楊水碾水庫除險加固設計技術措施

宋天文，李龍國

(四川大學水電學院，成都610065)

1 工程概況

楊水碾水庫是一座位于眉山市東坡區(qū)廣濟鄉(xiāng)境內的小(1)型水庫，屬岷江水系思蒙河支流，距眉山市城區(qū)33 km。水庫大壩為均質土壩，于1955年11月動工修建，1957年3月竣工蓄水。壩址以上集雨面積11.1 km2，總庫容370.54萬m3，大壩最大壩高26.4 m。校核洪水位522.84 m，設計洪水位522.26 m，正常蓄水位520.65 m，正常庫容295.6萬m3，死水位499.40 m，死庫容8.4萬m3，興利庫容287.2萬m3。溢洪道位于大壩左側350 m處的一天然埡口處，為開敞式正槽實用堰，堰頂高程520.65 m，堰頂凈寬32 m，設計下泄流量164.46 m3。放水設施位于大壩的左岸，分高低涵臥管，目前水庫高臥管已經廢棄不用。低臥管由漿砌條石修建，放水臥管斷面尺寸0.5 m×0.5 m(寬×高)。放水孔孔徑0.3 m，孔中心垂直間距0.4 m，最大放水流量0.62 m3/s，滿足放水要求。

2 樞紐存在的主要問題

根據(jù)《四川省內眉山市東坡區(qū)楊水碾水庫大壩安全評價報告》和楊水碾水庫《安全鑒定報告書》，結合整治設計階段所進行的現(xiàn)場檢查、地勘及實驗情況，楊水碾水庫樞紐工程存在的主要問題為:

上游壩坡正常水位附近有防浪面板保護設施，上游壩坡其他部位無護坡，正常水位以上雜草叢生，防浪面板有部分松動塌陷。下游壩坡無護坡，雨水沖刷嚴重，凹凸不平，局部表層土有蠕變跡象。

通過對大壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定進行計算表明，上下游壩坡均存在抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求的工況。大壩壩基壩肩均置于泥巖基礎上，大壩填筑料主要為含砂卵石黏土，并有少量殘坡積黏土及泥巖風化料，填筑時未嚴格控制質量，上下游壩坡存在一定范圍的沉陷變形。結合計算結果，大壩上下游壩坡存在安全隱患，需進行整治。

溢洪道邊墻高度不能滿足泄流要求，造成洪水溢漫，淹沒下游壩腳處22.7 hm2農田。

楊水碾水庫是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的小(1)型水利樞紐工程。楊水碾水庫一旦失事，大壩下游的2 000 hm2以上農田將被淹沒，3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人民生命財產安全也將受到嚴重損失。因此對水庫樞紐進行整治，是非常必要和迫切的。

3 除險加固措施設計

整治方案設計的總體原則是:1)在保證安全的前提下的盡量做到經濟合理，充分發(fā)揮水庫效益;2)設計方案切實可行，便于施工操作［1］。

3.1 大壩整治設計

3.1.1 上游壩坡整治

針對上游壩坡出現(xiàn)的病險情況，擬采取以下整治措施:

上游壩坡在高程518.55 m處的馬道由原來的0.6 m向壩內延伸至1.5 m。從高程518.55 m處至大壩壩頂523.95 m由原坡度1∶1.74削緩至1∶2.0。壩軸線向下游偏移2.05 m，壩頂寬度由4.5 m拓寬至5.0 m。從高程518.55 m至高程513.09 m仍保持為原有坡度1∶2.33，從高程513.09 m至壩基保持不變，坡度為1∶3.0。從死水位499.40 m至壩頂采用厚0.10 m的C15混凝土預制塊護坡，混凝土預制塊下砂卵石墊層厚0.3 m，在馬道末端設置一1.0 m×1.0 m的條石防滑墩。上游預制混凝土板護坡采用 M10水泥砂漿勾縫，水位499.40 m至正常高水位520.65 m間的混凝土護坡每1.5 m呈梅花型預留排水孔，排水孔后設反濾土工布。

3.1.2 下游壩坡整治設計

下游壩坡坡面凹凸不平，雜草叢生，且存在滑坡趨勢，擬采取以下整治措施:

下游壩坡從壩頂523.95 m至排水棱體頂部502.35 m處清除壩體表層浮土30 cm，在此基礎上對壩坡進行培厚:從壩頂至高程513.95 m處坡度采用1∶2.0，從高程513.95 m至高程506.25 m處坡度采用1∶2.5，從高程506.25 m處至排水棱體頂502.35 m處坡度采用1∶2.75，排水棱體外邊坡坡度為1∶1.5。從排水棱體頂502.35 m至壩頂523.95 m設置框格草皮護坡，框格網采用C15混凝土澆注，尺寸為3.0 m×3.0 m，框格建好后覆土，鋪20 cm厚的耕植土，框格內種植麥冬草。

楊水碾水庫整治后最大橫剖面圖見圖1。

圖1 楊水碾水庫整治后大壩最大橫剖面圖

3.1.3 上、下游壩坡穩(wěn)定校核

3.1.3.1 計算工況

1)上游壩坡:

①工況1:由正常水位520.65 m降至死水位499.40 m;②工況2:由設計洪水位522.26 m驟降至溢洪道堰頂高程520.65m再降至死水位499.40 m;③工況3:由校核洪水位522.84 m驟降至溢洪道堰頂高程520.65m再降至死水位499.40 m;④工況 4:由正常水位520.65 m降至死水位499.40 m，計入地震［2］。

2)下游壩坡:

①工況1:正常水位520.65 m形成的穩(wěn)定滲流期;②工況2:設計洪水位522.26 m形成的滲流期;③工況3:校核洪水位522.84 m形成的滲流期;④工況4:正常水位520.65 m形成的穩(wěn)定滲流期，計入地震［2］。

3.1.3.2 計算方法及計算成果

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》［3］，采用簡化畢肖普法在微機上用QuickBasic語言及簡化畢肖普法計算公式編制的程序［4］進行計算。計算出抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，結果見表1及表2。

表1 上游壩坡抗滑穩(wěn)定計算表

表2 下游壩坡抗滑穩(wěn)定計算表

從表1、表2可以看出整治后大壩上、下游壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)滿足規(guī)范要求［5］。

3.2 溢洪道整治設計

溢洪道存在的主要問題是:溢洪道邊墻高度不夠，下泄洪水溢過邊墻，導致壩腳340畝農田被洪水淹沒。

3.2.1 溢洪道水力計算

3.2.1.1 泄槽水力計算

楊水碾水庫為小(1)型水庫，按照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》［6］的規(guī)定，溢洪道下泄流量按300 a一遇校核洪水進行演算得溢洪道最大下泄流量為164.46 m3/s。

根據(jù)《溢洪道設計規(guī)范》SL253－2000［7］，泄槽段水面線按下列公式進行計算

式中:Δl1－2為分段長度，m;h1、h2為分段始、末斷面水深，m; v1、v2為分段始、末斷面平均流速，m/s;α1、α2為流速分布不均勻系數(shù)，取1.05;θ為泄槽底坡角度，°;i為泄槽底坡，i= tgθ;J為分段內平均摩阻系數(shù);n為泄槽槽身糙率系數(shù);v分段平均流速，v=(v1+v2)/2，m/s;R為分段平均水力半徑，R－=(R1+R2)/2，m。

式中:h、hb為泄槽計算斷面的水深及摻氣后得水深，m;v為不摻氣情況下泄槽計算斷面得流速，m/s;ζ為修正系數(shù)，可取1.0～1.4 s/m，流速大者取大值。

3.2.1.2 水面線及邊墻頂高程設計

邊墻高=水深(含摻氣水深)+安全超高，根據(jù)《碾壓土石壩設計規(guī)范》［8］，安全超高取0.5 m。根據(jù)以上公式，各斷面水深及邊墻高程計算結果見表3。

水流摻氣后的水深計算公式為:

表3 溢洪道邊墻計算成果表

3.2.2 溢洪道整治措施

對溢洪道邊墻進行加高，加高所用材料與原邊墻襯砌材料一致，為漿砌條石，所需邊墻高度見表3。

4 結語

20世紀50年代末至60年代初興建了大量的小型水庫，水庫大壩絕大部分為均質土壩。由于這些工程建設于特定的年代，屬于“邊勘測、邊設計、邊施工”、“群眾運動、土法上馬”的工程，樞紐工程的設計與施工本來就存在一些缺陷，加之水庫興建至今近50 a，工程老化不可避免，主要病險情況集中表現(xiàn)為大壩上下游壩坡滑坡及溢洪道過流能力不足，并且問題日益嚴重，影響到水庫正常運行，且已構成安全隱患。針對此類病險水庫，可以采取以下處理措施:

1)壩體滑坡可根據(jù)具體情況采用坡腳壓重、上部削坡減載、補坡等綜合防護措施。對有滑移跡象的裂縫，除應按前述要求對裂縫進行處理外，還應對滑移邊坡進行處理。

2)針對溢洪道洪水溢漫問題，應在計算的基礎上加高溢洪道邊墻到要求高度，同時應做好泄槽段雜草及淤泥清理工作。

3)應該注意加強水庫的安全運行管理，制定相應的應急預案，發(fā)現(xiàn)問題能夠及時處理。

［1］ 牛運光.病險水庫加固實例(第一版)［M］.北京:中國水利水電出版社，2002.

［2］ DL5073－2001水工建筑物抗震設計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2002.

［3］ SL189－96小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則［S］.北京:中國水利水電出版社，2002.

［4］ 楊進良.土力學［M］.北京:中國水利水電出版社，2006:219－221.

［5］ 陳德亮，王長德.水工建筑物［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［6］ SL252－2000水利水電工程等級劃分及洪水標準［S］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［7］ SL253－2000溢洪道設計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2002.

［8］ SL274－2001碾壓土石壩設計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2002.