军民水库除险加固设计中若干问题浅析和体会

军民水库位于江西省波阳县境内的鄱阳湖水系潼津河北支流上，控制流域面积131K M2，水库正常蓄水位82.5M，相应库容1.42х108M3，复核后校核洪水位85.65M（P=0.05%），总库容1.8х108M3，大坝原设计为心墙土坝，经现场取样试验表明为类似均质坝，坝顶高程89.6M，最大坝高39.0M，是一座以灌溉为主、结合防洪、发电、养殖、航运等综合利用的大（二）型水利工程。工程于1971年动工兴建，1972年建成并投入使用。水库属于边勘测、边设计、边施工的“三边”工程，且工程施工依靠大规模的群众运动完成，使得施工质量难以控制以及坝基处理不到位，给工程留下隐患。1992—1995年，虽对坝身采用冲抓套井粘土防渗心墙加固，但防渗效果不明显。2000年7月，大坝安全类别鉴定为三类，应进行除险加固。
1 合理确定防洪标准
军民水库大坝属于2级建筑物，在建设初期采用的校核洪水标准为1000年一遇，水位为85.2M，70年代后期，又采用最大洪水标准，水位达88.25M，两者水位相差3.05M。显然，1000年一遇不能满足《防洪标准》的要求；若继续采用最大洪水标准，又高于《防洪标准》的要求，且大坝需加高或扩大溢洪道泄洪断面，既增加工程投资，又不能增加有效库容。由于本水库库容系数达0.76，属多年调节水库，结合工程建筑物级别，根据工程运行情况，参考已建大中型土石坝工程防洪标准的取值，按照有关规定，确定校核洪水标准为规定取值的下限，即2000年一遇。
2 大坝原型观测资料分析和整理
军民水库渗流观测设施很不完善，仅有渗流压力观测，无渗流量观测及水雨情观测。由于1974年埋设的测压管在1976年大坝加固时遭堵塞废弃，其观测资料无从查找。现有测压管为1989年埋设，1990年5月开始观测，共31根，其中坝身测压管14根，坝基测压管9根，设在0+137.3、0+223.3、0+309.3断面，其中坝身测压管每断面各4根，另外在0+70.3、0+370.7坝轴线位置各1根，坝基测压管每断面各3根；绕坝测压管8根，其中左岸4根，右岸4根，其中31#管已埋入土中。测压管平面布置图见图1。
测压管由人工进行观测，手段落后、精度低，观测资料未得到整编分析，因此大坝除险加固前的防渗体系的防渗效果如何以及大坝渗流性态不明。
在除险加固设计中，根据测压管水位观测资料，结合每一根测压管绘制了水位历时过程线、位势过程线和坝体、坝肩等水位线以及坝基渗流压力等势线、大坝剖面浸润线等图，进行分析和整理。
2.1 水位过程线分析
在测压管水位过程线中，其中有些明显异常高于正常的测值，如管水位明显高于库水位等，分析为人为因素或降雨影响引起，在排除滞后效应的影响后，予以剔除。
2.1.1 坝身测压管：坝左端0+70.3断面13#管的水位与库水位无相关性。左坝段0+137.3断面，1#、2#、3#、4#测压管中，2#、3#、4#管水位变化很小，与库水位的变化相关性不明显，说明灵敏度较差，资料不可靠；1#管与下游水位的相关性较明显。坝中段0+223.3断面的5#、6#、7#、8#测压管中，6#管水位与库水位变化基本一致，但变幅较小，与其靠近下游有关；7#管水位变化很小，与库水位无关，且变幅小于其下游的6#管，说明灵敏度差；8#管在高水位时与库水位明显相关和有滞后效应； 5#管水位明显与下游水位相关。右坝段0+309.3断面的9#、10#、11#、12#测压管中，9#、10#、11#与库水位相关性较好，12#管主要在高水位时与库水位相关性较好。12#管的滞后效应十分明显，但其下游的10#、11#的管水位基本相同，滞后效应不明显，是不正常的，反映了坝体填筑质量差，透水性强，在局部（如在10#、11#管之间）可能存在强透水带。坝右端的14#管水位与库水位变化基本一致，相关性非常密切，滞后效应不明显，反映右坝段透水性强。
在整个坝身测压管中，当水库维持在较高水位不变的运行条件下，5#、9#、14#管的水位均随时间显示出负增长，说明原来的防渗体系发挥了一定的作用。
2.1.2 坝基测压管：左坝段0+137.3断面15#、16#、17#管的管水位与下游水位接近且相关性明显，与库水位基本不相关，反映该断面附近上游的粘土截水齿墙或原心墙的截渗效果好。坝中段0+223.3断面的18#、19#、20#管中，19#管与下游水位相关性好，反映该断面附近上游的粘土截水齿墙或原心墙的截渗效果好。18#、20#管水位与库水位不相关，18#管水位甚至超过了上游侧的19#管水位，估计是粘土套井施工时淤塞了该管，其观测资料剔除。右坝段断面位于原施工导流渠附近，21#、22#、23#管的灵敏度均较好，与库水位的相关性较明显，管水位明显高于其他两断面的坝基测压管水位。
2.1.3 绕坝测压管：绕坝测压管特别在高水位时，表现出与库水位很强的相关性，滞后效应不明显，说明灵敏性较好。绕坝测压管水位明显高于纵向相同位置的坝身测压管，越靠近下游越明显；坝右端的28#、29#、30#管水位均呈增长变化，靠近上游侧的管水位基本不变，而渗流出口段的水位不断上升；对坝体和坝肩稳定不利。
2.2 位势变化分析
绘制年平均位势和最高位势过程线。对靠近下游侧的测压管以及没有或轻微淤塞的测压管，平均位势与最高位势基本相近，变化趋势也一致，采用平均位势分析；淤塞严重和透水管下端灵敏度变差的测压管，宜采用最高位势进行分析。
2.2.1 坝身测压管：左坝段0+70.3断面的3#管、0+137.3断面的1#、2#、3#、4#管和坝中段0+223.3断面的5#、6#、7#、8#管，在1995年前，位势基本保持稳定，说明坝体渗流性态正常；1995-1997年，位势有所下降，靠近上游侧降幅越大，向下游逐渐递减，估计是1992-1995年加固的粘土套井防渗墙发挥了一定作用；自1997年以后各管位势回升接近到原来水平，反映防渗墙逐渐失效，正好印证了原粘土料质量差及施工质量不佳。出口段的5#、6#管位势近年来明显上升，且5#管的升幅高于6#管，表明下游排水棱体可能因淤堵，排水功能下降。右坝段0+309.3断面的9#、10#、11#、12#管和0+370.7断面的14#管，1995年以前，除下游靠近渗流出口的9#管位势基本保持稳定外，其余管位势呈较明显上升变化，不能排除右坝体的渗流状态有所恶化、发生渗透流失的可能性；与观测到的0+360左右的棱体上部高程60.0M马道内缘发现一渗漏逸出点群相符合。1995年后位势有所下降，与粘土防渗墙有关。近年所有管的位势又开始回升，说明粘土防渗墙逐渐失效，但高水位的位势仍较粘土心墙施工前略低，可能是由于右坝段施工了两排粘土套井的原因，其仍在发挥一定的防渗作用。估计随着时间推移，其防渗作用会逐渐丧失。
从整个坝体的位势分布看，坝体浸润线高，坝轴线附近的位势超过70%，反映了粘土心墙未发挥明显作用，证明了上部坝体水平向透水性强。靠近左、右坝头附近坝体内的等水位线与坝中相比，明显偏向下游，主要是受绕坝渗漏影响，说明绕坝渗流严重。右坝段比左坝段位势分布要高，反映了右坝段上部坝体的透水性和绕坝渗流比左坝段强。
2.2.2 坝基测压管：左坝段0+137.3断面的测压管位势较低，无明显趋势性变化，说明粘土截水槽截渗效果好，坝基产生渗流破坏和变形可能性小。坝中段0+223.3断面的位势，在1993年前，比左断面略低且稳定；1993年后，经分析，测压管估计失效。右坝段0+309.3断面的位势均比其它两个断面的要高，坝轴线位置高达30%，下游侧高近10%，可能是原施工导流渠渗漏、放空底涵裂缝漏水和右岸绕坝渗漏等原因引起。1995、1996两年的位势有明显的降低，可能粘土心墙发挥了作用，近年坝基位势又逐渐回升，说明防渗墙质量不佳，基本失效。经位势推算，在设计或校核洪水位下，有可能产生渗流破坏和变形。
2.2.3 绕坝测压管：左、右坝肩的绕坝测压管位势均较高，且呈上升变化趋势，越向下游升幅越大，反映绕坝渗流不稳定。
综合观测资料分析，坝体上部质量差，1992年施工的粘土套井心墙在选料、施工质量等方面存在缺陷，未起到预期防渗效果，坝体位势较高；推算高水位时，渗流会自下游坝坡半坝高以上逸出。可能存在施工导流渠渗漏、放空底涵裂缝漏水。右坝基有可能产生渗流破坏和变形的可能。左、右岸坝头山体内位势很高，呈上升变化趋势，绕坝渗流严重。
3 地质勘探资料分析和评价
军民水库曾先后于1972、1976、1992年三次在大坝钻孔取样并进行了室内土工试验。为进一步分析军民水库渗漏的原因，分清是坝体渗漏、接触渗漏、坝基渗漏还是绕坝渗漏及其具体部位，印证原型观测资料的分析结果。本次对前三次的试验成果和钻孔压水试验结果进行分析和评价。
在分析中，对容重、渗透系数等的统计分析，分断面、高程进行，剔除明显不合理的数值，避免以整个大坝为单位的的平均值、大值、小值平均值统计，不能合理地分析各坝段的质量；为设计提供准确的设计参数。如个别点渗透系数反常，拉大了平均值，使粘粒含量、砾石、沙砾、粉粒含量较合理的土质，其渗透系数平均数竟高于10-4CM/S的现象。以同一库水位时的柱状图水位来复核测压管实测及设计推算的坝体浸润线；以压水试验值来复核评价坝基和绕坝渗漏。
通过分析，坝体高程69. 0 M以上土层密实度差，右坝段在高程69.0M附近自上而下均为风化料填筑，填筑土的干密度比左坝段的小；各断面的土质属中等压缩性，随时间增长密实性渐趋均匀，但右坝段的填土质量仍比左坝段差；右坝段的透水性比左坝段的大，最大K=1.9×10-3CM/S，左坝段的K值范围为3.0×10-7—4.47×10-4 CM/S。坝基相对不透水层顶板埋深一般为25-30M，其上部相对透水层ω值一般为10—220Lu，属较严重—严重透水层，坝基存在渗漏问题。坝肩相对不透水层顶板埋深一般为20-30M，其上部相对透水层ω值一般为14—113.1Lu，属中等透水—严重透水层，坝肩存在绕坝渗漏问题。钻孔水位基本与测压管水位基本保持相对应的关系。
为更直观的了解大坝的情况，对下游坝坡、排水棱体上进行了探井、探槽等原始的地勘方法。发现坝体85.6M高程以上土料有架空现象，由较多的碎石、块石及风化料填筑；右坝段69.15M高程附近有风化料填筑，填筑松散，多处架空，与60.6M平台内缘的渗水逸出点群有直接关系。左坝段69.4M高程以上土层松软湿润，并有多处渗水、塌方和裂缝。未发现接触渗漏。排水棱体挖开后，发现有淤塞现象。


4 除险加固方案的选择
军民水库大坝存在的工程质量问题主要是坝基、坝体和绕坝渗漏问题及因渗漏使坝体浸润线抬高造成坝坡不稳的问题。设计就是要着重解决大坝的渗漏问题，建立起一道完整、封闭、可靠的防渗屏障，使大坝安全稳定。
目前对大坝渗漏处理的总原则是“上堵下排“。上堵的措施有垂直防渗和水平防渗，随着技术的发展，垂直防渗除原有的粘土铺盖、冲抓套井粘土心墙、坝体灌浆、砼防渗墙和帷幕灌浆方法外，还有近几年发展很快的塑性砼防渗墙、高压喷射砼墙、射水造孔砼墙和土工膜防渗等方法；水平防渗有粘土（土工膜）铺盖和水下抛土等。下排的措施有：在背水坡脚设导渗沟、坝后压盖、减压井和修复排水棱体等。
军民水库结合工程存在的问题，考虑了复合土工膜面板防渗、上游粘土斜墙防渗、冲抓套井回填粘土心墙防渗、坝中塑性砼防渗墙等方案，坝基均采用帷幕灌浆防渗。通过地形及地质情况、工程施工条件及难易条件、工程直接投资方面来看，冲抓套井回填粘土心墙方案较为优越，投资省，防渗体更适应变形。但从1992-1995年粘土心墙处理情况看，本地粘土质量较差，防渗效果不明显和安全度差；且与坝基帷幕灌浆难以衔接。而坝中塑性砼防渗墙方案则可避免上述问题，防渗体也适应变形，投资相差约3%。因此本次推荐了坝中塑性砼防渗墙方案。
5 大坝安全监测系统完善
大坝安全监测是评价施工质量、验证设计并指导工程安全运行的依据。军民水库大坝现状监测设施仅有人工观测的测压管，部分测压管淤塞严重，观测精度差，整理难度大，速度慢；同时缺乏水情、雨情、渗流量观测，无连续库水位和降雨观测资料，在相关分析时只有忽略滞后效应和降雨因子的作用，造成对滞后效应和降雨干扰明显的测压管的拟合精度有较大影响；不能及时准确反映工程的运行情况。
本次设计中按水利部颁发的《土石坝安全监测技术规范》进行，以渗流观测为主，配齐必要的观测设施，实行自动化实时监测，以人工监测复核。主要监测项目包括：坝体变形观测、坝体渗流压力监测、坝基渗流压力监测、绕坝渗流监测、库水位和下游水位监测、坝区雨量监测等项目。
共设有变形观测标点30个；设有浮筒式库水位计和下游压力式水位计各1个，安装超声波水位计用于检测坝后渗水量及绕坝渗水量；渗流观测为保持观测资料的连续性，仍按原断面和测点布置，在原有测压管安装钢弦式孔隙水压力计；但在塑性砼墙前后各布1个测点，在原施工导流渠、放空底涵位置增加观测点。设有坝区雨量计1个；所有观测设备均通过电缆与枢纽管理处工作站（计算机）连接。
6 体会和建议

6.2 病险土石坝防洪标准的确定：由于我国水利水电工程制订的防洪标准在60 年代过低，给工程留下极大的隐患；70年代后期因受河南“75.8”洪水影响，又一度标准过高，致使工程难以实施到位。应严格按照《防洪标准》（GB50201—94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）的有关规定，结合水库库容、调节性能、效益指标和本区域水库防洪水位运行等情况重新复核确定，一般库容小于2х108M3且为多年调节的水库防洪标准采用规定取值的下限，是合理安全可靠的。
有些符合《防洪标准》“当山区、丘陵区的水库枢纽工程挡水建筑物的挡水高度低于15M，上下游水头差小于10M时，其防洪标准可按平原区、滨海区的规定确定”规定的山区、丘陵区病险库，原设计时采用了一种不尴不尬的标准：校核洪水标准既低于山区、丘陵区的规定防洪标准，又高于平原区、滨海区的规定防洪标准。在设计时应考虑平原区、滨海区与山区、丘陵区防洪标准的规定取值相比较低，结合水库的运行情况，校核洪水标准应采用平原区、滨海区规定的防洪标准取值的上限。
6.3 重视原型观测和勘探资料的收集与整理：现有水库原型观测资料的整理、分析和对大坝进行探井、钻孔取样、钻孔注水（渗水）等地质勘探工作，是论证大坝性态的重要手段，也是土石坝的安全评价、加固或扩建的依据。大坝原型观测资料的整理和分析以及地勘工作要达到规程规范要求的深度，要重视探井、探槽等原始的地勘方法。对测压管资料要逐管进行水位过程线和位势过程线及相关性的分析；设计部门和地勘部门要相互协作、印证；对取得的成果要认真分析和统计，尤其是土工试验成果和一些渗流监测成果，对出现的一些反常现象应认真研究，提出符合实际的设计参数，以确定合理经济可靠的除险加固方案。
6.4 病险土石坝除险加固方案选择：病险土石坝存在的工程质量问题，具体表现在渗漏、滑坡和裂缝，主要是坝基、坝体和绕坝渗漏问题及因渗漏产生渗透破坏及使坝体浸润线抬高造成坝坡不稳的问题，即防渗加固问题。在设计中，要认真分析渗漏的原因，分清是坝体渗漏、接触渗漏、坝基渗漏还是绕坝渗漏及其具体部位，只有在查清了大坝隐患产生的原因，才能有的放矢，合理采用“上堵”和“下排”措施中的各种方法，处理方案才合理经济，防渗效果才最有效。
在比较处理方案时既要采用新技术，又要体现经济合理可靠的原则。不要盲目过大追求安全度，“上堵”和“下排”方案一起上。对一些低坝，不要盲目崇拜新技术，不管方案的可操作性和坝基的可灌性，只要是防渗就采用再造塑性砼墙加帷幕灌浆等先进技术方案，忽视简单明了的压盖排渗等便于施工和质量检查的处理方法，造成不必要的浪费。
6.5 建立健全大坝安全监测系统：大坝安全监测在土石坝建设中占据重要的地位，可评价施工质量、验证设计并指导工程的安全运行。但大部分病险土石坝原有监测设施比较缺乏。江西省上饶市所有病险土石坝中只有两座大型水库设有测压管、库水位、坝后渗漏量监测等简单的人工观测设施，其余除只有库水位观测外，几乎没有其它观测设施。且经过30-40年的运行使用，监测仪器设备陈旧老化，监测手段落后、不规范，资料不系统、连续，监测资料整编分析工作量大、速度慢，难以对坝体浸润线抬高、绕坝渗漏、坝基渗漏和接触渗漏作出准确的判断，不能及时准确为大坝安全运行提供依据。必须对原有观测设施进行完善，提高监测手段。
大坝安全监测系统建设应按水利部颁发的《土石坝安全监测技术规范》进行，充分利用原有设施，结合需要监测的部位增设观测断面，以渗流观测为主，配齐必要的观测设施，推行自动化实时监测，以人工监测复核，建立可靠安全的自动化的大坝安全监测系统，一步实施到位。主要监测项目应包括：坝体变形观测、坝体渗流压力监测、坝基渗流压力监测、绕坝渗流监测、地震监测、库水位和下游水位监测、坝区雨量监测等项目。