病险水库除险加固设计要点

病险水库

除险加固设计要点

中水北方勘测设计研究有限责任公司陆宗磐11前言

1.主要病险问题

2.平安鉴定

3.除险加固设计

4.加固工程实例22前

言陈雷部长在全国水利工作会议上的报告：今后2-3年，要突出抓好“十大水利工程〞建设。

一是病险水库除险加固工程。确保2021年年底完成6240座大中型和重点小型病险水库除险加固任务，在此根底上，启动大中型病险水闸除险加固工程，加快各地小型病险水库除险加固步伐。3前

言?全国病险水库除险加固专项规划?工程共6240座〔大型86座，中型1096座，小型5058座〕1975年～1997年完成了81座病险水库的除险加固，1998年～2007年开展了2300多座病险水库的除险加固工作4567前

言截止到2006年底全国大型水库病险率由1999年底42％下降到14％，中型水库病险率由1999年底41％下降到25％8占中型水闸占大型水闸9前

言截止到2021年底全国已建成各类水库86353座，水库总库容6924亿立方米。其中，大型水库529座，中型水库3181座，小型水库82643座。全国大中型水库大坝平安达标率为64.1％。全国已建各类水闸43829座，其中大型水闸504座。在全部已建水闸中，分洪闸2647座，排涝闸14987座，挡潮闸5008座，引水闸8486座，节制闸12701座。101.主要病险问题病险水库的主要问题1)设计标准偏低(防洪标准、抗震标准)。2)主要建筑物稳定差。3)主要建筑物不满足抗震稳定要求。4)坝体、坝基渗漏严重，危及大坝平安。5)建筑物质量差，泄洪、输水建筑物老化、破损、漏水、露筋等。6)闸门、启闭设施和电气设备损坏，年久失修、运转不灵。7)水库的调度运用、维修养护、平安监测等管理设施严重缺乏或不完善。其他方面的问题，如水库淤积、山体滑坡、蚁害等。111.主要病险问题

病险水闸的主要问题1)防洪标准偏低。2)闸室不稳定。3)闸基和两侧渗流不稳定。4)主要结构不满足抗震要求。5)闸室结构混凝土老化及严重损坏，如混凝土裂缝、剥蚀、脱落、碳化、疏松，钢筋锈蚀等。6)闸下游消能防冲设施严重损坏。7)闸或枢纽范围上、下游河道淤积，造成泄水能力下降。8)闸门、启闭设施和电气设备损坏，或者老化、年久失修、运转不灵。9)观测设施缺少或者损坏失效。10)其他方面的问题，如枢纽布置不合理，防渗铺盖、翼墙、堤岸护坡损坏，管理房屋失修，防汛道路损坏，缺少备用电源、交通车辆和通信设施等。122.平安鉴定132.平安鉴定水库平安鉴定综合大坝工程性状各专项平安性分级结果，最终确定平安分类，水库大坝平安分为三类：一类坝平安可靠，能按设计正常运行；二类坝根本平安，可在加强监控下运行；三类坝不平安，属病险水库大坝。142.平安鉴定水库平安鉴定〔1〕有资质的单位对水库进行平安鉴定，在?水库平安鉴定综合报告?的结论中，明确为几类坝。〔2〕报水利部大坝平安管理中心认定水库大坝属几类坝。152.平安鉴定水库平安鉴定，一般需提交如下报告：?水库平安鉴定综合报告?；?水库大坝补充勘探报告?；?水库设计洪水复核分析报告?；?水库大坝老化病害检测评估报告?；?水库大坝现场检查报告?；?水库大坝渗流、边坡稳定分析报告?；?水库大坝建设与运行情况报告?；?水库溢洪道、放水洞老化病害检测评估报告?；?水库溢洪道〔闸〕平安复核报告?；?水库放水洞平安复核报告?；162.平安鉴定水闸平安鉴定?水闸平安鉴定管理方法?(水建管〔2021〕214号)水闸平安类别划分为四类：一类闸：运用指标能到达设计标准，无影响正常运行的缺陷，按常规维修养护即可保证正常运行。二类闸：运用指标根本到达设计标准，工程存在一定损坏，经大修后，可到达正常运行。三类闸：运用指标达不到设计标准，工程存在严重损坏，经除险加固后，才能到达正常运行。四类闸：运用指标无法到达设计标准，工程存在严重平安问题，需降低标准运用或报废重建。172.平安鉴定水闸平安鉴定水闸平安鉴定包括水闸平安评价、水闸平安评价成果审查和水闸平安鉴定报告书审定三个根本程序。〔一〕水闸平安评价：鉴定组织单位进行水闸工程现状调查，委托有资质单位开展水闸平安评价提出水闸平安评价报告；〔二〕水闸平安评价成果审查：由鉴定审定部门或委托有关单位，主持召开水闸平安鉴定审查会，组织成立专家组，对水闸平安评价报告进行审查，形成水闸平安鉴定报告书；〔三〕水闸平安鉴定报告书审定：鉴定审定部门审定并印发水闸平安鉴定报告书。水闸平安鉴定报告书格式要求详见附件182.平安鉴定大同水库首次平安鉴定报告书193.除险加固设计3.1除险加固设计根本要求3.2防洪标准及对策3.3抗震及加固措施3.4筑坝材料及填筑标准3.5渗流稳定及处理措施3.6溢洪道加固措施3.7坝下埋管加固措施3.8加固设计报告编制203.除险加固设计213.除险加固设计3.2防洪标准及对策“63.8“洪水中型水库5座，小型水库96座“75.8〞洪水大型水库2座、中型水库2座、小型水库58座1991年江淮大水小型水库39座洪水标准缺乏37.3%~51.5%工程质量差 35.9%~38.5%其它 8.8%~26.2%223.除险加固设计3.2防洪标准及对策板桥水库土坝，25m，库容4.92亿m3洪水流量12790m3/s，3倍校核洪水，泄流能力1740m3/s京广线102km，40座桥，世行评估100亿$灾民5400万，伤亡12万，其中死亡22564人修复后，坝高50.5m，总泄水能力15000m3/s232425

1-1-1水利水电工程分等指标

工程等别工程规模水库总库容(亿m3)防洪治涝灌溉供水发电保护城镇及工矿企业的重要性保护农田(万亩)治涝面积(万亩)灌溉面积(万亩)供水对象重要性装机容量(万kW)Ⅰ大（1）型≥10特别重要≥500≥200≥150特别重要≥120Ⅱ大（2）型10~1.0重要500~100200~60150~50重要120~30Ⅲ中型1.0~0.10中等100~3060~1550~5中等30~5Ⅳ小（1）型0.10~0.01一般30~515~35~0.5一般5~1Ⅴ小（2）型0.01~0.001<5<3<0.5<126〔1〕对综合利用的水利水电工程，当按各综合利用工程的分等指标确定的等别不同时，其工程等别应按其中最高等别确定。注：水库总库容指水库最高水位以下的静库容；〔2〕拦河水闸工程的等别，应根据其过闸流量，按表1-1-2确定。工程等别27

表1-1-2拦河水闸工程分等指标

工程等别工程规模过闸流量（m3/s）Ⅰ大（1）型≥5000Ⅱ大（2）型5000~1000Ⅲ中型1000~100Ⅳ小（1）型100~20Ⅴ小（2）型<2028

表1-1-5永久性水工建筑物级别

工程等别主要建筑物次要建筑物Ⅰ13Ⅱ23Ⅲ34Ⅳ45Ⅴ5529二、水工建筑物级别1．永久性水工建筑物级别(表1.1.5)〔1〕失事后损失巨大，可提高一级；损失不大可降低一级。经过论证并报主管部门批准。〔2〕坝高超过表1-1-6指标，其级别可提高一级，但洪水标准可不提高。〔3〕地质条件复杂或采用新型结构时，可提高一级，但洪水标准不予提高。水工建筑物30表1-2-1山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准[重现期(年)]

项目水工建筑物级别12345设计1000~500500~100100~5050~3030~20校核土石坝可能最大洪水（PMF）或10000~50005000~20002000~10001000~300300~200混凝土坝、浆砌石坝5000~20002000~10001000~500500~200200~10031表1-2-2山区、丘陵区水利水电工程消能防冲建筑物洪水标准永久性泄水建筑物级别12345洪水重现期（年）1005030201032表1-2-6平原区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准

[重现期〔年〕]项目永久性水工建筑物级别12345水库工程设计300~100100~5050~2020~1010校核2000~10001000~300300~100100~5050~20拦河水闸设计100~5050~3030~2020~1010校核300~200200~100100~5050~3030~2033343.除险加固设计3.2防洪标准及对策提高防洪标准的措施1)加高防浪墙2)加高大坝3)扩建原泄洪建筑物4)新建泄洪建筑物(溢洪道、泄洪洞等)5)其它非工程措施(用于超标准洪水)353.除险加固设计3.3抗震及加固措施3.3.1地震震级和地震烈度地震动峰值加速度和地震反响谱特征周期，直接采用?中国地震动参数区划图?GB18306-2001中的参数。地震根本烈度由GB18306-2001查取地震动峰值加速度并按表1-8-1确定工程抗震设防类别水工建筑物的工程抗震设防类别应根据其重要性和工程场地根本烈度按表1-8-2的规定确定。36表1-8-1地震动峰值加速度分区与地震根本烈度对照表地震动峰值加速度g≤0.050.050.10.150.20.3≥0.4地震基本烈度值≤667788≥937表1-8-2工程抗震设防类别

工程抗震设防类别建筑物级别场地基本烈度甲1(壅水)≥6乙1(非壅水)，2（壅水）≥6丙2(非壅水)，3≥7丁4，5≥7383.除险加固设计393.4筑坝材料及填筑标准3.4.1筑坝材料(1)防渗体1〕防渗土料①渗透系数：均质坝不大于1×10-4cm／s，心墙和斜墙不大于1×10-5cm／s。②水溶盐含量含量不大于3％。③有机质含量：均质坝不大于5％，心墙和斜墙不大于2％，超过此规定需进行论证。④有较好的塑性和渗透稳定性。⑤浸水与失水时体积变化小。403.4筑坝材料及填筑标准2〕砾石土防渗体砾石土或称砾石粘性土，是一种含有相当多粗砾土〔粒径大于5mm〕，也含有一定数量淅沥土〔粒径小于5mm〕的混合料。其中粒径大于5mm的颗粒含量不宜超过50%，最大粒径不宜大于150mm或铺土厚度的2/3，0.075mm以下的颗粒含量不应小于15％。并且在填筑时不允许发生粗料集中架空的现象。实践证明，级配优良的砾石土，压实性好，抗剪强度高，压缩性低，便于施工，是一种优良的筑坝材料。413.4筑坝材料及填筑标准3〕其他防渗土料一般情况下，塑性指数大于20和液限大于40％的冲积粘土、膨胀土、开挖压实困难的干硬粘土、冻土、分散性粘土等不宜作为坝的防渗体填筑料，必须采用时，应根据其特性采用相应的措施。423.4筑坝材料及填筑标准(2)坝壳料应具有比较高的强度。要求具有良好的排水性能。砂、砾石、卵石、漂石、碎石等无粘性土料以及料场开采的石料和开挖的石渣料，均可用作坝壳材料，但应根据其性质配置于坝壳的不同部位。433.4筑坝材料及填筑标准〔3〕反滤料、过滤料及排水材料1〕反滤料、过滤层料和排水体料应采用质地致密坚硬，具有高度抗水性和抗风化能力的材料，风化料一般不能用作反滤料。2〕材料应具有要求的级配和透水性，其中反滤料和排水体料中粒径小于0.075mm的颗粒含量应不超过5％。3〕宜尽量利用天然砂砾料筛选，当缺乏天然砂砾料时，亦可人工轧制，但应选用抗水性和抗风化能力强的母岩材料。4〕3级低坝经过论证可采用土工织物作为反滤层。443.4筑坝材料及填筑标准3.4.2填筑标准(1)粘性土粘性土的填筑标准应以压实度和最优含水率作为设计控制指标。设计干密度应以击实最大干密度乘以压实度求得。粘性土的压实度应符合以下要求：1〕1级、2级坝和高坝的压实度应为98％～100％，3级中、低坝及3级以下的中坝压实度应为96％～98％；2〕设计地震烈度为8度、9度的地区，宜取上述规定的大值；453.4筑坝材料及填筑标准(2)砂砾石和砂砂砾石和砂的填筑标准应以相对密度为设计控制指标，并应符合以下要求：1〕砂砾石的相对密度不应低于0.75，砂的相对密度不应低于0.70，反滤料的相对密度宜为0.70。2〕砂砾石中粗粒料含量小于50％时，应保证细料〔小于5mm的颗粒〕的相对密度也符合上述要求。463.4筑坝材料及填筑标准(2)砂砾石和砂砂砾石和砂的填筑标准应以相对密度为设计控制指标，并应符合以下要求：1〕砂砾石的相对密度不应低于0.75，砂的相对密度不应低于0.70，反滤料的相对密度宜为0.70。2〕砂砾石中粗粒料含量小于50％时，应保证细料〔小于5mm的颗粒〕的相对密度也符合上述要求。473.4筑坝材料及填筑标准(3)堆石的填筑标准用孔隙率为设计控制指标，并应符合以下要求：1〕土质防渗体分区坝和沥青混凝土心墙坝的堆石料，孔隙率宜为20％～28％；2〕采用软岩、风化岩石筑坝时，孔隙率宜根据坝体变形、应力及抗剪强度等要求确定；3〕设计地震烈度为8度、9度的地区，可取上述孔隙率的小值。483.5渗流稳定及处理措施3.5.1渗流平安评价渗流问题而失事仅次于洪水漫顶对土石坝而言，渗透水流除浸湿土壤降低其强度指标外，当渗透力大到一定程度时将导致坝坡滑动、防渗体被击穿、坝基出现管涌、流土等重大渗流事故，直接威胁大坝的运行平安。对混凝土坝而言，坝基扬压力的大小将直接关系到坝体的抗滑稳定；两岸地下水位的上下将影响坝肩和岩体的稳定。有侵蚀性的渗流水还会对建筑物和坝基的可溶物质造成侵害。493.5渗流稳定及处理措施渗流平安评价的主要方法1)现场检查法2)监测资料分析法、3)计算分析〔或模型试验〕法4)经验类比法503.5渗流稳定及处理措施土石坝渗流平安评价坝基(1)砂砾石层包括各种砂层或砂砾石层、砾卵石层等。复核它们在渗流场内部有无管涌、接触冲刷和渗流出口有无管涌或流土破坏的可能性，尤其需注意渗流出口的稳定问题。各种允许渗透比降确实定是关键，513.5渗流稳定及处理措施3.5.2土石坝渗流平安评价(2)覆盖层系指相对于砂砾石层透水性较弱而带粘性的土壤层，一般多覆盖于具有双层地质结构特点的河谷沉积物上层。在下游坝脚附近主要承受自下而上的渗流作用力，其渗透变形形式一般为流土型。主要是复核其抗浮动的稳定性，其允许渗透比降宜由试验法或参考流土的指标确定。有反滤盖重的情况，还需核算其盖重厚度和范围是否满足各运行水位的要求等。523.5渗流稳定及处理措施土石坝渗流平安评价(3)接触面a.复核粗、细散粒料土层之间有无接触冲刷〔流向平行界面〕和接触流土〔流向从细至粗垂直界面〕的可能性；参考反滤层的设计指标进行评价。b.复核散粒料土体与刚性物体界面的接触渗透稳定性。其判别标准最宜用试验法确定；533.5渗流稳定及处理措施土石坝渗流平安评价坝体(1)均质坝除应复核坝体的防渗性能是否满足标准要求、坝体实际浸润线和下游坝坡渗出段高程是否高于设计值外，还需注意坝内有无分散性土料和砂砾料夹层、横向或水平裂缝、松软结合带或渗漏通道等。543.5渗流稳定及处理措施3.4.2土石坝渗流平安评价(2)组合〔分区〕坝a.防渗体(心墙和斜墙)防渗体的防渗性能，上下游侧有无合格的过渡保护层。b.透水区复核上游坝坡在库水骤降情况下的抗滑稳定性和下游坝坡出逸段〔区〕的渗透稳定性，下游坡渗出段的贴坡保护层需满足反滤层的设计要求。c.过渡区坝体粗、细填料之间以及贴坡排水等，复核反滤层设计的保土条件和排水条件是否合格、有无漏做，运行中有无明显集中渗流和大量固体颗粒被带出等异常现象。553.5渗流稳定及处理措施563.5渗流稳定及处理措施3.5.3坝体防渗处理措施(1)劈裂灌浆土坝坝体劈裂灌浆的应用范围，已由原来的中低土坝，开展到70m以上的高坝；(2)充填灌浆充填灌浆一般应用于坝身裂缝处理，常用粘土浆或粘土水泥浆；573.5渗流稳定及处理措施583.5渗流稳定及处理措施593.5渗流稳定及处理措施603.5渗流稳定及处理措施渗透稳定计算渗透稳定计算任务是鉴别土的渗透变形。通过渗流计算所获得的渗透比降等数据判明坝体、坝基及下游渗流出逸段是否存在渗透变形问题，为铺设反滤或加盖重等处理措施提供依据。613.5渗流稳定及处理措施〔一〕渗透变形分类①流土：在渗流作用下土体整体浮动或流失；②管涌：在渗流作用下无粘性土中的细颗粒在孔隙中移动、流失；③接触冲刷和流失：渗流沿两种不同土层接触面流动时，沿接触面带走细颗粒，产生接触冲刷，或渗流方向垂直于两相邻的不同土层，将渗透系数小的土层的细粒土带入渗透系数大的土层中，形成接触流失。623.5渗流稳定及处理措施〔二〕渗透变形判别〔1〕粘性土：对粘性土，由于有凝聚力，渗透变形主要为流土，一般不发生管涌。〔2〕连续级配砂砾料：对于细料〔一般为2~5mm〕含量PZ>35%为流失，如PZ<35%，以不均匀系数Cu来区分，Cu<10为流土，Cu>20为管涌，Cu在10~20间为过渡型。〔3〕缺乏中间粒径砂砾料：如中间粒径〔一般为2~5mm〕以下的细粒含量PZ>35%为流土，PZ<25%为管涌，25%<PZ<35%为过渡型。633.5渗流稳定及处理措施〔三〕允许渗透比降确定〔1〕通过试验确定〔2〕通过计算确定〔3〕工程类比643.5渗流稳定及处理措施坝体排水(1)降低坝体浸润线，减小坝体孔隙水压力，增加坝坡稳定；(2)控制渗流，防止渗透破坏；(3)保护坝坡土，防止冻胀破坏。坝体排水型式：棱体排水、贴坡排水、坝内排水以及综合型排水。653.5渗流稳定及处理措施适用于下游有水的各种坝型及坝基。顶部高出尾水位，棱体排水能降低坝体浸润线，防止尾水风浪冲刷，增加下游坡稳定，但需较多石方，造价较高，棱体排水施工与坝体填筑有干扰。棱体排水〔图5-8〕663.5渗流稳定及处理措施可先填坝体，后筑贴坡排水，但不能降低坝体浸润线，对下游坝坡稳定不能提供明显帮助。主要作用是：保护浸润线以下坝体材料不被渗水带出沿坡面流失，如有尾水位，贴坡排水还可防止风浪冲刷坝坡。贴坡排水适用于坝体浸润线不高、下游坝壳无论是土料或砂砾料，坝基无论是透水或不透水都可用贴坡排水，其顶部应高于浸润线逸出点，贴坡排水〔图5-9〕673.5渗流稳定及处理措施坝内排水(1)水平褥垫排水核心由堆石或卵砾石组成，外包反滤，从下游坝趾开始，成片连续沿坝体与坝基接触面水平伸入坝体。伸入长度由计算确定，对于不透水基上均质土坝，伸入长度最多为坝底宽1/2~1/3。这种排水能较多降低坝体浸润线，适用于下游无水情况。水平褥垫排水〔图5-10〕6