水庫工程建設中溢洪道加固設計

趙光禮

【摘 要】近年來，由于各地洪澇災害越來越突出等各種影響因素，我國很多水庫仍然存在一些問題，因此，溢洪道加固設計逐漸成為政府及水利建設單位共同關注的重點。本文結(jié)合我國水庫工程建設中的溢洪道加固設計，根據(jù)工程實例對水庫工程建設存在問題以及溢洪道加固設計進行了闡述。

【關鍵詞】水庫工程；溢洪道；加固設計

水庫大壩作為經(jīng)濟建設的重要保障，近年來，全國各地出現(xiàn)了不同程度的洪澇災害，對當?shù)鼐用窠?jīng)濟建設以及人身安全造成了很大影響。據(jù)調(diào)查顯示，我國水庫分布廣泛，大多是中小型水庫，由于經(jīng)濟投資以及建設力度不夠，質(zhì)量問題作為水庫建設最普遍的問題，隨著災害影響，各地政府越來越重視水庫大壩防洪力度。為了從根本上解決結(jié)構(gòu)老化、經(jīng)濟約束、施工質(zhì)量、管理體系對水庫效益造成的影響，必須加強水庫工程建設溢洪道加固設計。

1.水庫工程概況以及存在問題

尖山水庫位于建水縣面甸鎮(zhèn)尖山村，法武水庫下游2km處，屬珠江流域南盤江水系瀘江右岸一級支流法武河。尖山水庫總庫容328萬m3，控制灌溉面積2.5萬畝，設計灌溉面積0.8萬畝。尖山水庫是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有供水、防洪等綜合性功能的小（1）型水庫。尖山水庫于1976年1月開工興建，1981年8月竣工，歷時5年零8個月。尖山水庫建成至今未進行過維修和改造，由于無完整的設計資料，施工技術落后以及施工機械缺乏，工程投入運行以來，一直帶病運行，水庫一旦失事，將對下游的國家基礎設施和人民的生命財產(chǎn)造成極大的損失，嚴重影響當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展和社會進步，因此，盡快完成水庫的除險加固，確保水庫正常運行。

（1）壩體碾壓質(zhì)量較差，壩體土壓縮性高，透水性強，滲透性指標已達不到均質(zhì)土壩防滲要求，壩體、壩基、壩肩存在滲漏；輸水涵洞為壩下涵洞，輸水涵管的基礎地基層強度不均，涵管存在不均勻沉降，存在沿管壁滲漏的情況，閘室嵌于壩體內(nèi)，閘室內(nèi)部邊墻變形滲漏，出口邊墻變形。溢洪道邊墻出現(xiàn)漫水現(xiàn)象，溢洪道入河處未做防護工程，挑流鼻坎腳沖刷嚴重，對其進行綜合評價，工程質(zhì)量為不合格。

（2）尖山水庫無大壩沉降、位移、滲流量等觀測設施，水庫運行基本上沒有制定完整的調(diào)度計劃及防洪預案，大壩在運行中沒有得到完好的養(yǎng)護維修，處于帶病運行狀態(tài)，運行管理評價為差。

（3）大壩現(xiàn)狀防洪能力未達到30年一遇（P=3.33%）設計洪水標準和300年一遇（P=0.33%）校核洪水標淮，大壩防洪安全性屬C級。

（4）大壩下游坡的正常運行情況下最小安全系數(shù)為0.992，小于規(guī)范要求，下游坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，安全等級為C級。溢洪道邊墻高度不滿足泄洪要求，挑流鼻坎抗滑安全系數(shù)及抗傾安全系數(shù)均小于規(guī)范值，安全性屬C級。輸水涵洞總體結(jié)構(gòu)安全性屬C級。

（5）壩體、兩壩肩未作防滲處理，壩基防滲不徹底，大壩滲流穩(wěn)定安全性屬C級。輸水涵洞順管壁四周存在滲漏，閘室滲漏變形，其滲流安全性為C級。根據(jù)洪洪道的實際情況，溢洪道底板、邊墻與挑流鼻坎之間存在1～8cm寬的裂縫，對溢洪道進行綜合評價，其滲流安全性為B級。

（6）大壩抗震安全系數(shù)最小值K=0.789達不到規(guī)范[K]=1.10要求，大壩抗震安全性屬C級。溢洪道挑流鼻坎抗震安全系數(shù)0.930小于規(guī)范值1.0。評價其抗震安全性為C級。輸水涵洞屬壩下埋管，綜合評價后認為輸水涵洞抗震安全性為C級。

（7）金屬結(jié)構(gòu)為輸水涵洞凡爾閘，屬于壩后放水，閘室嵌于壩體內(nèi)，閘閥漏水，閘閥杠桿轉(zhuǎn)盤啟閉不靈，金屬設備磨損、銹蝕、老化，應急能力差，其安全級別為C級。

針對尖山水庫大壩存在的病險，提出了以下加固處理措施和建議：

1）對大壩進行加高，下游壩坡進行培厚，維修擴建溢洪道。

2）對壩體、壩基和壩肩進行防滲處理。

3）新建輸水隧洞，封堵老輸水涵洞。

4）恢復壩面工程，對上壩公路進行改線，新建管理所。

5）建立完善水庫管理制度。

2.水庫溢洪道加固設計及存在問題

2.1存在問題

溢洪道位于大壩左壩肩，為河岸開敞式溢洪道，溢流堰為寬頂堰。溢洪道平面布置成直線，全長154.8m，進口底板高程1539.072m。寬頂堰凈寬均為16m，最大過流量141m3/s。溢洪道由進口八字段，控制段，泄槽Ⅰ段，消力池，泄槽Ⅱ段，挑流消能段等組成。經(jīng)現(xiàn)場檢查以及水力結(jié)構(gòu)計算復核，溢洪道存在的主要病害為：溢洪道泄洪能力低，且進口八字底板未襯砌，消力池淤積嚴重，邊墻高度不能滿足泄洪要求，上壩公路橋位置不合理，挑流鼻坎開裂，鼻坎腳沖刷嚴重。

2.2除險加固設計

針對溢洪道存在問題，在原溢洪道位置上維修擴建溢洪道，保持溢洪道堰頂高程1539.072不變。

溢洪道布置于大壩左壩肩，與壩軸線交點里程為0-047.340，與壩軸線成55°46′16″夾角，平面布置成直線，為河岸開敞式溢洪道。溢流堰為寬頂堰，凈寬17.5m，采用C20鋼筋混凝土襯砌。由進口八字，控制段，泄槽Ⅰ段，消力池，泄槽Ⅱ段，挑流消能段等組成。全長158.37m，設計洪水位1541.20m，相應下泄流量86.1m3/s，校核洪水位1542.18m，相應下泄流量148.0 m3/s。

2.2.1進口八字段

進口八字段拆除重建，位于里程0+000～0+005.0，長5.0m，進口底板高程為1538.572m，底坡為i=0。平面布置呈八字形，進口首端底寬20.0m，末端底寬17.5m，邊墻為M7.5漿砌毛條石重力式擋墻，底板采用M5.0漿砌塊石襯砌，C20砼護底，邊墻高2.5～3.88m。

2.2.2控制段

控制段拆除重建，位于里程0+005.0～0+010.0m，長5.0m，溢流堰采用寬頂堰，為單孔凈寬17.5m，堰頂高程為1539.072m，底板采用C20鋼筋混凝土襯砌，邊墻為M7.5漿砌毛條石重力式擋墻，墻頂高程與壩頂高程齊平為1542.45m。

2.2.3收散段

擴散段拆除重建，位于里程0+010～0+040.0m，長30.0m，斷面為矩形，底寬由17.5m變?yōu)?m，邊墻高為3.38～2.6m，設計底坡為i=0.185，底板采用C20鋼筋混凝土襯砌，邊墻為M7.5漿砌毛條石重力式擋墻。

2.2.4泄槽Ⅰ段

泄槽Ⅰ段對邊墻進行加高，位于里程0+040.0～0+094.93m，長54.93m，斷面為矩形，底寬為8m，邊墻采用M7.5漿砌毛條石加高至2.2～5.9m，設計底坡為i=0.185，底板為C20鋼筋混凝土襯砌，邊墻為M7.5漿砌毛條石重力式擋墻。在里程0+050.0～0+055.0之間拆除原砌石邊墻，新建C20鋼筋砼橋墩，新建公路橋，寬5m，凈跨8m。

2.2.5消力池段

消力池段對邊墻進行加高，位于里程0+94.93～0+106.93m，長12m，斷面為矩形，采用底流消能，池寬8m，池深2.2m，邊墻為M7.5漿砌毛條石重力式擋墻，邊墻采用M7.5漿砌毛條石加高至5.9m，底板為原M5.0漿砌塊石襯砌，C20鋼筋砼護底。

2.2.6泄槽Ⅱ段

泄槽Ⅱ段對邊墻進行加高，位于里程0+106.93～0+133.77m，長26.84m，斷面為矩形，底寬為8m，在0+106.93～0+110.67邊墻采用M7.5漿砌毛條石加高至3.7～3.5m，在0+110.67～0+133.77m邊墻采用C20鋼筋砼懸臂式擋墻加高至2.8～3.5m，設計底坡為i=0.134，底板為原C20鋼筋混凝土襯砌，邊墻下部為原M7.5漿砌毛條石，邊墻上部采用C20鋼筋砼懸臂式擋墻加高，總體為復合式擋墻。

2.2.7挑流消能段

挑流消能段拆除重建，位于0+133.77～0+158.37，長24.6m，斷面為矩形，寬8.0m，邊墻高1.98～2.8m，邊墻及底板均為C20鋼筋砼結(jié)構(gòu)，底板下墊M5.0漿砌塊石厚0.3m，0+139.77～0+145.77設挑流鼻坎，鼻坎長6m，半徑為12m，挑射角為20°，鼻坎腳采用C20鋼筋面板砼襯砌護底，末端交入原河道。

2.2.8上壩公路設計

對上壩公路進行改線，溢洪道原上壩公路橋拆除，在里程0+050.0～0+055.0之間新建上壩公路橋，需新修開挖上壩公路45m。

3.水力計算

3.1泄流能力計算

溢洪道為河岸開敞式溢洪道，溢流堰為寬頂堰，堰頂高程為1539.072m，寬頂堰為單孔，凈寬17.5m。溢洪道泄流能力的復核采用寬頂堰自由溢流計算公式進行計算，計算公式如下：

Q=σσmnbH

式中： σs—淹沒系數(shù)，自由堰流，σs=1.0；

σc—側(cè)收縮系數(shù)，σc=1；

m—流量系數(shù)；

b—每孔凈寬，為b=17.5；

n—孔數(shù)，n=1；

g—重力加速度，g=9.81m/s2。

3.2水面曲線計算

水面曲線計算起點水深為臨界水深，經(jīng)計算臨界水深泄槽一段hk=2.0m，泄槽二段hk=3.37m，采用《水利水電工程PC—1500程序集》計算得泄槽水面曲線，泄槽段水流摻氣水深按下式計算：

h=

1+h

h、hb—泄槽計算斷面的水深及摻氣水深，（m）

v—不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速，（m/s）

ζ—修正系數(shù)，取值為1.4s/m

4.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算

溢洪道溢槽由Qedl土層和T3s細粒長石石英砂巖、泥巖及粘土巖組成。溢洪道控制段、泄槽段、消力池段邊墻抗滑、抗傾穩(wěn)定安全復核及泄槽Ⅰ、Ⅱ段、鼻坎段的底板抗滑安全復核。其計算參數(shù)見下表：

溢洪道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算基本參數(shù)表

4.1溢洪道的邊墻抗滑、抗傾計算

根據(jù)抗滑穩(wěn)定公式K=和抗傾覆計算公式K=進行，其結(jié)果見下表：

溢洪道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復核計算表

4.2底板抗滑復核

泄槽Ⅰ、Ⅱ段底板抗滑安全系數(shù)按下式計算

K=

式中：

Kc—底板抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

N— 底板上自重及水重法向分力；

f— 底板與地基間的摩擦系數(shù)；（f取0.45）

T— 底板上自重及水重切向分力；

τ—水流拖動力（τ=γJRA）

經(jīng)計算：泄槽Ⅰ段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：Kc=1.58>1.2，泄槽Ⅱ段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：Kc=1.94>1.2，泄槽段能滿足抗滑穩(wěn)定要求。

4.3挑流鼻坎抗滑復核：

K=

K—按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f′—鼻坎混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；（f′取0.4）

c′—鼻坎混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力；（c′取0.08）

∑W—作用于鼻坎的全部荷載對計算滑動面的法向分量；

∑P—作用于鼻坎的全部荷載對計算滑動面的切向分量；

A—鼻坎與基巖接觸面的截面積。

經(jīng)計算：校核洪水工況抗滑安全系數(shù)K=8.38>[2.5]，設計洪水工況抗滑安全系數(shù)K=12.18>[3.0]。

5.結(jié)束語

水庫工程溢洪道加固設計，不僅能有效增強水庫工程效益，對保障農(nóng)田灌溉，降低洪澇災害，維護下游生態(tài)環(huán)境、居民人身安全、財產(chǎn)安全也有重要作用。因此，在實際工作中，必須根據(jù)溢洪道工程存在問題以及設計方案、措施，不斷整合國內(nèi)外水庫工程建設經(jīng)驗，保障水庫工程建設效益和社會效益。

【參考文獻】

[1]陳永強.水庫工程中溢洪道加固設計[J].水利技術監(jiān)督，2011，19（3）：58-60.

[2]豐巨武.山西陽坡水庫除險加固工程溢洪道方案設計[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2008，18（25）：207-208.

[3]潘保存.小型水庫水文計算與溢洪道控制段加固方案關系探討[J].水科學與工程技術，2010，（6）：9-11.

[4]溢洪道設計規(guī)范.SL253-2000.