小型水库土石坝的除险加固的设计

小型水库土石坝的除险加固的设计

万文君

海南水利方工程设计有限公司 海南海口 570100

摘要：小型水库的土石坝在全球范围内被广泛应用，由于其建设成本较低且适应性强，对于地方水资源管理和洪水控制起着重要作用。然而，由于自然老化、设计标准提升、极端气候影响以及运行维护不当等多种因素，许多土石坝面临着潜在的安全隐患。本文通过全面阐述土石坝除险加固的设计理念，探讨了小型水库土石坝除险加固的原则、目标和关键技术。

关键词：土石坝；小型水库；除险加固；安全评价；渗透控制；结构加固

引言

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，水资源的需求量不断增加。小型水库作为农村地区重要的水利设施，在供水、灌溉、防洪等方面发挥着重要作用。然而，由于历史、技术、管理等多方面原因，许多小型水库存在安全隐患，其中土石坝的问题尤为突出。土石坝结构简单，就地取材，但易受自然因素影响，如雨水冲刷、泥沙淤积等，导致坝体受损、渗漏等问题，严重威胁着周边居民的生命财产安全。因此，对小型水库土石坝进行除险加固设计具有重要意义。

一、设计原则与目标

在进行除险加固设计时，应遵循以下原则：

（1）安全性原则：确保坝体结构安全，提高抗灾能力。这意味着设计应满足最高的安全标准，考虑到可能发生的自然灾害和其他风险因素，确保坝体在各种可能的情况下都能保持稳定和安全。

（2）功能性原则：满足供水、灌溉等基本功能需求。这意味着设计应满足用户的基本需求，保证供水或灌溉的流量和质量，同时也要考虑如何维护和更新设备，以保持其长期的性能和效率。

（3）经济性原则：合理利用资源，降低工程造价。这意味着设计应考虑到成本效益，尽可能地利用现有的资源和设施，避免浪费和开支。同时，也应考虑到长期的经济效益，确保项目的投资能够得到合理的回报。

（4）环保性原则：注重环境保护，减少对生态的破坏。这意味着设计应考虑到环境保护的因素，尽可能地减少对自然环境和生态系统的负面影响。这包括减少污染、保护生物多样性、减少能源消耗等方面。

主要目标是提高土石坝的稳定性、耐久性和安全性，确保水库功能的正常发挥，同时考虑经济、环保等方面的因素。这些目标是为了确保土石坝能够在各种条件下安全、稳定地运行，同时满足人们的基本需求，并且尽可能地减少对环境和资源的负面影响。

二、除险加固的设计方法

（1）土石坝加固设计的通用步骤

土石坝加固设计应从全面的安全评估开始，确立加固目标与设计准则。首先，对已有坝体进行详尽的结构和功能审查，包括历史资料的回顾与现场检查，以确定加固的需求性和紧迫性。其次，根据评估结果，选择合适的加固方式和材料。然后，进行设计计算和工程模拟，以验证所提出加固方案的可行性和效果。最后，细化施工方案，规划施工进度，并制定相应的质量安全控制措施。

（2）流量超标准处理

在流量超标准问题的处理中，设计应重点考虑提升坝体的排洪能力，以应对可能的极端洪水事件。这可能包括增加溢流道容量、设计溢洪道或底孔的改造升级。同时，需要评估影响排洪系统性能的因素如堵塞、侵蚀和泥沙淤积，并在设计中采取预防和强化措施。

（3）坝体渗透控制

对渗透问题的控制是保证土石坝安全的关键环节。在渗透控制的设计中，可以采用加厚坝肩、设置防渗屏、节流井和排水系统等方法。同时，要考虑使用长效和高效的防渗材料，以确保加固后的坝体具有更好的渗透阻止性能。

（4）坝体结构加固

坝体结构加固应当针对已经出现或潜在的坝体损伤进行。常用的方法包括修复裂缝、增设支护结构、使用锚固技术或混凝土浇筑以提升坝体的整体稳定性和抗震能力。设计时应确保加固措施不仅能够承受当前的工程要求，也要具备适应未来可能变化的能力。

（5）冲刷和河床侵蚀的处理

坝趾和下游河床的冲刷及侵蚀直接影响坝体稳定。设计中需要包括加固坝趾和护坡结构，采用护坦、沉石或其他防护措施以减缓流速和保护河道。针对河床侵蚀，则需要评估并实施河床固化、水流导向或局部疏浚等策略，以防止坝基被掏空。

（6）操作管理与监测设施的优化

有效的运行管理和监测对于保障改造后土石坝的安全运行至关重要。在设计中应考虑整合先进的监测技术和装备，如自动化测量设备和远程监控系统，确保能够实时监测坝体状态。同时，还需制定详尽的操作管理流程和应急预案，提升运维人员的响应能力和预防措施的有效执行。

三、土石坝除险加固设计的关键技术

（1） 坝体稳定技术

坝体稳定技术是确保土石坝维修后安全的根基。这包括坝体重塑、斜坡加固、使用支撑结构以及地质改良方法等。技术选用上需基于坝体现状和潜在滑坡机制，运用数值模拟和稳定性分析确定最适宜的方案。加固后的坝体应有足够的强度和稳定性，以抵御自然和人为因素可能带来的负面影响。

（2）渗透防治技术

渗透防治技术是控制土石坝内部水流和维持坝体健康的关键措施。该技术涉及应用防渗墙、防渗膜、节流井及先进的地质材料等多种方法。此技术要求对坝体的渗透特性有准确的认识，采用合适的材料与施工方法以确保长期有效性。防治技术的成功应用能显著减缓并拦截水流，从而减少坝体渗漏，提升其安全水平。

（3）抗冲刷与保护技术

抗冲刷与保护技术专门针对土石坝下游河床侵蚀和坝体冲刷问题。常见方法有布置护坦结构，铺设防冲石笼，增强河床的稳定性以及使用植被覆盖等。这些技术要求综合考量水流特性和环境条件，以设计出既有效又经济的保护措施。适当的保护技术可以显著降低水流对坝体和河床的侵蚀作用，进而保护坝体结构完整性。

（4）监测与早期预警技术

监测与早期预警技术是维护土石坝安全运行的重要支持系统。这涉及安装多种传感器测量坝体位移、渗透、裂缝和压力等关键指标，和采用自动化、智能化的数据处理和分析方法。准确和实时的监测数据对于评估坝体健康状态，进行风险评估和早期预警至关重要。引入先进的监测技术与系统有助于及时发现问题、预防事故，确保坝体的长期稳定与安全。

四、设计评估与监测

进一步强化土石坝设计评估与监测，利用高级数值分析方法和计算流体动力学（CFD）模型，可以更精确地预测坝体对水流的影响和可能出现的侵蚀问题。同时，通过实施地质雷达（GPR）探测和无人机巡检，提高检查坝体表面和结构的精细程度，确保快速及早地发现问题。为了监测坝体的内部变化，可采用嵌入式应变计、倾斜计和压力计，这些实时监测工具可以提供关键的性能数据，实现对坝体状态的连续监控。此外，结合先进的地理信息系统（GIS）和遥感技术，可进行大范围的环境监测，捕捉与坝体运营相关的生态和地形变化，从而有助于决策者及时作出环保与安全上的调整。这种综合性的风险评估和管理方法，不仅为土石坝的长期稳定性铺平道路，也为环境保护提供了有力的数据支持。

五、结论

小型水库土石坝的除险加固设计是关系到人民生命财产安全的重要问题。在进行设计时，应充分考虑安全性、功能性、经济性和环保性等方面的因素，确保设计方案的科学性和合理性。同时，在施工过程中和运行过程中，应加强监测和维护，确保工程的正常运行。

未来，应积极探索新的技术和方法，不断完善和提高小型水库土石坝除险加固设计的质量和效果。同时，应加强管理和维护，确保工程的长久稳定运行，为当地的经济发展和社会稳定做出更大的贡献。

参考文献

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