中小型水库坝下排水涵管除险加固设计重点

摘要：我国20世纪50-70年代修建的中小型水库，其泄水建筑物大多采用坝下涵管，在受当时技术条件的限制，且年久失修，致使大多数涵管存在渗漏或其他问题，严重影响到大坝的安全运行。根据多年处理中小型病险水库的经验，对防止涵管接触渗漏的设计要点、防止内水外渗的设计要点、原涵管的拆除与兴建的设计要点、原涵管封堵与新建虹吸管的设计要点等进行了归纳总结。其设计经验对中小型病险水库的除险加固有重要参考价值。

关键词：坝下涵管；渗漏处理；设计要点；中小型水库

中国法分类号：TV698文献标志码：A

1 排水涵管运行现状

我国在20世纪50-70年代修建了大量的中小型水库，大坝坝型多采用土石坝，排水建筑物大多采用坝下涵管。受当时经济技术条件的制约和影响，往往在缺乏规范的设计图纸和专业施工单位的情况下，工程仓促上马，造成工程施工质量差，致使大多数涵管存在渗漏或其他问题，影响大坝的正常运行。

导致涵管渗漏的主要原因有：涵管基础地质条件差，不均匀沉陷导致涵管损坏；坝体施工质量差，坝内涵管与大坝防渗体结合不严密，造成沿涵管外壁的接触渗漏冲刷或坝体变形导致涵管损坏；涵管砌筑质量差引起破裂漏水；进水口闸门或防渗结构损坏引起渗漏等。

由于原设计施工资料严重缺失，且涵管深埋在坝下，涵管病害问题是否存在或严重程度难以查明，病害问题一旦发展则对大坝威胁极大，处理起来难度也很大，故涵管病害被称为“大坝心脏病”。

坝下排水涵管除险加固设计首先要查明涵管存在的问题，管壁外侧是否存在接触渗漏问题，涵管是否有裂缝、断裂等结构性问题，管内漏水要分清是进口闸门漏水还是坝体渗水汇入管内等情况，针对不同的问题，设计应提出相应的处理措施。通常的处理方法分为两钟：①对结构没有大问题的老涵管，进行加固和防渗处理时，多采用进口开挖后重新回填黏土夯实防渗、修补涵管内外侧壁与涵管内衬钢管或塑料管、涵管外侧灌浆和增设截水环等方法。②对于结构破坏严重，或坝中断裂错位的小管径涵管，则须封堵或挖除老涵管，重新修建放水建筑物，一般采用挖除并新建涵管、新建虹吸管或有条件时新开隧洞等处理方法。笔者在进行一些设计复核工作时，发现很多涵管加固设计不合理，现将多年设计工作的经验加以总结，供设计人员参考。

2 防止涵管接触渗漏设计要点

有些水库坝下涵管虽经多年运行，没有出现大的结构性问题，主要原因是进口闸门及启闭设施运行多年后锈蚀老化。这样的涵管处理应以维修加固为主。对于渗漏情况并不严重的涵管可以不作防渗处理，而是将涵管出口处开挖后做好反滤，保证工程大坝渗透稳定。进口闸口及启闭设施一般需要改造更新处理。接触渗漏比较严重时，需在上游侧或坝顶位置采取截渗措施。

2.1 充填灌浆处理

由于原涵管两侧回填土不密实或不均匀沉降等原因，造成水库蓄水后在涵管外周边易形成渗漏通道，在长期集中渗流情况下，涵管外围接触面会形成空洞。为使坝体与涵管接合紧密，确保坝体安全，可采用充填灌浆处理涵管外周边的空隙。

充填灌浆适用于处理性质和范围都已确定的局部隐患，进行充填灌浆设计首先要确定涵管的位置和涵管外侧空洞或裂隙的范围，根据涵管缺陷情况确定孔位布置、灌浆压力、浆液材料及浓度等设计指标。孔位间排距一般取1-1.5m，孔深至涵底以下1m，灌浆压力不大于0.05MPa，以免劈裂坝体形成新的缺陷。为确保灌浆效果，要求每孔复灌3次以上，每次复灌间歇时间不少于5d。灌浆材料可采用灌黏土水泥浆，水泥用量为干料量的5%-30%。

需要强调的是，充填灌浆处理大坝防渗是不可行的，由于原坝体细颗粒较多，渗透系数本身就不大，充填灌浆要求的灌浆压力又很小，浆液在坝体内不能有效扩散，孔与孔之间不能搭接形成防渗幕墙，起不到防渗的作用。所以一般老的坝体存在的压实度不够、渗透系数较大等问题不能用充填灌浆处理。

2.2 倒挂并增设截水环

对于沿管壁接触渗漏问题比较严重的，应进行截渗处理，可在管壁外侧增设截水环防渗。由于涵管深埋坝下，明挖处理费工费时且风险较大，截水环可采用倒挂井的施工方法开挖。倒挂井是在坝顶浇筑混凝土锁梁，梁下修建混凝土的倒挂井，逐层向下开挖、立模、浇筑混凝土倒挂井壁，挖至涵管基岩后清除风化岩石、凿毛清洗干净，浇筑防渗墙截水环截渗。倒挂井采用人工开挖，技术简单，不需要大型设备和专业施工力量，施工方便，不受水库洪水影响，可减少土石方开挖量，降低工程成本，缩短建设周期。

倒挂井设计的要点首先是根据地质情况确定井深及井圈的大小和组数，然后确定锁口梁的结构及尺寸，锁口梁可以保证井口稳定，并且井圈的重量也主要由锁口梁承担，故锁口纵横梁应按简支梁设计并配筋。倒挂井垂直开挖要靠井壁支护，并壁一节一节自上而下施工并预埋钢筋，上一段支护稳定后开挖下一段，然后浇注下一段的井壁混凝土，下一节井壁倒挂在上一节井壁上维持稳定。由于井圈不是封闭的圆圈，横向支撑必不可少，支撑可采用方木或型钢焊制，一般每层设置3道横撑。截水环施工完毕后井内应回填黏土夯实到坝顶，不可浇注混凝土，以免混凝土干缩以及和坝体间产生不均匀沉降，形成横向裂缝，影响防渗效果。

出于安全考虑，设计倒挂井开挖的最大深度一般控制在30m以内。在无黏性砂石料中挖井因土料凝聚力小，开挖易出现塌方，对于级配较好且密度较高的砂砾层，塌方不严重时可采取缩短井节高度加快施工周期的过渡措施。当遇有级配较差、砾石集中又不密实的土层时，可采取灌注黏土、水泥或丙凝水泥浆液进行灌浆充填固结的措施，以增加井壁的稳定性。

2.3 高压喷射灌浆截水处理

对沿管壁接触渗漏问题，也可采用高压喷射灌浆进行截水处理。高压喷射灌浆是一种采用高压水或高压浆液形成高速喷射流束，冲击、切割、破碎地层土体，并以水泥基质浆液充填、掺混其中，形成桩柱或板墙状的凝结体，用以提高低级防渗或承载能力的施工技术。依靠高压喷射浆液可对涵管周围及底板以下土层进行防渗加固处理，防止沿涵管与坝体土接触面的接触渗漏、冲刷破坏涵管周围土体。

高压喷射灌浆分为旋喷、摆喷和定喷3种形式，截水处理一般采用定喷或摆喷，定喷固结体呈壁状，摆喷形成厚度较大的扇状固结体，可承担较大的渗透比降。高压喷射灌浆设计的要点是灌浆孔距的确定。设计应根据坝体土体性质和灌浆试验成果确定灌浆孔距，一般定喷、摆喷孔距为1.2-1.5m，旋喷为0.8-1.2m。

高压喷射灌浆不需要对地层进行开挖，可通过坝体、涵洞等建筑物对数十米以下砂砾层、隐患进行处理，可在水上对水下隐患进行处理，相对成槽法造墙工艺，高压喷射灌浆无须护壁浆液和混凝土制作浇筑系统，其对施工场所的要求不高。高压喷射灌浆的缺点也比较明显，首先要对地层材料较为敏感，最适用的是粉砂土和淤泥质土，黏性土的黏粒含量较高时，灌浆效果较差，容易出现施工质量问题，不能形成连续板墙或形成的泥结石墙体厚薄差异较大。另外高压喷射灌浆技术难度相对较大，地方上一般没有好的施工队伍，且涵管防渗工程量很小，难以找到施工经验丰富的施工单位，施工质量更加难以保证。

3 防止内水外渗设计要点

涵管内部若有混凝土剥落、裂缝等缺陷，可能发生内水外渗，管径较大可以进人的涵管，可采取丙乳或其他聚合物水泥砂浆抹面或嵌缝处理，不能进人的涵管可采用套管法加固原涵管。

套管法是在原涵管内安装1根直径小于原涵管且能满足过流要求的管道。套管安装就位后将两端封堵，原涵管与套管之间的空隙填充水泥砂浆或预埋骨料灌浆，同时在涵管的进口段开挖后重新回填黏土夯实，做好防渗的工程措施，黏土中可掺入15%左右的水泥以提高防渗性能。在涵管出口段应填筑导渗的反滤料将渗水导出。直径较大的套管可采用钢管，如果原涵管布置不是直线或有轻微变形也可采用PE或PP-R等塑料管，以克服钢管不可弯曲的缺点。

涵管内套管需注意新管与老涵管之间的充填灌浆浆液须充满管壁间的空隙，为避免浆液干缩形成裂缝，浆液中应适当添加微膨胀剂。

套管法施工具有技术简单，不需要大量开挖土方，施工期短，度汛风险小，工程投资少等诸多优点。笔者认为坝下涵管处理应优先考虑这一方案。

4 原涵管拆除与新建设计要点

挖除新建涵管方案是较为彻底的处理方案，新建涵管的基础需是基岩，在涵管前半部分基岩条件较好的位置设置截水环截渗，然后回填黏土到原坝体断面。

新建涵管设计的要点是涵管必须埋入基岩，设计应选择合适的坝肩位置，在基岩中挖槽，将涵管埋入开挖明槽中，管底及两侧的空隙用混凝土回填并振捣密实，涵管上部的混凝土保护厚度不小于20cm，坝高较高管径较大时要配钢筋。混凝土面应与原基岩齐平，新建函管在岸坡上时，应根据岩面情况，混凝土面可为斜面。如大坝是黏土心墙坝，还应注意心墙应在涵管处扩大断面，以延长渗径。结构设计特别应注意一定要在涵管出口处设置反滤，这一措施，增加的工程投资微乎其微，但保护坝体渗流安全效果显著。

由于开挖断面场地狭小，没有碾压条件，填筑质量难以保证，坝高较高时，开挖后坝体的回填部分与原坝体之间的不均匀沉降问题不容忽视；此外由于涵管高程较低，导流就是一大难题，度汛风险很大，故此方案适合于坝高不高、工程量较小的情况，笔者认为涵管断面坝高超过10m时应慎用此方案。

4.1 新建涵管的截水环问题

《碾压式土石坝设计规范》（以下简称规范）的条文说明中，对截水环问题的论述为：“坝下埋管过去都要求做截流环，因而给接触面上土的压实带来困难，近年来一般不做截流环了”。笔者认为截水环设置是必要的，由于施工场地狭小，截水环附近回填土都采用人工夯实，压实不存在特殊问题。截水环有效地延长了渗径，对防止接触渗漏效果显著。设计必须要注意的是涵管应埋入基岩，切不可以开挖边坡与涵管之间的空隙采用黏土回填，这段空隙十分狭窄，填土难以夯实，一旦水库蓄水就会产生不均匀沉降，会形成对土坝致命的横向裂缝，从而产生严重的渗漏问题，许多工程除险加固施工完成后不久出现险情就是这个原因。笔者建议此关键部位采用混凝土回填。

需要注意的是，截水环设置不能太大、太多，新疆八一水库的泄洪涵洞因外壁截渗环设置外径过大、过密，坝体产生横向裂缝造成坝体的渗透破坏，教训可谓深刻。

4.2 新建涵管的开挖回填问题

原涵管破损严重时，需要将其挖除，重新埋设新涵管，坝体开挖的设计坡比成为一个难题。《规范》规定，先填筑坝段的横向坝坡土料不宜陡于1：3，条文说明解释土质的边坡的接坡坡度主要是根据不均匀变形要求规定的，1：3是根据一般经验提出的。设计如按此规定确定开挖断面，则坝体将被挖去一半以上，实际工程受各方面条件制约往往难以实现。由于涵管高程较低，度汛风险较大，为节约工期及投资，设计坝体开挖边坡一般都取得比较陡，有的工程甚至取到了1：0.75。涵管开挖后回填施工场地狭窄，仅靠人工夯实填土，壤土质量不解放前保证，如果结合坡比又很陡，坝体可能由于不均匀沉降产生横向裂缝，而横向裂缝是土坝最致命的缺陷。

设计必须重视坝体开挖后的回填要求，对回填土料的质量以及施工质量等都要提出明确的指标要求，回填土料必须采用黏土，建议黏粒含量30%左右，必要时可掺入5%-15%的水泥，要求回填土料压实度按不小于96%控制，渗透系数小于5×10-6cm/s。回填土料夯实施工方法可采用夯板机连环套打。

4.3 工程实例

义乌市如塘水库排水涵管位于西一别坝坝下，涵管由浆砌条石砌筑而成，进口底板高程67.94m，洞身为城门洞型，净宽1.4m，高1.4m。由于原涵管四周未进行防渗处理，渗漏情况较为严重，除险加固设计将原涵管进行拆除重建。涵管位置仍位于原处，原涵管挖除后新建涵管建基面置于弱风化岩层，采用管径1.2m的圆形钢管外包钢筋混凝土的形式，钢管壁厚6mm，主要起防渗和内模板的作用。

设计坝体开挖边坡1：2

，基岩按1：0.5开挖成明槽，涵管外侧不立模板，将钢管安装就位后按设计要求绑扎钢筋，然后浇注厚度不小于30cm的C25混凝土填满沟槽，混凝土顶面与基岩面齐平。在涵管前半部分基岩完整处设置截水环（见图1），高度60cm。

5 原涵管封堵与新建虹吸管设计要点

原涵管废除后需新建放水建筑物，在坝肩开挖新的排水隧洞是最好的解决方案，但往往由于受地形、地质、经济等诸多因素限制，许多工程没有开挖隧洞的条件，采用虹吸管作为排水建筑物是较为合理可行的技术方案。虹吸管具有产品规格化、操作简单、投资省、施工期短、度汛风险小等优点。合并在的主要问题是适用问题，受大气压强、施工工艺、水头损失、材料等因素影响，虹吸管的最大吸出高度为8m，超出此范围则可能发生管道振动、断流等情况，不能保证安全稳定运行。有的工程最大坝高超过了20m，设计仍然采用新建虹吸管方案，为了保证排水，不得不降低管道顶部高程，管道在正常蓄水位以下横穿大坝，这样的设计是不合理的，同样可能存在沿管壁的接触渗漏问题。

义乌市朝阳水库原输水建筑物为坝下涵管，涵管位于大坝左端坝体内，直径为30cm，管外包150号混凝土。由于坝下涵管漏水严重，设计对坝下涵管进行封堵，新建虹吸管作为输水建筑物。朝阳水库最大坝高达到了16.7m，若采用常规设计管道布置在坝顶，则受吸出高度限制，管道不可避免需在正常蓄水位以下穿过坝顶。设计根据朝阳水库的实际情况，将虹吸管布置在溢洪道内，在溢流堰及陡槽的基岩中开挖明槽，将钢管布置好后采用混凝土将明槽浇平，既不影响溢洪道泄流，也不影响大坝安全，水库死水位也可保持不变，是一个较为合理的解决方案。

虹吸管进水口高程应根据水库死水位确定，需保证底部淹没在死水位下至少0.5m，以避免进气。进水口与管顶的高差需要考虑真空度余量，一般控制在8m以内。管道在运行中会有空气进入，需在管道最高点设置液气交换箱。虹吸管关键是要做到整个管道的密封性能良好，阀门无漏气，以保持管道的真空度。

6 结语

小型水库排水建筑物大多采用坝下涵管，大多数涵管存在渗漏或其他问题，严重影响到大坝的正常运行。很多设计方案是简单地将老涵管拆除后原址重建，结果施工完成后不久就又出现了新的问题。

笔者认为，对已建水库的坝下涵管应该区别对待，对确实存在严重问题的要彻底处理，而对一些存在渗漏问题的涵管则应尽可能有针对性地简化处理，以免形成新的工程缺陷。实际工程中由于坝下涵管具有控制泄流、放空水库、施工期内导流等综合利用的功能，且造价低廉，施工方便，在充分重视设计施工的前提下，坝下涵管仍是不错的选择。需要强调的是涵管一定要用混凝土埋入基岩。

《规范》规定，先填筑坝段的横向坝坡土料不宜陡于1：3。由于涵管高程较低，度汛风险较大，为节约工程及投资，设计坝下老涵管开挖边坡一般都取得比较陡，涵管开挖后回填施工场地狭窄，只能靠人工夯实填土，质量不易保证，如果坡比太陡，坝体可能由于不均匀沉降产生横向裂缝，而横向裂缝是土坝最致命的缺陷，设计必须重视这一问题，笔者建议坝体开挖回填坡度应不陡于1：1.5。

笔者不同意《规范》中“坝下埋管过去都要求做截流环，因而给接触面上土的压实带来困难。近年来一般不做截流环了”的说法，水利工程最基本的原理就是上堵下排，为避免损坏涵管及受场地条件限制，涵管附近一般都是人工夯实，设置截水环对土料的压实不会有大的影响，而截水环防止接触渗漏效果显著，不应被废弃不用。

套管法施工具有技术简单，无需开挖回填，对坝体无影响，施工期短，度汛风险小，工程投资小等诸多优点。笔者推荐坝下涵管处理应优先考虑这一方案。根据上堵下排的原则，套管施工完成后还应在涵管的进口段开挖后重新回填黏土夯实防渗，下游出口处做好反滤。

比较高的坝开挖后，回填新老坝体间的连接以及不均匀沉降问题很难解决，最好不要轻易大规模开挖，仍然要用上堵下排的设计思路，可以考虑涵管进口开挖重新回填黏土夯实或坝顶倒挂并开挖增设截水环防渗。另一关键措施是在涵管出口处设置反滤，这一措施，增加的工程投资微乎其微，但保护坝体渗流安全效果显著，设计上一定要重视这一点。

作者简介:朱晓玲，女，高级工程师，主要从事水利水电工程规划设计咨询等工作。