基于立体生态技术在水库除险加固中的应用
时间：2023-06-19 21:25:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
裴 航
（深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518000）
社会经济的快速发展，使得城市环境压力增大，空间和资源日趋紧张。水生态资源是人类生存和发展的物质基础，而水库作为抗洪蓄水和调节水资源的一种重要建筑物，是水生态资源的重要组成部分，其治理直接影响到生态环境的健康安全，对生态文明建设具有重要的意义。
铁扇关门水库以供水和防洪为主，向东涌、西涌社区供水。一直以来，建设年代较久的水库均存在着使用时间较长、维修不及时和监测不足的问题[1]。本文以铁扇关门水库的除险加固工程为背景，针对水库所面临的实际问题，将立体生态治理理念贯穿于水库的除险加固工程的全过程，提出了安全有效的处理措施，以期对水库加固处理提供新的解决思路和经验，从而改善了水生态环境，扭转其恶化趋势。
1.1 水库概况
铁扇关门水库位于深圳市南澳办事处东南8km的东涌河上游，属于大亚湾水系。水库右侧为东涌公路，工程于1965年兴建，1975年建成蓄水。库区枢纽工程有主坝、输水涵、溢洪道。其集雨面积2.155km2，干流河长2.681km，河流比降J=0.1972。正常蓄水位88.60m，相应库容79.67万m3；
设计洪水位91.35m，相应库容111.90万m3；
校核洪水位为92.09m，相应库容121.35万m3；
死水位76.3m，死库容0.29万m3。铁扇关门水库工程任务主要为供水和防洪，是南澳办事处的主要供水水源，建设时间较早，历经几次除险加固，仍存在安全隐患。
铁扇关门水库为小（1）型水库，工程等别为Ⅳ等。
1.2 水库的问题现状
1）主坝坝体渗漏隐患：
铁扇关门大坝为均质土坝，土石坝是一种普遍的坝型，我国早期兴建的土石坝由于多种原因，经过多年运行，渗漏问题严重，亟待解决[2]。根据测绘与调查情况，整个坝体无明显的变形和位移，坡面亦无变形和塌陷，坝体边坡稳定。大坝渗漏主要为坝基基岩渗漏，由钻孔岩芯可以看出，坝基强风化、中风化变质砂岩，属中等透水层，岩芯破碎，裂隙很发育，且充填不完整，节理裂隙发育且局部连通，贯通性好。库水在上下游水头差作用下有可能沿贯通道出现轻微渗漏。随着库水位的升高，水头高度的增大，大坝渗漏增大。大坝填筑土料大部分为含砾粉质黏土，局部夹有较多强风化碎块，透水性强，不能完全符合《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001对土料的质量要求，需进行防渗加固，且缺少大坝安全监测系统。
2）溢洪道裂缝隐患：
溢洪道位于在大坝左坝肩，为开敞式溢洪道，堰型为宽顶堰。溢洪道外侧山体为土岩混合边坡，坡面大部分裸露，且局部有塌滑迹象。该边坡处于基本稳定状态，由于存在地质灾害隐患，所以仍存在失稳的可能性。溢洪道主要置于山体强风化岩之上，但局部地段有渗漏，土体软化致使压缩性增大，强度下降，造成溢洪道底板及边墙存在多条纵横裂缝，局部混凝土剥落。
3）坝下输水涵管和库尾输水隧洞：
坝下输水涵管位于大坝左坝段，结构型式为 DN800 钢管，经调查发现大坝下游输水涵管出口存在2处渗漏点，渗漏水量较大，总体清澈，稍带泥沙，且坝下涵管出口挡墙及底板结构损坏，坝下涵管进口闸门、拦污栅老旧，闸门处也存在渗漏情况。
输水隧洞位于主坝上游约500m右岸至西涌村之间，长160m，隧洞进口设有卷扬式启闭机，库尾输水隧洞进口转动门盖已遭破坏，连接钢绳无保护措施，表面已生锈，钢绳与混凝土面现状为滑动摩擦。由于进口转动门盖处存在渗漏，输水隧洞出口流量随库水位增高而增大。
4）水库涨落带：
库区涨落带在枯水季节大面积土壤裸露在外，既产生水土流失，淤塞库容，影响水质，又严重影响库区景观。为了改善生态环境，提升景观层次，往往通过在土壤中种植植物来美化库区景观。由于水库涨落带水淹旱晒交替，生境变化极端，一般植物难以生存，而且绝大部分坡度较陡、土壤贫瘠，适宜在浅水或淤滩种植的传统挺水(两栖)植物并不适应。
铁扇关门水库经除险加固后主要建筑物级别由4级提高到3级，洪水标准为1000a一遇。根据深圳市地震烈度区划图，工程所在地的地震烈度为Ⅶ度。针对水库目前面临的问题，预期达到以下目标，①对水库进行安全加固，消除大坝渗漏、边坡滑塌风险、输水涵及输水隧洞安全隐患等，保证水库运行安全；
②库岸消落带经生态治理，改善生态环境，提升景观层次；
③大坝外观提升改造，完善配套设施；
④增设水库监测信息自动化接入系统。
3.1 大坝加固
1）坝体防渗加固：
针对目前渗流量较大的问题，首先要对大坝实施防渗处理，大坝防渗系统沿坝轴线布置。防渗系统由两部分组成，重点防渗范围为大坝段，其防渗措施拟采用“坝体粘性土防渗+C20混凝土防渗墙+坝基帷幕灌浆”方案。从安全、可靠、经济的角度出发，采用混凝土C20防渗墙，厚度0.8m，墙顶与水库校核洪水位齐平，为92.09m，墙底位于坝基中风化岩底线处，墙浇筑槽段7m；
坝基采用帷幕灌浆处理，双排孔，孔距2.0m，灌浆墙幕与防渗墙搭接高度≥3m，灌浆底线为5Lu线以下3m，灌浆方法为套阀花管法，其上夯填坝体土方至坝顶[3]。大坝设计坝顶高程94.00m，防浪墙顶高程95.00m，现状坝顶防浪墙为局部已破损的浆砌石结构，本次加固拟拆除重建。新建防浪墙拟采用C25钢筋混凝土结构，防浪墙顶高程95.00m，墙体厚度30cm，墙体结构为L型。防浪墙按20m设一伸缩缝，缝内设止水。为保证大坝坝坡稳定，且原量水堰已失效，综合考虑，将坝下输水涵管出口与坝脚排水棱体、量水堰一同加固改造，坝脚排水棱体坡度由1:1.37改为1:1.5，棱体底部设有一条浆砌石排水沟，与左岸山坡排水沟、输水涵管出口相连接，后接新建量水堰监测设施。
2）库岸边坡治理：
经现场踏勘发现，铁扇关门水库两岸边坡坡度较陡，为了避免边坡滑移、坍塌造成人员伤亡，进行安全加固时必须对这些高边坡进行加固处理，综合考虑现场的周边环境及岩土层组合等条件，右岸边坡支护拟选用“锚杆+格构梁+绿化”，左岸边坡采用“锚杆+挂网喷混植生”的支护型式，以保证边坡整体稳定[4]。右岸边坡锚杆采用HRB400钢筋，直径22mm，锚杆弯头与加强筋采用双面焊接加固；
锚杆水平间距2.5m，竖向间距2.0m。左岸边坡锚杆采用HPB300圆钢，直径12mm，长800mm，外留100mm，间距1m。
其中大坝右岸下游边坡加固方式采用“锚杆＋钢筋混凝土框架梁”，同时配合整体的绿化需求，框架梁之间全部进行植草绿化。考虑到大坝左岸坝肩属于高边坡，因此对其采用挂网混喷植生的方式进行护坡绿化。
3.2 溢洪道防渗加固
铁扇关门水库修复后，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为3级，溢洪道为3级建筑物。针对溢洪道安全鉴定结果和现状安全检查的情况，主要对溢洪道安全加固采取以下的工程处理措施。①对溢洪道控制段挡墙进行加固，采用C25钢筋混凝土U型渠结构。②溢洪道泄槽段新建C25钢筋混凝土底板，左右侧墙采用水泥砂浆护面25mm厚。③消力池起点挡墙加高至1.10m，如图1所示。
图1 溢洪道U型墙断面图
3.3 坝下输水涵管和库尾隧洞治理
针对输水涵管安全鉴定结果和现状安全检查的情况，主要对其安全加固采取以下的工程处理措施：①输水涵管进口更换门盖及拉杆等设施，改造输水涵管出口土建结构。②对原输水涵管与大坝混凝土防渗墙结合部位一定范围进行充填灌浆。③由于大坝安全加固需坝体增设常规C20防渗墙，厚度0.8m，墙顶与水库校核洪水位齐平，其上夯填坝体土方至坝顶，且启闭机房陈旧落后，因此，对启闭机房采取拆除重建。④拆除库尾输水隧洞入口门盖及启闭机，重建铸铁斜置式闸门b×h=800mm×800mm，增设手电两用螺杆式（斜置式）启闭机；
且启闭机房陈旧落后，因此，对启闭机房采取拆除重建。
库区涨落带是指枯水季节使得大面积原本被水淹没的土壤裸露在外的特殊地带，是水陆生态系统的交错的地带[5]。通过布设立体生态景观带来控制涨落带的水土保持，减少危害。
4.1 水库涨落带的危害
库区涨落带是指枯水季节使得大面积原本被水淹没的土壤裸露在外的特殊地带，是水陆生态系统的交错的地带[5]。库水周期反复性的浸泡以及水位涨落产生的淤积和冲刷作用使得土壤中的微量元素被带入水中，导致土体营养缺失，水体营养富化。加上水库涨落带水淹旱晒交替，生境变化极端，一般植物难以生存，植物的选择也一直是困扰水库涨落带生态建设的难题。涨水季节既产生水土流失，淤塞库容，影响水质，又严重影响库区景观。若不进行生态治理，涨落带土壤变得更加贫瘠，植被更难以恢复，水土流失更加严重，将会形成恶性循环，最后对生态系统造成不可修复的伤害。
4.2 立体生态景观带优化
根据铁扇关门水库历年运行情况，选择设计常水位以下2m及常水位以上2m范围进行植被重建，形成水库库岸过滤缓冲带，即为岸坡植被缓冲带。
缓冲带是一种生态植栽的生态绿化景观措施，可因时因地制宜，结合当地气候水土条件考虑合理的植物搭配。地表径流经植被拦截及土壤下渗作用后流速减缓，同时经过拦截可去除掉径流中的部分污染物，有效消减径流流速和污染负荷，再入水库。因此缓冲带发挥着防水浪冲刷、保持水土、美化库岸景观的功效。
铁扇关门水库岸坡植被缓冲带选择选耐水湿、耐水淹、耐干旱的两栖树种，以达到保持水土、涵养水源、营造景观的效果。在工程措施与植物措施相结合的条件下，根据深圳多个水库涨落带的建设情况和水库涨落带地形坡位特征，以适应性为前提，注重多样性，配置不同造林树种搭配模式，营造草、木本有机结合的多品种复层植被系统[6]。采用自然软岸的生态植栽的岸坡型式，岸边及库底用生态材料进行保护，冲刷较严重的地带，采用抛石、木桩护岸等方法。让库底透气，促进地表水与地下水的交换。种植根系发达的植被，加固岸坡。库岸
在植栽的选择上以本土植物作为基础树种，组合乔木、灌木、草本、地被、水生植物等以丰富种植的层次。通过种植的疏密程度、高低错落营造不同的空间序列，组合多个品种的植物，建立多层次的植物生境。部分涨落带地势较平坦，选择耐水湿乔木白千层、水蒲桃、落羽杉、水翁进行防护。采用带状混交，混交比例为1:1:1:1，挖穴造林，造林密度为2.5m×2m，选用2a生以上实生苗。林下扦插种植铺地黍，如图2所示。部分涨落带较陡，采用香根草篱进行环等高线种植防护。
图2 库岸设计图
根据《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）的规定和铁扇关门水库的现有监测项目和工程实际情况，目前铁扇关门水库安全监测项目设置无法满足现行规范要求，必须进一步完善监测项目布置，提高大坝安全监测的自动化、信息化程度，提高大坝管理水平和监测效率，保障水库大坝稳定运行。
铁扇关门水库大坝安全监测必要的监测项目包括巡视检查、变形监测、渗流监测、环境量监测等。结合水库安防需求，需增设一套稳定的、多功能的、智能的视频监控来辅助水库管理，支持水库巡视检查、防汛抗洪、联合调度、基础设施监管等工作。
根据系统通信组网的原理，系统总体架构由中心站和环境量（水位、雨量）监测站、GNSS变形监测站、渗流监测站、视频监控五部分组成。中心站是水情自动测报系统、GNSS变形监测系统、渗流监测系统、视频监控系统的中枢，如图3所示。
图3 水库安全监测系统拓扑图
5.1 变形监测
GNSS变形监测站部署北斗高精度定位自动化监测设备，结合多传感器融合技术实现高精度、智能化、全天时、全天候的实时监测大坝表面位移和沉降。视频监控系统提供稳定的、多功能的、智能的视频监控来辅助水库管理，支持水库巡视检查、防汛抗洪、联合调度、基础设施监管等工作。
目前铁扇关门水库大坝无表面变形监测设施，无法对坝体是否有过大变形做出分析，无法掌握水库大坝水平位移和垂直位移的情况，无法满足土石坝安全监测技术规范相关要求。
根据铁扇关门水库工程规模、由GNSS厂家经详细了解水库大坝情况，观测纵断面初拟3个，共计10个监测点，1个基准点。两岸或下游适当位置布设基准点，选择在稳定的岩基上；
监测点根据最大坝高或原河床处、合龙段、地形突变处、地质条件复杂处、地形地质特点布设[7]。
5.2 渗流监测
坝体渗流监测内容包括渗流压力和渗流量监测。配置基本的渗流渗压监测，渗流监测站分别在大坝测压管内安装自动化监测渗压计，在大坝下游安装自动化监测量水堰计来实时掌握大坝坝体渗压和渗流量情况[8]。根据坝型结构、断面大小和渗流场特征，在大坝布设4个渗流监测横断面，大坝段每个横断面上布设4个监测点，管洋房下游坝坡布设3个监测点来监测渗流压力。在下游坝址附近设导渗沟，在导渗沟出口或排水沟内设量水堰测其渗流量。
5.3 环境量监测
环境量监测内容包括水库库区的水位监测和雨量监测，在监测站配置遥测终端设备RTU、GPRS通信模块和北斗卫星通信终端设备。实现水位、雨量自动采集、固态存储、自动转换通信信道。
本文以铁扇关门水库加固工程为研究对象，将立体生态理念应用于除险加固技术中，通过增加防渗墙、边坡加固等防渗加固措施，消除了水库渗流和结构等安全隐患。保证大坝、溢洪道、输水涵管等主要建筑物的安全运行。基于立体生态理念对库岸消落带进行生态治理的技术措施，很好的保持和营造水库了的天然状态，在水岸形成良好的保土、绿化和景观效果，形成了全新的生态景观，改善了库容库貌，提升了大鹏新区的生态环境，实现了该区域的生态转型。
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