畜的踩踏和农用车的碾压, 坑洼、车辙密布。震后, 所有水库大坝的坝顶均产生了裂缝。其中, 纵缝多分布于坝顶上游侧, 横缝多分布于坝肩及坝轴线转折处。
2. 2. 3 坝体排水。部分水库无坝体排水,有坝体排水的水库多采用干砌块石棱体排水。地震导致多处排水棱体垮塌, 影响了大坝的排水和坡面的稳定。地震震垮的棱体需要整治, 但整治前原棱体的结构对坝体浸润线的影响是否满足坝体防渗和稳定要求, 需复核确定。
2. 2. 4 护坡。
“5·12”汶川特大地震前,该市仅个别小(1) 型水库大坝上游护坡较为完好, 大部分水库大坝的上游护坡要么建在中坝段位置, 左右坝段无护坡, 要么整个上游坝面无护坡。在长期风浪冲刷和地震破坏力的作用下, 上游护坡受损严重, 下游护坡基本为“杂草”护坡, 有雨淋沟缺现象。
2. 2. 5 坝面排水。该市小型水库的坝顶、坝坡、坝头、马道以及坝坡与岸坡连接处等, 基本未考虑坝面排水问题, 坝面集水、山坡集水对坝体冲刷严重。
2. 3 在筑坝材料与填筑方面
该市的小型水库多为“三边工程”, 对筑坝材料未进行严格的试验、分析。震后大坝整治设计的勘察结果表明, 坝身土主要为素填土, 由含砂泥砾、粘性土、粘性土夹泥岩、破碎砂岩及风化物组成, 坝体填筑不均匀, 大部分土体抗剪强度较低, 透水性微弱。在整治施工过程中还发现, 部分大坝为“素填土心墙坝”, 坝壳料由杂填土和库内淤泥组成。由于地震的作用, 这类大坝的内外坝坡极易产生不均匀沉降, 滑坡、裂缝严重。
2. 4 在泄水和引水建筑物方面
该市的小型水库均采用开敞式溢洪道溢洪,部分为有闸控制; 放水设施基本采用卧涵管; 部分水库配有提灌泵房。这些泄水和引水建筑物基本采用浆砌石结构衬砌。
2. 4. 1 溢洪道。震前, 溢洪道的病险情况
主要表现为: 未衬砌或砌体磨损风化严重; 底板和导墙冲刷损毁; 无消力设施; 有闸门和启闭设备的锈蚀老损严重。震后, 各水库溢洪道的边墙和底板出现不同程度的裂缝, 部分溢洪道边墙垮塌; 人行桥和启闭设备操作台断裂严重, 部分已垮塌, 完全丧失功能; 闸门和启闭机变形扭曲、门槽错位, 闸门无法正常开启。个别新建的砖混结构闸房经受住了地震的考验, 仅表层装饰材料有破损。经复核, 部分水库溢洪道泄流能力不满足防洪要求, 影响大坝的安全运行。
2. 4. 2 放水设施。该市小型水库的放水设
施基本为涵卧管形式, 浆砌石结构, 少数放水卧管经整治后成为混凝土结构。震前, 放水设施的病险情况主要表现为放水卧管风化老损、侧墙渗漏, 个别卧管与涵管的结合部位渗漏。震后, 各放水卧管出现不同程度的裂缝和局部垮塌现象。特别是布置在坝面软基的几座卧管, 坝面的裂缝贯穿卧管基础, 坝体变形直接反映在卧管上, 最终导致放水卧管基本丧失功能。幸运的是, 各水库的放水涵管基本保持完好, 未出现明显的渗水现象, 降低了整治的难度。
2. 4. 3 提灌泵房。该市小型水库的放水设
施基本为浆砌石结构, 较简陋。震前, 泵房存在砌体老损、房顶漏雨、机电设备老化落后等问题。震后, 泵房的墙体变形、裂缝, 已成危房。
2. 5 在运行管理设施方面
水库的运行管理设施主要包括管理用房、应急抢险通道、监测设施等。
早期修建的管理用房为浆砌石结构, 基本未进行防震设计, 经多年运行和特大地震的影响,管理房老损严重。特别是几座修建在坝顶的管理房, 在地震的作用下成为一片废墟。
该市仅少数水库在交通干线附近, 绝大多数的水库交通不便。在建水库时, 进库道路仅考虑为不上等级、路面狭窄的临时道路。经过历次整治, 部分进库道路进行了硬化处理, 但碍于经费等原因, 进库道路不能完全满足水库应急抢险和防汛工作的要求。
该市的小型水库仅有1 座大坝坝高大于30m, 而《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001) 未要求坝高低于30m 的小型水库大坝设置监测项目。因此, 该市的小型水库基本无监测设施。
3 除险加固措施及建议
3. 1 根据最新的暴雨洪水计算手册复核水库的设计洪水流量, 在此基础上进行调洪演算, 确定水库特征水位、溢洪道宽度和坝顶高程; 进而结合修正的地震动参数, 计算确定满足结构安全、渗流安全、抗震安全的坝体结构和填筑材料。
3. 2 对于坝轴线为折线的水库, 改变坝轴线进行整治, 将极大地削弱水库的兴利效益、增加除险加固的难度, 基本只能按原坝轴线恢复整治。在整治时, 可采用放缓上下游坝坡、培厚坝体、增设挡土墙等工程措施, 加强坝体转折处的稳定性。
3. 3 裂缝的处理结合坝顶加高和硬化进行。
查明裂缝情况, 包括形状、宽度、长度、深度、错距、走向以及其发展。根据裂缝观测资料, 针对不同性质的裂缝, 采用不同的加固处理方法,一般采用开挖回填、裂缝灌浆以及两者相结合的方法进行整治。坝顶硬化根据资金情况, 可采用泥结碎石路面或C15 混凝土路面, 坝顶宽度原则上不少于3m, 有特别通车要求的适当扩宽。
3. 4 坝体排水宜采用排水棱体。排水棱体的施工难度不高, 除了有效实现排水功能, 还能极大地增加坝体稳定性。同时, 由于排水棱体的存在, 能直观地划定坝脚的位置所在, 避免农户毁坏和侵占坝体。排水棱体下游应设排水沟。
3. 5 上游坝坡推荐采用预制混凝土护坡面板。诚然, 现浇混凝土护坡面板的施工周期更短, 但从大坝的震损情况和除险加固整治的情况来看,现浇混凝土护坡面板遭地震破坏后无法修复, 施工时的外观质量难以保证, 且面板上布设的排水孔易失效。而预制混凝土护坡面板不仅美观, 面板间的缝隙又是良好的排水通道, 而且在坝体整治时, 面板可反复使用。另外, 有个有趣的现象, 该市几座采用现浇混凝土护坡面板的大坝表面均出现了大范围的纵向裂缝, 而采用预制混凝土护坡面板的大坝却没有。理论上说, 地震时预制混凝土护坡面板(或堆石护坡) 应有一定的卸载作用, 但这个作用对于坝体稳定的影响有多大, 尚无文献明确说明。大坝下游坝坡一般采用草皮护坡, 有条件的可采用框格草皮护坡。
3. 6 坝面排水。在坝顶、坝坡、坝头、马道、坝下游等部位设集水、截水或排水设施, 坝坡与岸坡连接处设排水沟。坝面排水系统的布置、排水沟的尺寸和底坡, 应满足坝面排水的需要。
3. 7 按复核的最大泄流流量, 确定溢洪道宽度和最大过水深度。溢洪道的边墙和底板均应衬砌, 尾部应增设消能设施, 适当位置宜架设人行桥或机耕桥。
3. 8 由于放水涵管基本完好, 该市小型水库的放水设施整治工作主要为修补或重建放水卧管。修补时, 可采用在原卧管外侧浇筑10cm 厚C15 混凝土的方案, 重建的放水卧管位置和尺寸与原卧管基本保持一致, 采用C15 钢筋混凝土结构。
3. 9 对于垮塌的泵房和管理房, 应按新的防震标准重建。位于坝顶的管理房, 在地震中受损最为严重, 宜择址重建。就管理房的面积而言,小(1) 型水库不宜大于200m2 , 小(2) 型水库不宜大于20m2。
3. 10 水库对外交通通道是抢险工作的根本保证之一。防洪抢险通道在整治时, 要充分发挥现有交通网络的作用, 结合“村村通”工程和新农村建设的现状和规划合理布置。在满足基本交通功能的同时, 防洪抢险通道还应适当考虑到大型机具的通行要求, 满足应急抢险的需要。
3. 11 按规范要求, 该市除一座小(1) 型水库外, 其余的水库均不强制要求设置监测设施。但从“5·12”汶川特大地震、2010 年7 月内陆地区大范围强降雨和10 月海南的持续强降雨导致多处水库出现溃坝险情来看, 对于在下游有场镇、工矿企业等需要重点保护对象的水库, 设置监测设施是非常有必要的。
4 结语
该市小型水库在“5·12”汶川特大地震中受损严重, 但未因震后病险水库的次生灾害造成人员伤亡和重大财产损失。但在应急抢险和除险加固过程中, 也暴露出部分水库“重建设轻管理、管理人员技术水平低、重更改大修轻检查养护”等问题, 许多工程资料如水文、水情、设计、施工、验收工程资料等没有形成档案, 给应急抢险、除险加固和后续的水库管理造成极大的麻烦。
水库整治后, 加强枢纽设施的检查养护、提高管理人员技术水平、加大水法的宣传力度应是管理工作的重点内容之一。此外, 水利信息化建设、防洪防汛工作, 都对水库运行管理现代化的要求越来越高。因此, 今后的水库运行管理工作, 如监测设施、通讯设施的配置等, 宜与地方上的水利信息化建设和山洪灾害防治工程措施、非工程措施建设相衔接, 有效有序实施。
参考文献
[1] 张启岳. 土石坝加固技术. 北京: 中国水利水电出版社, 1997.
[2] 黄河水利委员会勘测规划设计研究院. 碾压式土石坝设计规范SL274- 2001. 北京: 中国水利水电出版社, 2002.
