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一、前 言
病险水库,即水库大坝属《大坝安全鉴定办法》规定的三类坝的水库。三类坝就是“实际抗御洪水标准低于部颁水利枢纽工程除险加固近期非常运用洪水标准,或者工程存在较严重的质量问题影响大坝安全,不能正常运行的坝”。这类大坝由于存在安全隐患,需要进行除险加固或重建甚至报废。这些病险水库如同一颗颗“炸弹”,严重威胁着下游人民群众生命和财产安全,一旦垮坝失事就是灭顶之灾。
二、病险水库现状原因分析
造成我国存在一大批病险水库现状的原因很多,大致说来有以下两点:
(1)先天不足:我国大型水库的3/4、中型水库的2/3、小型水库的90%建成于“大跃进”和“文革”期间。这个期间修建的水库,限于当时特殊的历史条件,如水文站点少及普遍存在的设计、技术、施工力量及资金不足、水库淤积等因素,设计规范不完善,
“三边”(边勘测、边设计、边施工)工程多,水库实际运行标准远低于设计标准。同时我国的经济发展出现过多次调整,其主要表现就是压缩基本建设,停建、缓建工程项目形成许多“半拉子”水库。不少水库建成运行后不久就变成病险水库,需要加高或扩建、增建泄洪设施。
(2)后天欠债:重建轻管,以及缺乏维修养护费用造成管护不及时。特别是一些中小型水库根本就没有观测设施及手段,水库的病险情况不能及时掌握,更不能得到及时处理,最终形成重大隐患。
上述原因造成了一大批水库不同程度地存在病险问题的现状。
三、病险水库存在危害分析
大量病险水库的存在,严重影响我国的防洪安全。同时也制约了水库效益的
正常发挥,主要表现在以下三个方面;
(1)危害严重:病险水库一旦失事,将造成毁灭性的灾害。据统计,40多年来我国共有3200余座水库溃坝,其中1980年以前为2976座,特别是在十年动乱期间,因放松了水库的安全管理,水库垮坝事故频繁发生,平均每年达200多座,1973年高达500多座,给水库下游人民生命财产造成了严重损失。进入80年代后,由于加强了水库的安全管理,分批加固了一批重要的病险水库,垮坝事故大为减少,平均每年将近20多座,并且绝大部分为库容小于100万m3的小(二)型水库。
(2)影响防洪:病险水库影响防洪体系的完整性,影响了防洪功能的正常发挥。水库是防洪体系中的控制性工程,由于病险水库存在工程质量缺陷或泄洪设施不完善等问题,不能按原设计的防洪库容调蓄洪水,起不到应有的防洪作用,影响了防洪体系的整体功能。据初步统计,全国病险水库减少防洪库容150亿m3;仅全国大型和重点中型病险水库,就损失防洪库容高达55亿m3。
(3)影响效益:病险水库严重制约水库效益正常发挥。由于存在病险问题,许多水库不能按设计要求蓄水运行,无法满足供水、灌溉、发电等用水要求,严重影响兴利效益的发挥。据初步统计,全国现有病险水库因限制水位运行,减少兴利库容约120亿m3,减少年供水能力约170亿m3,减少灌溉面积200万顷。
四、病险水库存在病险问题种类分析
由于种种原因,我国病险水库存在的病险问题多种多样,有些问题的处理难度较大,经调查分析,综合来看,主要有以下几种情况:
(1)水库防洪标准低。大坝超高值或泄洪能力不够,将导致洪水漫顶(土石坝会被冲毁)和下游坝基被掏空等事故的发生,影响大坝安全。水库防洪标准低的主要原因有:①很多工程因种种原因,本身设计洪水标准低,不满足实际运用要求;②随着水文系列资料的延长,特别是受实测大洪水系列资料的影响,重新核定工程洪水标准后,工程新的防洪标准低于国家标准;③随着科技进步和社会经济的发展,工程建设规程和规范的要求在不断强化和统一,原有标准不满足新规范要求。
(2)抗震标准低:我国目前很多水库抗震标准低。地震液化是饱和砂土在地震作用下,由于严重丧失抗剪强度而由固体状态向液体状态的转化现象,其实质上是由于土体中孔隙水压力上升,使土骨架的有效应力降低以至完全消失所造成的。地震液化严重影响土石坝的安全,对土石坝造成了最严重的破坏。按新的地震烈度区划图确定工程区基本烈度并按现行水工抗震规范复核,一些水库抗震标准低,不满足要求。
(3)渗流问题:原勘探工作深度不够(未发现地质上存在的渗流通道)、设计不合理或施工不严格(包括坝体防渗结构布置和材料选用、坝基和坝肩防渗处理)及材料或结构老化(止水)等原因,都可能引起坝体、坝基或坝肩渗透压力增大、浸润线偏高或渗漏量增大等渗流问题。也有一些渗流问题还可能是由于水库运行不合理引起的,如倒悬的拱坝若长期在高温、低水位运行将导致上游坝体水平裂缝等。渗流问题往往会导致坝体(或坝基)的失稳和渗透破坏。渗透问题对于土石坝的影响最为明显,而对于混凝土大坝的坝体而言,渗流问题往往与坝体接缝或裂缝发展相关。坝基渗流问题往往与地质问题、防渗处理或防渗体失效等联系在一起。
(4)大坝稳定性差和强度问题:坝体的不稳定包括整体的不稳定(相对建基面整体滑动)和部分坝段、坝体(从整个坝体上分离)的失稳。实际上坝体的整体失稳,总是从最不稳定坝段(坝肩)开始,接着出现应力重分布,从而导致新的屈服点,最后导致整体破坏。所以坝段的不稳定(对于混凝土坝)最终将导致大坝失事。在失稳问题中还必须注意一些特殊的失稳问题,如拱坝的上滑失稳、金属面板失稳、长架空输水管道失稳或镇墩失稳等。部分坝体失稳的情况在土石坝中发生的较多,如由于上游水位骤降、地震等导致土坝上、下游坝坡失稳。当然,由于地质及地基处理、断面设计、颗粒级配、材料分区、排水设施失灵、下游坝趾冲蚀、地震(导致土石坝材料泥化)等原因都可能引起稳定问题。
对于强度问题,主要表现为产生裂缝、接缝宽度增加、内部融蚀、表面冻融等,其中贯穿性裂缝对坝体安全极为不利。产生裂缝的主要原因有拉应力过大或有效应力减少、材料的抗剪或抗拉强度降低、温度应力、土石坝材料的千容重和密实度不能满足要求等,其中由于拱效应引起的土石坝裂缝要特别注意。当然,由于干缩或温度变化也会产生表面裂缝,但它对坝体的安全影响相对较小。
(5)输、放水及泄洪建筑物老化,破坏较为普遍:泄洪建筑物结构裂缝、失稳、破坏、无消能工或消能工不完善、基础淘刷等,输、放水建筑物裂缝、断裂、露筋、剥离、冲蚀,漏水,严重影响建筑物结构的整体性和安全性,特别是遇坝下埋管时,极易导致接触冲刷破坏,危及坝体安全。
(6)材料和结构老化。材料本身要老化,包括材料力学性能、抗渗性能等参数的下降和离散性加强。结构老化表现为结构失效或失稳,常见的止水老化、面板缝止水老化就直接关系到面板堆石坝的整体稳定。
(7)金属结构和机电设备不能正常运转:金属结构和机电设备老化,超过使用年限、锈蚀严重、止水失效,正常运转非常困难,严重影响水库安全。
(8)防汛公路不畅,管理设施、水文测报、大坝观测设备等不完善,较多水库防汛公路标准低,甚至没有防汛道路,管理设施陈旧落后。
(9)水库淤积:水库淤积首先会减小有效库容、影响水库效益,其次是增大了泥沙压力,但也增加了上游防渗层厚度。
此外,还有山体滑坡、南方白蚁破坏等,均需引起高度重视。
五、结 语
由此可以看出,全国病险水库数量较大,问题复杂,病险水库除险加固治理是一项十分复杂的工程,各国政府十分重视相关技术研究,国内外学者与专家经过潜心研究也取得了许多成果,在病险水库加固治理中发挥了重大作用,取得了显著效果。但是目前仍存在许多问题需要深入研究。
病险水库,即水库大坝属《大坝安全鉴定办法》规定的三类坝的水库。三类坝就是“实际抗御洪水标准低于部颁水利枢纽工程除险加固近期非常运用洪水标准,或者工程存在较严重的质量问题影响大坝安全,不能正常运行的坝”。这类大坝由于存在安全隐患,需要进行除险加固或重建甚至报废。这些病险水库如同一颗颗“炸弹”,严重威胁着下游人民群众生命和财产安全,一旦垮坝失事就是灭顶之灾。
二、病险水库现状原因分析
造成我国存在一大批病险水库现状的原因很多,大致说来有以下两点:
(1)先天不足:我国大型水库的3/4、中型水库的2/3、小型水库的90%建成于“大跃进”和“文革”期间。这个期间修建的水库,限于当时特殊的历史条件,如水文站点少及普遍存在的设计、技术、施工力量及资金不足、水库淤积等因素,设计规范不完善,
“三边”(边勘测、边设计、边施工)工程多,水库实际运行标准远低于设计标准。同时我国的经济发展出现过多次调整,其主要表现就是压缩基本建设,停建、缓建工程项目形成许多“半拉子”水库。不少水库建成运行后不久就变成病险水库,需要加高或扩建、增建泄洪设施。
(2)后天欠债:重建轻管,以及缺乏维修养护费用造成管护不及时。特别是一些中小型水库根本就没有观测设施及手段,水库的病险情况不能及时掌握,更不能得到及时处理,最终形成重大隐患。
上述原因造成了一大批水库不同程度地存在病险问题的现状。
三、病险水库存在危害分析
大量病险水库的存在,严重影响我国的防洪安全。同时也制约了水库效益的
正常发挥,主要表现在以下三个方面;
(1)危害严重:病险水库一旦失事,将造成毁灭性的灾害。据统计,40多年来我国共有3200余座水库溃坝,其中1980年以前为2976座,特别是在十年动乱期间,因放松了水库的安全管理,水库垮坝事故频繁发生,平均每年达200多座,1973年高达500多座,给水库下游人民生命财产造成了严重损失。进入80年代后,由于加强了水库的安全管理,分批加固了一批重要的病险水库,垮坝事故大为减少,平均每年将近20多座,并且绝大部分为库容小于100万m3的小(二)型水库。
(2)影响防洪:病险水库影响防洪体系的完整性,影响了防洪功能的正常发挥。水库是防洪体系中的控制性工程,由于病险水库存在工程质量缺陷或泄洪设施不完善等问题,不能按原设计的防洪库容调蓄洪水,起不到应有的防洪作用,影响了防洪体系的整体功能。据初步统计,全国病险水库减少防洪库容150亿m3;仅全国大型和重点中型病险水库,就损失防洪库容高达55亿m3。
(3)影响效益:病险水库严重制约水库效益正常发挥。由于存在病险问题,许多水库不能按设计要求蓄水运行,无法满足供水、灌溉、发电等用水要求,严重影响兴利效益的发挥。据初步统计,全国现有病险水库因限制水位运行,减少兴利库容约120亿m3,减少年供水能力约170亿m3,减少灌溉面积200万顷。
四、病险水库存在病险问题种类分析
由于种种原因,我国病险水库存在的病险问题多种多样,有些问题的处理难度较大,经调查分析,综合来看,主要有以下几种情况:
(1)水库防洪标准低。大坝超高值或泄洪能力不够,将导致洪水漫顶(土石坝会被冲毁)和下游坝基被掏空等事故的发生,影响大坝安全。水库防洪标准低的主要原因有:①很多工程因种种原因,本身设计洪水标准低,不满足实际运用要求;②随着水文系列资料的延长,特别是受实测大洪水系列资料的影响,重新核定工程洪水标准后,工程新的防洪标准低于国家标准;③随着科技进步和社会经济的发展,工程建设规程和规范的要求在不断强化和统一,原有标准不满足新规范要求。
(2)抗震标准低:我国目前很多水库抗震标准低。地震液化是饱和砂土在地震作用下,由于严重丧失抗剪强度而由固体状态向液体状态的转化现象,其实质上是由于土体中孔隙水压力上升,使土骨架的有效应力降低以至完全消失所造成的。地震液化严重影响土石坝的安全,对土石坝造成了最严重的破坏。按新的地震烈度区划图确定工程区基本烈度并按现行水工抗震规范复核,一些水库抗震标准低,不满足要求。
(3)渗流问题:原勘探工作深度不够(未发现地质上存在的渗流通道)、设计不合理或施工不严格(包括坝体防渗结构布置和材料选用、坝基和坝肩防渗处理)及材料或结构老化(止水)等原因,都可能引起坝体、坝基或坝肩渗透压力增大、浸润线偏高或渗漏量增大等渗流问题。也有一些渗流问题还可能是由于水库运行不合理引起的,如倒悬的拱坝若长期在高温、低水位运行将导致上游坝体水平裂缝等。渗流问题往往会导致坝体(或坝基)的失稳和渗透破坏。渗透问题对于土石坝的影响最为明显,而对于混凝土大坝的坝体而言,渗流问题往往与坝体接缝或裂缝发展相关。坝基渗流问题往往与地质问题、防渗处理或防渗体失效等联系在一起。
(4)大坝稳定性差和强度问题:坝体的不稳定包括整体的不稳定(相对建基面整体滑动)和部分坝段、坝体(从整个坝体上分离)的失稳。实际上坝体的整体失稳,总是从最不稳定坝段(坝肩)开始,接着出现应力重分布,从而导致新的屈服点,最后导致整体破坏。所以坝段的不稳定(对于混凝土坝)最终将导致大坝失事。在失稳问题中还必须注意一些特殊的失稳问题,如拱坝的上滑失稳、金属面板失稳、长架空输水管道失稳或镇墩失稳等。部分坝体失稳的情况在土石坝中发生的较多,如由于上游水位骤降、地震等导致土坝上、下游坝坡失稳。当然,由于地质及地基处理、断面设计、颗粒级配、材料分区、排水设施失灵、下游坝趾冲蚀、地震(导致土石坝材料泥化)等原因都可能引起稳定问题。
对于强度问题,主要表现为产生裂缝、接缝宽度增加、内部融蚀、表面冻融等,其中贯穿性裂缝对坝体安全极为不利。产生裂缝的主要原因有拉应力过大或有效应力减少、材料的抗剪或抗拉强度降低、温度应力、土石坝材料的千容重和密实度不能满足要求等,其中由于拱效应引起的土石坝裂缝要特别注意。当然,由于干缩或温度变化也会产生表面裂缝,但它对坝体的安全影响相对较小。
(5)输、放水及泄洪建筑物老化,破坏较为普遍:泄洪建筑物结构裂缝、失稳、破坏、无消能工或消能工不完善、基础淘刷等,输、放水建筑物裂缝、断裂、露筋、剥离、冲蚀,漏水,严重影响建筑物结构的整体性和安全性,特别是遇坝下埋管时,极易导致接触冲刷破坏,危及坝体安全。
(6)材料和结构老化。材料本身要老化,包括材料力学性能、抗渗性能等参数的下降和离散性加强。结构老化表现为结构失效或失稳,常见的止水老化、面板缝止水老化就直接关系到面板堆石坝的整体稳定。
(7)金属结构和机电设备不能正常运转:金属结构和机电设备老化,超过使用年限、锈蚀严重、止水失效,正常运转非常困难,严重影响水库安全。
(8)防汛公路不畅,管理设施、水文测报、大坝观测设备等不完善,较多水库防汛公路标准低,甚至没有防汛道路,管理设施陈旧落后。
(9)水库淤积:水库淤积首先会减小有效库容、影响水库效益,其次是增大了泥沙压力,但也增加了上游防渗层厚度。
此外,还有山体滑坡、南方白蚁破坏等,均需引起高度重视。
五、结 语
由此可以看出,全国病险水库数量较大,问题复杂,病险水库除险加固治理是一项十分复杂的工程,各国政府十分重视相关技术研究,国内外学者与专家经过潜心研究也取得了许多成果,在病险水库加固治理中发挥了重大作用,取得了显著效果。但是目前仍存在许多问题需要深入研究。