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山区小型水库除险加固工程投资风险分析 摘要 随着经济的快速发展，各地投入资金对部分水库进行了加固处理。由于小型 水库数量多，建设基础差，安全问题尚未完全解决。水库一旦失事，不仅工程毁 坏，而且将对下游地区的经济建设和人民生命财产造成重大损失。根据莒县1 9 9 9 年小型水库调查统计，全县1 9 5 座小水库中，有1 6 3 座是病险水库，病险水库成 为历年防汛工作的心腹之患。目前，防洪工程的经济评价是工程建设必要环节， 但是，传统的经济评价是考虑资金时间价值的静态分析，而市场是变化的，许多 因素往往是随机的，因此，建立收支平衡的方程，计算除险加固工程投资的风险 分析，对于客观评价工程建设利弊是极其重要的。本文以小庄子水库除险加固工 程为例，完成了以下研究内容： 对小型水库存在的病险问题进行了综合分析，提出了一整套小型水库除 险加固实用技术。 广泛收集与整理了莒县小型水库病险状况资料、莒县典型小型水库养殖 产量、单价以及加固前与加固后各频率下的洪灾损失资料。 以除险加固工程的设计使用期作为时间单位，求出水库产生的主要效 益，采用随机模拟技术产生洪峰系列，求出防洪效益的概率分布，并获取除险加 固工程其他支出费用的分布模式。 采用等效分布法推求小水库除险加固工程经济决策指标的风险率。 对影响工程投资风险的平衡方程中的主要变量进行了灵敏度分析。 通过对加固工程进行投资风险分析，可精确判断工程加固方案的合理程度和 效益指标的高低，为进一步对除险加固工程方案进行优化提供了明确的思路和途 径。 关键词：小型水库：除险加固；投资；风险分析 i n v e s t m e n tr i s ka n a l y s i so ft r e a t m e n t a n dr e i n f o r c e m e n tf o r s m a l lr e s e r v o i ri nm o u n t a i n o u sa r e a a b s 仃a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nc h i n a , l a r g ea m o u n t so ff u n d sh a sb e e n p u ti n t o 廿l et r e a t m e n ta n dr e i n f o r c e m e n tf o rp a r t i a lr e s e r v o i r s b e c a u s eo fl a r g e q u a n t i t yo fs m a l lr e s e r v o i r sa n di n f e r i o rq u a l i t y , t h e i rs a f e t yp r o b l e m sh a v en o tb e e n s o l v e dt h o r o u g h l y o n c et h ef a i l u r ee v e n t so c c u r , n o to n l yt h eh y d r a u l i cs t r u c t u r e sw i l l b ed a m a g e d b u ta l s ol o r so fl i v e sw i l lb el o s t t h ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o ni nt h e d o w n s t r e a ma r e aw i l lb es e v e r e l yi n f l u e n c e d a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c a ld a t ao fs m a l l r e s e r v o i r si nj uc o u n t yi n19 9 9 ，t h e r ea r e16 3d e f e c tr e s e r v o i r sa m o n gt o t a l19 5 r e s e r v o i r s n l e s ed e f e c tr e s e r v o i r sb e c o m et h es e r i o u sh i d d e nd a n g e rf o ra n n u a l f l o o d p r e v e n t i o ne n g i n e e r i n g a tp r e s e n t ，e c o n o m i ce v a l u a t i o n o ff l o o d c o n t r o l e n g i n e e r i n gi st h ep r e r e q u i s i t ef o re n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n h o w e v e r , t r a d i t i o n a l e c o n o m i ce v a l u a t i o ni ss t a t i cp r o c e d u r e t h em a r k e ti sc h a n g e a b l e m a n yf a c t o r sa r e s t o c h a s t i c t h e r e f o r e ，i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l et os e tu pe c o n o m i cb a l a n c ee q u a t i o n a n dc a l c u l a t e 也ei n v e s t m e n tr i s ka n a l y s i so ft r e a t m e n ta n dr e i n f o r c e m e n tf o rs m a l l r e s e r v o i r s t a k i n gx i a o z h u a n g z ir e s e r v o i ra sa ne x a m p l e ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s a r ea sf o l l o w s ， t h r o u g hc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fd e f e c tx i a o z h u a n g z ir e s e r v o i r , as e to f p r a c t i c a lt e c h n o l o g yf o rt r e a t m e n ta n dr e i n f o r c e m e n tf o rs m a l lr e s e r v o i r sh a sb e e n p r o p o s e d t og a t h e ra n ds o r to u th y d r o l o g i ca n dm e t e o r o l o g i c a ld a t ao fx i a o z h u a n g z i r e s e r v o i ri nj uc o u n t y , h i s t o r i c a lr e c o r d so fs t r u c t u r a lm a t e r i a lp r i c e sa n df l o o dl o s s d a t au n d e rd i f f e r e n tf r e q u e n c yf l o o db e f o r ea n da f t e rt r e a t m e n ta n dr e i n f o r c e m e n t r e g a r d i n gt h el i f e t i m eo ft r e a t m e n ta n dr e i n f o r c e m e n te n 西n e e r i n g a sat i m e u n i t , t h em a i nb e n e f i to ff l o o d - c o n t r o lp r o j e c tw i ub eo b t a i n e d w i t ht h es t o c h a s t i c s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h ed i s t r i b u t i o no ff l o o d c o n t r o lb e n e f i tw i l lb ef i r e d m e a n t i m et h ed i s t r i b u t i o nm o d e l so fo t h e re x p e n s e sa r ea l s oe s t a b l i s h e df o rr i s k a n a l y s i s t h er i s ka n a l y s i so ft r e a t m e n ta n dr e i n f o r c e m e n te n g i n e e r i n gi n v e s ti s c a l c u l a t e d 、析t l la ne q u i v a l e n td i s t r i b u t i o nm e t h o d s e n s i t i v i t ya n a l y s e so fm a i nv a r i a b l e si nb a l a n c ee q u a t i o na r ec a r r i e do u tf o r r i s ka n a l y s i s t h r o u g ht h ei n v e s t m e n tr i s ka n a l y s i s i tc a nb er e a s o n a b l et om a k eo u tt h e r e i n f o r m c e m e n tp r o j e c ta n de s t i m a t et h eb e n e f i ti n d e xo ft h ec o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g m u c hm o r ec l e a rp r o c e d u r e sa n de f f e c t i v em e t h o d sf o rd e c i s i o nm a k i n gc a nb e o b t a i n e db yo p t i m i z a t i o no fp r o p o s e x it r e a t m e n ta n dr e i n f o r c e m e n tp r o j e c t s k e yw o r d s ：s m a l lr e s e r v o i r ；t r e a t m e n ta n dr e i n f o r c e m e n t ；i n v e s t m e n t ；r i s k a n a l y s i s 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；垫遗直基他盏要挂别虚明鲍：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：j 童囱处字日期：加e 8 年忽月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名： 5 蹈位 导师签字： 签字日期：跏。多年，月，7 日 签字日期：加乎年2 月i7 日 工作单位：日嚷印苕县水劾1 自 通讯地址：葛兽成 日中陡玉专 电话：侈男么；乡j z 牟压 邮编：冲缸。口 山区小型水库除险加固工程投资风险分析 1前言 1 1 课题背景及研究意义 建国以来，我国水库建设取得了很大的发展。到2 0 0 6 年底，全国共建成各 类水库8 5 1 6 0 余座，其中，库容在1 0 - 1 0 0 万m 3 的小型水库8 1 8 3 1 座，占水库 总数的9 6 【l j 。这些小型水库星罗棋布，遍及全国山区丘陵，在防洪、灌溉、发 电、乡镇供水、养鱼、改善生态环境等方面发挥了巨大作用，是我国防洪工程的 重要组成部分，也是保障国民经济可持续发展的重要基础设施，对促进我国农村 经济发展和人民生活水平的提高起到了重要作用。 由于历史原因，大多数小型水库是在缺乏水文、地质等基础资料情况下修建 的，不少小型水库标准低、质量差、隐患多，加之长期以来技术力量不足，管理 水平低，致使不少水库存在安全问题【2 1 。据2 0 0 0 年底统计，全国已建各类水库 8 5 万座，其中防洪标准、工程质量都存在问题的i i i 类坝( 病险坝) 有3 0 4 万 座，约占水库总数的3 6 ，其中小型水库2 9 l 万座，约占病险水库总数的 9 5 9 【3 4 】。近年来，全国不少地区小型水库频频发生垮坝事故，给国家和人民生 命财产造成严重损失，小型水库的安全状况不容乐观。据1 9 5 4 - - , 2 0 0 3 年统计资料， 全国各类水库垮坝失事3 4 8 4 座，其中9 6 为小型水库，平均每年近7 0 座【3 】o 上 述统计数据充分说明了关注小型水库安全的重要性和必要性。 2 0 世纪9 0 年代中期以来，随着经济的发展，国家加大了对小型水库除险加 固投资力度，水库的安全状况有了一定改善。但因病险水库数量多，加固基础条 件差，安全问题尚未完全解决，小型水库的病险率仍在3 0 以上【3 j 。水库一旦失 事，不仅工程毁坏，失去效益，而且将对下游地区的经济建设和人民生命财产造 成重大损失，给社会稳定或国民经济发展带来重大负面影响。据莒县2 0 0 7 年小 型水库排查统计，全县1 9 5 座小水库中，有1 6 3 座是病险水库【3 l 。病险水库给下 游城镇、人民生命财产以及主要交通干线等基础设施造成严重威胁，成为历年防 汛工作的心腹之患。而小型水库除险加固工程投资巨大，影响面广，受自然和社 会的不确定性因素影响众多，因此，加强对小型水库除险加固投资进行风险分析 研究，为小型水库的除险加固提供科学决策依据，具有重要的理论意义和实际意 山区小型水库除险加固工程投资风险分析 义。 在小型水库除险加固投资收益中，工程总投资、工程运行费、防洪效益及水 产养殖效益等均为随机变量。由于小型水库除险加固工程投资效益的变化，对加 固方案的经济和财务效益都会产生不同程度的影响和改变，甚至由于某一因素的 改变导致原加固方案不合理。因此，必须对已选出方案进行不确定性分析，研究 各影响因素的变化对决策的影响程度，避免决策失误。如在计算防洪效益时，常 采用多年平均洪灾损失法，考虑每年防洪工程的支出费用，建立效益函数，这种 方法不能求出防洪经济评价结果的风险大小【6 】。本文以防洪工程的经济使用期作 为一个时间单位，求出在此计算期内防洪产生的总效益，采用蒙特卡洛法随机产 生洪峰系列的模拟方法，求出效益的概率分布，再求出防洪工程的支出性投资的 分布模式，进而应用重点抽样法可以求出防洪工程经济决策指标的风险率大小。 为了使所得结果更有利于生产实践的应用，将经济评价指标的极限状态方程中变 量的相关性大小对风险率的影响进行了比较，最后对有关参数做出灵敏度分析。 通过对加固工程进行投资风险分析，可更为精确的判断工程加固方案的合理程度 和效益指标的高低，进一步为除险加固工程方案的优化提供更为明确的思路和途 径。 实施小型水库除险加固工程，加固方案的合理性对工程投资和经济效益至关 重要【7 1 ，合理的投资风险分析为小型水库除险加固工程的可行性提供了技术支 持，对发挥工程的除险加固效益产生积极作用，对病险水库工程建设进程具有巨 大的推进作用【引。 1 2 相关研究的发展现状 我国是一个洪涝灾害频繁发生的国家，许多地区都要修建防洪工程，以保护 当地人民生命财产安全f 9 】。小型水库除险加固是搞好山区防洪体系建设的重要措 施，是保障地区经济发展、居民安居乐业、社会长治久安的根本途径。水库的防 洪效益体现在工程抵御了一定标准的致灾洪水，减免该地区遭受的洪涝损失，从 防洪工程效益产生的机制可以看出，防洪工程抵御不同频率的致灾洪水，产生不 同的防洪减灾效益【i o l 。从风险分析的角度来看，防洪工程设计标准低，建设费用 较低，但防洪风险较大；防洪工程设计标准高，建设费用较高，防洪风险较小， 2 山区小型水库除险加固工程投资风险分析 但经济风险较大。一个地区防洪工程能发挥多大作用? 产生的效益如何? 可以根 据现有防洪水库的效益历史洪水灾害调查，对比有无防洪工程时的灾害损失情 况，对工程使用期内的减灾值求和得到。规划设计阶段和工程竣工时的工程效益 分析计算是一个涉及工程使用期内洪水随机组合的不确定性问题。防洪工程的经 济评价是工程建设必须的环节，但评价多采用资金时间价值的静态分析【i i , 1 2 】。由 于市场是在变化的，有许多因素往往是随机的，因此，建立收支平衡方程，计算 防洪工程的效益风险分析，对于客观评价防洪工程是极其重要的【1 3 】。目前，此方 面的研究还处于探索阶段，本论文对山区防洪工程中的小型水库除险加固进行了 投资风险分析与影响因素的灵敏度分析。 1 3 本文的主要工作 国内目前对小型水库除险加固技术及投资风险分析没有进行系统的研究，本 文以小庄子水库除险加固工程为例，进行了投资的风险分析，论文完成了以下研 究内容： ( 1 ) 对小型水库存在的病险问题进行了综合分析，提出了一整套小型水库 除险加固实用技术； ( 2 ) 广泛收集莒县小型水库病险状况资料、莒县典型小型水库养殖产量、 单价及各频率下的洪灾损失，特别是小型水库病险状况资料的整理分析； ( 3 ) 以防洪工程的经济使用期作为一个时间单位，求出在此计算期内防洪 产生的总效益，采用蒙特卡洛法随机产生洪峰系列的模拟方法，求出效益的概率 分布，再求出防洪工程的支出性投资的分布模式； ( 4 ) 采用等效分布法推求小水库除险加固工程经济决策指标的风险率； ( 5 ) 为了使所得结果更有利于生产实践的应用，将经济评价指标的极限状 态方程中变量的相关性大小对风险率的影响进行了比较，最后对有关参数做出灵 敏度分析； ( 6 ) 通过对加固工程进行投资风险分析，可精确判断工程加固方案的合理 程度和效益指标的高低，为进一步对除险加固工程方案进行优化提供了明确的思 路和途径。 3 山区小型水库除险加固工程投资风险分析 2 小型水库除险加固技术 2 1 坝坡处理技术 1 、坝坡存在问题及分析 莒县1 6 1 座病险水库中，坝体单薄及坝顶缺高的有1 3 0 座，占总数的8 0 7 5 ； 坡比太陡的有4 0 座，占总数的2 4 8 5 ；无防浪墙与排水体的有1 5 5 座，占总数 的9 6 2 7 ；无护坡及护坡不完全的有l1 8 座，占总数的7 3 2 9 ；坝体滑坡的有 8 座，占总数的4 9 7 。 ( 1 ) 坝体单薄是小型水库普遍存在的问题。如龙山镇靴山子水库因坝高不 够，造成1 9 9 8 年“7 2 4 ”洪水漫坝；桑园乡桥头河水库因坝顶高度不够而造成三 次人为破坝；安庄镇张博士沟小( 二) 型水库，内外坡比均为l ：o 7 5 ，多年均 以较低水位运行，未能发挥工程应有效益【h j 。 ( 2 ) 上游坝坡损坏严重。上游坝坡因受风浪、冰盖的影响易遭破坏，特别 是病险水库多低水位运行，在水流长期淘刷作用下而坍塌，使坝坡下部抗滑体积 不断减小，抗滑力不足而产生滑坡。如夏庄镇薛家湖水库未对坝坡进行防护处理， 因受风浪冲刷，部分坝段出现了大面积滑坡，对大坝安全构成威胁。 ( 3 ) 下游无排水体。由于坝坡冻胀降低浸润线，下游坝脚受尾水淘刷，影 响坝体稳定性。 2 、坝坡处理措施 ( 1 ) 根据规范规定【15 1 ，坝高大于1 0 1 3 m 时，可分级采用不同的坡度，对 于粘性土占坝体大部分的土坝，一般坝坡为上陡下缓；对于非粘性土占坝体大部 分的土坝，可采用一个坡度。在工程实践中，对大坝进行上土，一般要求坝背水 坡加土，迎水坡削坡，至迎水坡坡比1 ：2 5 ，背水坡坡比l ：2 0 ，坝顶宽度达到 3 o r e 以上，以坝代路的按交通要求进行坝顶加宽。施工时，应严格控制上坝土 料含水量，提高碾压质量，减少施工接缝。坝体加固断面如图2 1 所示。 4 山区小型水库除险加固工程投资风险分析 图2 - 1 粘土心墙砂壳坝横断面图 ( 2 ) 上游坝坡多采用砌石护坡：下游坝坡通常采用草皮护坡。根据工程实 际情况和就地取材的原则，针对坝面冻胀、冰推而造成护坡毁坏问题，对上游坝 坡采取适当加厚反滤层的砌石护坡形式。先根据坡长在坡面上做成大约l o m 见 方的田字型浆砌石格梁，厚5 0 c m ，然后在格内做垫层厚2 5 c m ( 其中粗砂1 0 c m 、 碎石1 5 c m ) ，干砌石厚2 5 c m ( 要求护坡所用的石料质地坚硬、耐风化，块径一般 为3 0 c m 以上) 。护砌范围：原则上从坝顶起护至水库最低水位以下，能满足坝体 土壤抗冲和冻结深度要求的高程即可，取最低水位以下0 5 1 o m 。在实际工作中， 除很高的坝外，均要求石护到坝底。护坡底部要适当加厚，嵌入坝体内。护坡剖 面如图2 2 所示。 图2 - 2 护坡剖面图 ( 3 ) 按照规范规定”1 ，l o m 以上土坝需做排水体。根据工程实际情况，结 合山丘区石料丰富的特点，在大坝背坡坡脚设置堆石棱体排水，棱体顶面超出下 游最高水位的高度不小于0 5 m ，并保证浸润线距坝坡面的距离大于该地区的冻 结深度，项宽不小于1 o m 。棱体内坡为l ：1 0 1 ：1 5 ，外坡为l ：1 5 1 ：2 0 。 在排水体与坝体和土质地基之间设置反滤层，如图2 3 所示。 山区小型水库除险加固工程投资风险分析 坝坡 2 2 大坝渗漏处理技术 图2 - 3 反滤层剖面图 1 、渗漏类型及成因 土石坝蓄水后，在水头长期作用下对坝体坝端及坝基往往会产生不利影响， 多造成渗漏，若集中渗漏水量增大，坝体渗漏范围扩大，则易出现险情，甚至会 酿成溃坝。据调查，莒县1 6 3 座病险水库中，有2 3 座小水库存在不同程度地大 坝渗漏问题【1 6 1 ，主要表现为坝体渗漏、坝基渗漏和绕坝渗漏三种类型。 ( 1 ) 坝体渗漏产生的主要原因：铺土过厚、碾压不实或分期分块填筑的 结合面少压漏压而造成筑坝质量差，特别是分层填筑斜墙、心墙时，层面结合不 密实而引起坝体渗漏；粘土心墙单薄或土料透水性大，引起散浸；反滤层质 量差，未按反滤标准处理，引起管涌塌坑，使斜墙、心墙遭受破坏：蚂蚁、老 鼠等动物在坝身打洞造成坝体集中渗漏，或坝体土料中含有树根、杂草腐烂后在 坝身内形成空隙，而造成坝体集中渗漏；坝体不均匀沉陷引起的横向裂缝、心 墙的水平裂缝等，也是造成坝体集中渗漏的原因。如长岭镇的卞王水库因建库时 粘土夯实不够，造成心墙渗水。 ( 2 ) 坝基渗漏产生的主要原因：清基不彻底。施工中没有将杂草、树根 等杂物清除干净，腐烂后致使坝体与基础在结合面上产生渗漏；缺少必要的防 渗措施。主要表现为有的坝基为透水的砂、卵石层，截水槽深度不够，有的地基 未做截水槽或截水槽的填筑质量不好，有的铺盖长度、厚度不够等。如桑园乡的 6 山区小型水库除险加固工程投资风险分析 石家沟水库，建库时清至坚硬粘土后便开始筑坝，结果运行中漏水，经过物探得 知，坚硬粘土下边还有一层1 5 m 厚的砂砾层；东莞镇的黄崖水库，因建库时未 将基础清至不风化岩石，造成坝基渗漏，成为废库。 ( 3 ) 绕坝渗漏产生的主要原因：两岸地质条件较差，如有透水层或风化 岩层透水性过大，岩层破碎严重、节理发育、岩溶等不利地质条件；生物洞穴 等未妥善处理，成为漏水通道；大坝两端接头防渗处理不当，如岸坡截水槽不 但没接入不透水层，反而挖掉了透水性较小的天然覆盖层，暴露出内部强透水层， 加剧了绕坝渗漏；施工质量差，如岸坡开挖过陡、截水槽回填质量差等，特 别是土石坝防渗体与岸坡结合不好，在结合面上容易产生的绕坝接触集中渗漏， 对大坝安全威胁更大。如桑园乡的前尚庄水库，因建库时只对河槽进行了彻底清 基，而没有将岸坡截水槽接入不透水层，造成建库后大坝两端漏水严重。 2 、渗漏处理措施 土石坝的各种渗漏，无论发生在什么部位，都应视其产生的不同原因进行处 理，总的原则是“上堵下排”。近年来，莒县在对土石坝的坝体、坝基和绕坝等各 种渗漏的处理中，采用了一些行之有效、花钱少而群众易于掌握的处理办法【1 7 1 。 如粘土斜墙法、土工膜与粘土结合防渗斜墙法、坝体防渗灌浆法、粘土截水槽法 和帏幕灌浆法。 ( 1 ) 坝体防渗处理措施 粘土斜墙法：适用于坝高较低、坝坡稳定、坝体渗漏比较严重的小型水库。 具体施工方法是： 施工时从坝基开始填筑斜墙，对斜墙基础和两岸及原坝进行彻底清理，清除 坝前基础和两端岸坡淤泥、松软土层，以及坝体表层含水量过大的部分软土或草 皮。斜墙土料最好是用粘土，如需用两种相近的土料时，粘性大的可置于斜墙的 下部，粘性小的置于斜墙的上部。土料的最优含水率：沙壤土为9 0 0 - 1 5 ，壤土 为1 2 一1 5 ，粘土为1 9 一2 3 。野外粗略检验含水量方法是，将一撮粘土用手 能捏成团，向地面摔掷能击成松散土块，即认为接近最优含水率。人工夯压松土 厚度不宜超过2 0 c m ，机械碾压不超过3 0 c m ，每层铺土要均匀，压好一层后，将 压好的表面刨毛后再铺上一层，使层间接合良好。随着分层填土的同时，将原坝 坡面分层耙松约1 0 1 5 c m ，使新筑斜墙与原坝填土衔接。斜墙项部高出水库最高 7 山区小型水库除险加固工程投资风险分析 洪水位，顶部厚度不小于2 m ，斜墙底部厚度不小于作用水头的1 5 。 u o 别 图2 - 4 粘土截水槽与斜墙坝连接图 土工膜与粘土结合防渗斜墙法：适用于能腾空水库的坝体防渗处理，特别 适用于不宜采用灌浆处理的粘土斜墙堆石坝、粘土斜墙石渣坝和施工质量差引起 渗漏破坏的坝体，但坝体上游必须是稳定的。具体施工方法是： 先按设计要求对大坝内坡进行削坡，清除一切杂草、石子和杂物，再开挖坝 踵截流槽、锯齿台和两坝肩固埋沟。将原坝坡平整后，用3 0 c m 厚粘土作为垫层， 粘土垫层开挖成锯齿形，齿高0 2 m ，齿距1 8 m 。根据大坝水头压力，选用合适 的土工膜。土工膜采用焊接法搭接，自下而上横铺，不要拉的过紧，铺设速度要 与保护层回填速度同步，尽量减少土工膜的裸露时间。 图2 - 5 土工膜与粘土防渗斜墙图 坝体防渗灌浆法：坝体防渗灌浆方式有充填灌浆和劈裂灌浆两种。充填灌 浆是利用较小的灌浆压力或浆液自重，将粘土浆液灌入坝体隐患处，以堵塞洞穴 或裂缝。该法适用于处理性质和范围都已确定的局部隐患；劈裂灌浆是沿坝轴线 布置灌浆孔，利用一定的灌浆压力将坝体沿轴线方向劈裂，同时灌注合适粘土泥 浆充填堵塞漏洞、裂缝，浆液析水后与坝体结合紧密，形成连续的防渗墙。该法 适用于处理范围较大，隐患部位不能完全确定的坝体。具体施工方法是： 8 山区小型水库除险加固工程投资风险分析 a 、布孔。充填灌浆孔布置在隐患处或附近，按隐患的性质或范围决定布孔。 坝高低于2 0 m 采用单排孔，孔距约3 m ：坝高2 0 m 以上，则双排布孔，孔距3 m 左右，排距0 5 1 o m ；劈裂灌浆沿坝轴线单排布孔，若坝高大于2 5 m ，坝体碾压 不好时，可采用双排布孔。在河槽段，孔深小于1 5 m 时，孔距为5 m 左右，孔深 大于1 5 m 时，孔距可大一些。在岸坡段、弯曲坝段布孔，应适当缩小孔距。 b 、灌浆。坝体灌浆采用“分序”和“少灌多复”法，即一次灌浆量要少，重复 灌浆的次数要多。劈裂式灌浆采用“孔底注浆，全孔灌注”的方法，先灌河槽段， 后灌岸坡段和弯曲段；充填式灌浆采用“自下而上，分段灌注”的方法，“自下而 上”即先灌注孔的底部，后灌注孔的上部；“分段灌注”即先上游排孔，后下游排 孔，再中间排孔。在灌浆中应先对第一序孔轮灌，待第一序孔终灌后再进行第二 序孔，第二序孔结束后再进行第三序孔。每孔灌浆次数5 1 0 次，两次灌浆间隔 时间不少于5 天。充填式灌浆，注浆管上端孔口压力控制在o 0 5 0 3 m p a ，劈裂 式灌浆允许最大孔i z i 灌浆压力，在o 0 5 0 3 m p a 范围内。 c 、灌浆中应注意的问题：每孔每次平均灌浆量以孔深计，孔深控制在 0 5 1 o m 3 ；为保证坝坡稳定和灌浆质量，对灌浆时坝面裂缝开裂宽度加以限制。 充填式灌浆尽量避免坝面出现裂缝，一旦发现裂缝，应立即暂停灌浆，处理后再 灌；劈裂灌浆尽量推迟和限制坝顶出现裂缝，裂缝应在停灌后能基本复原。 d 、灌浆结束标准及封孔。劈裂式灌浆封孔时，当每孔灌完后，可将注浆管 拔出，注满容重大于1 5 9 e m 3 的稠浆，如果浆面下降，可继续灌注稠浆，直至浆 面升至坝顶不再下降为止；充填灌浆封孔时，当每孔灌完后，待孔周围泥浆不再 流动时，将孔内浆液取出，扫孔到底。用直径2 3 c m 含水量适中的粘土球分层回 填夯实，均质土坝可向孔内灌注稠浆或用含水量适中的土料捣实。 ( 2 ) 坝基和绕坝渗漏的处理措施 粘土截水槽法：适用于坝体与坝基未开挖截水槽，或坝基不透水层埋深较 浅而坝体质量较好的坝基渗漏，便于和坝体内防渗体结合。在施工条件允许的情 况下，若水库能放空，并在坝趾附近有足够的粘土，开挖回填工程能在枯水期完 成的，可优先采用粘土截水槽法。具体施工方法：截水槽底部宽度采用设计水头 压力的0 1 0 2 倍，截水槽须伸入不透水层0 5 1 o m 。开挖截水槽应尽量采用梯 形断面，若开挖边坡渗水不大，在保证开挖边坡稳定的前提下，降低开挖坡比， 9 山区小型水库除险加固工程投资风险分析 尽量减少工程量。开挖时，可根据坝长分段施工，作好基坑排水和渗水处理。若 渗水量大，则可先挖沟或用集水井抽水排渗，后在沟、井内填卵石并灌浆封堵。 填筑截水槽要注意选用合格的土料，分层回填，夯压密实，要严格控制结合面的 填土质量，使槽底部与不透水层结合良好。 帷幕灌浆法：适用于坝基或绕坝渗漏较为严重，集中渗漏逸出点多，范围 宽的坝基或绕坝渗漏处理。特别是宽心墙坝或均质坝，当存在坝体、坝基和绕坝 渗漏时，更宜优先选用帷幕灌浆方案。由于小型水库一般多缺少坝基地质钻探资 料，因此，对灌浆帷幕的具体技术参数，大都结合现场灌浆试验来决定。孔深应 根据坝基钻孔压水试验资料，并结合工程的渗漏等具体情况而决定。基岩帷幕灌 浆材料多采用水泥粘土浆，水泥用量占水泥粘土总量的2 5 3 0 。由于粘土的 加入，改善了灌浆材料可灌性，对于水泥灌浆无效的细微裂隙( 小于o 1 0 2 m m ) 也能有效灌注。水泥粘土浆不仅灌浆止漏效果好，而且降低了工程造价，特别是 用于砂砾石地基灌浆更为理想。粘土虽然固结性和耐久性差，抗渗透水压力低， 但它与水泥混合使用则可取长补短。帷幕厚度可根据下式计算： j m a x = f l h t 2 m 时，j a = 2 5 。 灌浆孔距根据地基的情况和可灌性的大小选定，一般为2 5 - 4 m 。分序施工时， 开始孔距可大些，然后根据进浆效果逐步加密灌浆孔。排数、孔距和孔深可根据 坝基钻孔压水试验资料，并结合工程渗漏地基条件等具体情况决定。 2 3 放水洞改造技术 莒县1 6 1 座病险水库中，其中放水洞损坏、漏水及报废的有1 3 6 座，占总数 的8 4 4 7 。 l 、放水洞存在的问题及分析 ( 1 ) 放水洞断裂的原因：放水洞基础性质不同。部分管段铺设在岩基上， 而另一部分铺设在土基上，基础未经加固处理或处理不当，造成沉陷不均而引起 i o 山区小型水库除险加固工程投资风险分析 洞身断裂。还有的放水洞铺设在未经处理的软弱基础上，即便是比较均匀的软土 地基，往往由于放水洞上部坝体填筑高度不同，荷载相差很大，而产生不均匀沉 陷，使洞身产生裂缝，甚至断裂，贯穿洞壁，酿成漏水；放水洞尺寸及选用材 料不当。洞身衬砌单薄，特别是项板厚度尺寸偏小，强度不足造成断裂。有的混 凝土管因使用劣质水泥，骨料级配不良，造成混凝土均匀性、密实性差，长期运 行后，混凝土管的承载能力大大降低，出现裂缝断裂，导致渗漏；放水洞管理 运用不当。溢洪道洪水标准偏低，在汛期多用放水洞排洪加大泄量，往往使洞内 充满水，将无压设计的放水洞变为有压运行，而使放水洞断裂：放水洞施工不 当。主要表现为洞身较长未设沉陷、伸缩缝，因温度变化而造成放水洞裂缝。 ( 2 ) 放水洞漏水的原因：施工时，壁外填土质量差，夯压不实，使得洞 外壁填土和洞壁结合不严密，蓄水后，水流易于沿洞外壁产生接触渗漏，逐步形 成漏水通道；未设置截水环或设置截水环太少，使洞壁外与土体间容易产生接 触渗漏；纵向漏水也可穿过洞壁接头或其他漏水点进入洞内，造成横向漏水。 2 、放水洞改造处理 查明放水洞断裂或漏水原因后，在不破坏原有放水洞的基础上，在洞内套加 钢管、p v c 管的方法进行放水洞结构补强，将无压放水洞改为有压放水洞，以 充分利用水库水头压差发展管灌、喷灌和滴灌等先进的节水灌溉形式。改造时， 先将粘附在洞壁上的杂物清除干净，再进行套管。套管结束后，须在新老管壁间 充填骨料，再进行压力灌浆，将原放水洞壁与坝体之间的纵向漏水通道充填密实。 在坝后设置放水闸阀和检修闸阀，以方便日常管理。 图2 - 6 放水洞改造处理图 2 4 溢洪道处理技术 用啊童 厂一 l 、溢洪道存在的问题及分析 根据1 9 9 8 年莒县小型水库普查资料分析1 8 1 ，溢洪道泄洪能力不足是莒县小 山区小型水库除险加固工程投资风险分析 型水库普遍存在的不安全因素。莒县1 6 1 座病险水库中，其中溢洪道存在问题的 有1 3 8 座，占总数的8 5 7 1 。主要存在以下问题： ( 1 ) 由于历史原因，水库设计资料不完整，有的随便挖一个溢洪缺口；有 的水库集雨面积、降雨量、库容等资料不清楚，计算的入库流量和泄流量不准确， 导致溢洪道断面尺寸偏小。 ( 2 ) 远离坝体的哑口溢洪道，施工开挖时未进行测量，造成溢洪道底高程 比坝顶高程还高，洪水漫项时溢洪道内仍不能泄洪。 ( 3 ) 土石坝沉陷，导致坝顶局部同溢洪道堰顶高程接近，造成洪水漫坝； 有的水库为了多蓄水，在溢洪道进口处加筑子堰，人为抬高了溢流堰高程。 ( 4 ) 溢洪道陡坡段水流湍急，衬砌底板发生变形、毁坏。 ( 5 ) 溢洪道两岸边坡太陡，产生滑坡崩塌。 ( 6 ) 溢洪道消力池设在风化基岩或土基上，因冲刷淘蚀不断扩大，造成尾 水渠改道。 2 、溢洪道处理措施 通过以上分析，针对小水库溢洪道发生的不同险情，采取相应的措施。 ( 1 ) 若溢洪道附近的山坡比较平缓，扩宽进口控制段开挖量不大，可采用 拓宽溢洪道的办法；若溢洪道无拓宽条件，可通过加深溢洪道和修建防浪墙结合 进行改造。 ( 2 ) 两岸坡边坡太陡，造成溢洪道岸坡滑塌的，有两种处理措施：放缓 上部坡度，对上部进行开挖削坡减载；侧墙按挡土墙适当加高加厚。 ( 3 ) 管理条件较好的水库，可在溢洪道上修建安全可靠、起闭灵活的滚动 平板闸门，以提高兴利水位。 ( 4 ) 溢洪道衬砌底板破坏严重的，须重新用浆砌石衬护加固，并在浆砌石 面层浇注l o c m 厚的素混凝土。 ( 5 ) 对有交通要求，以坝带路的溢洪道，可在闸后修建钢筋混凝土平板桥， 增强闸的稳定性，方便群众的生产生活。 ( 6 ) 消力池冲刷严重，造成尾水渠改道的，对消力池风化基础及破碎带进 行清除，直至坚硬岩石。对土基铺设浆砌块石或混凝土，以增加其抗冲性能。 1 2 山区小型水库除险加固工程投资风险分析 3 小庄子水库除险加固实例 3 1 工程概况 3 1 1 自然概况 l 、流域概况 小庄子水库位于日照市莒县县城东南部，龙山镇驻地小庄子村( 现张家村) 南l o o m 处，属沭河水系鹤河上游，控制流域面积l o k m 2 ，干流长度3 5 k m ，干流 平均比降0 0 4 1 m m ，坝址处最低高程2 1 1 5 m i l 9 】。流域为低山地貌，地势东高西 低，坡度较陡，水库上游2 5 k m 以上沟道两条。水库总库容2 7 5 万m 3 ，兴利库容 1 8 5 万m 3 ，死库容1 5 万n 1 3 。 2 、水文气象 该流域地处中纬度，属暖温带季风区大陆性气候，四季分明，夏季炎热多雨， 冬季寒冷干燥。平均风速2 7 m s ，多年平均气温1 2 1 ，多年平均日照时数2 5 5 2 小时，总辐射量1 2 3 4 千卡e r a 2 ，多年平均蒸发量1 1 3 0 m m ，无霜期1 8 7 天，最大 冻土深3 7 c m 。多年平均降雨量8 1 0 m m ，降雨不均，一是年际变化较大，实测最 大年降雨量是最小年降雨量的2 5 倍；二是年内变化大，降雨多集中在6 9 月份， 占全年总降雨量的7 9 ，具有明显的“春旱、夏涝、秋又旱”的气候特征。 3 1 2 工程现状及存在的主要问题 1 、工程现状 依据水利水电工程等级划分及洪水标准( s l 2 0 0 0 ) 及防洪标准 ( g b 5 0 2 0 1 9 4 ) 规定，小庄子水库设计洪水标准为3 0 年一遇，校核洪水标准5 0 0 年一遇。水库枢纽工程等别为等，主要建筑物级别为4 级，次要建筑物5 级。水 库于1 9 6 6 年1 0 月兴建，1 9 6 8 年3 月建成，总库容2 7 5 万一，校核洪水位2 3 4 1 5 m ； 兴利库容18 5 万m 3 ，兴利水位2 31 o m ；死库容l5 万m 3 ，死水位215 5 m 。水库枢纽 工程主要由大坝、溢洪道、放水洞三部分组成。大坝为粘土心墙砂壳坝，坝长 3 0 0 m ，坝顶宽2 5 - - 4 o m ，最大坝高2 4 o m ，坝项高程2 3 5 1 5 m ，粘土心墙顶高程 2 3 3 5 m 。溢洪道为坝肩式，位于大坝右端，进口为开敝式宽顶堰，堰顶高程2 3 1 o m ， 堰宽5 1 m ，最大泄量4 5 0 m 3 s 。放水洞位于大坝0 + 1 0 8 桩号处，为矩形断面的无压 寸 匝啊恬旧世长m础、f，i-n匝 嚣求餐医取辎稚h凰最理篮世妥剥凶r11 中国海洋大学硕士学位论文 浆砌块石涵洞，尺寸为1 o x o 7 m ，洞身长9 0 m ，进口底高程2 1 5 5 m ，采用石磙绞 钢丝绳斜拉式闸门，最大引水流量1 9 m 3 s ，启闭机房位于坝肩迎水侧。小庄子水 库主要特性指标见表3 1 ，其平面布置如图3 1 所示。 表3 1 小庄子水库主要特性指标表 类别高程类别单位：万m 3 特 死水位 2 1 5 5 m 库 死库容 1 5 征 兴利水位2 3 1 o m 容 兴利库容 1 8 5 水 设计水位 2 3 3 0 5 m 总库容 2 7 5 位 校核水位2 3 4 1 5 m型式无压浆砌石涵洞 坝型 粘土心墙砂壳坝进口底高程 2 1 5 5 m 坝项高程2 3 3 5 m 放 放水洞断面尺寸 1 o x o 7 m 粘土心墙顶高程 2 3 3 o m水 闸门型式斜拉式闸门 大 坝顶宽度2 5 - - 一4 o m 洞 最大引水流量1 9 m 3 s 坝项长度 3 0 0 r n 出口底高程 最大坝高2 4 m溢 进口底高程 2 3 1 o m 坝 上游坡比 1 ：1 8 6 - l ：1 9 2 洪 进口底净宽 5 1 m 下游坡比 l ：1 5 4 l ：1 8 2 道 最大泄量 4 5 0 m 3 s 2 、工程存在的主要问题 根据现场安全检查与调查分析，小庄子水库工程建设时为“三边”工程，设计 标准与施工质量较差。水库运行以来，坝体曾多次出现不均匀沉降、滑坡、冲沟、 渗漏等问题，特别是放水洞洞身漏水严重，虽经应急处理，但隐患仍存。 ( 1 ) 大坝工程 大坝填筑质量差，碾压质量达不到规范要求。水库在建设时受资金及条件 的限制，采用人工筑土建成，施工质量较差。坝体土料为夹杂砾石和较大砂砾的 壤土，加之冬季施工，造成坝体压土密实度低。 粘土心墙清基不彻底，导致坝脚有渗水现象。 大坝迎水坡坡比1 ：1 8 6 1 ：1 9 2 ，缺土严重。砌石护坡质量差，大部分已破 坏，坝壳裸露，桩号0 + 2 1 0 处塌陷，水位变动区坝坡陶刷严重。 大坝坝顶宽2 5 m - - 4 o m ，且不平整，防浪墙老化失修，砂浆剥落，损坏严 重，基础未与心墙衔接。 中国海洋大学硕士学位论文 背水坡坡比较陡，仅有1 ：1 5 - 1 ：1 8 2 ，缺土严重，多处出现由于冲刷形成 的局部塌陷和凹坑，坡面杂草丛生，无排水设施。 溢洪道进口大坝岸无护砌裹头，泄洪时严重危及坝体安全。 ( 2 ) 溢洪道工程 溢洪道系开挖自然山体而成，开挖不彻底，两岸冲刷、坍塌严重，底部表 层呈全风化状态，抗冲刷能力差。 两岸坡断面不规整，水流条件差，出口距坝脚仅有1 5 m ，尾水回冲坝脚， 危及大坝安全。 溢洪道末端无消能防冲设施，行洪时对下游河道冲刷严重。 ( 3 ) 放水洞工程 放水洞与坝体接触部位结合不好，有漏水现象。 出口无消能防冲设施，渠首建筑物冲刷严重。 启闭机房年久失修，墙体开裂，已成危房。 闸门等金属设备属于严重超期服役产品，锈蚀严重，启闭困难，给运行管 理带来极大