小望海水庫提高防洪標(biāo)準(zhǔn)的方案比選與工程設(shè)計(jì)

孫繼會(huì)

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

小望海水庫提高防洪標(biāo)準(zhǔn)的方案比選與工程設(shè)計(jì)

孫繼會(huì)

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

遼寧省營口市鲅魚圈區(qū)的小望海水庫由于年久失修，長期處于帶病運(yùn)行狀態(tài)，亟需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。文章結(jié)合小望海水庫的現(xiàn)狀，提出三個(gè)提高防洪標(biāo)準(zhǔn)的可行方案，然后經(jīng)泄流、調(diào)洪演算和壩高等試算和比選，確定了提高防洪標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)方案，并對相應(yīng)的溢洪道工程設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡要闡述。

小望海水庫；除險(xiǎn)加固；方案比選

1 水庫概況

小望海水庫位于營口市鲅魚圈區(qū)小望海村境內(nèi)的沙河上，控制流域面積約15.34 km2，是一座集防洪、灌溉和供水功能為一體的小Ⅱ型河道水庫。水庫下游分布有宋家屯、龍王廟和芹菜洼等三個(gè)行政村，人口8300余人，耕地近340 hm2，地理位置十分重要。小望海水庫于20世紀(jì)70年代建成投運(yùn)，現(xiàn)狀正常蓄水位27.94 m，相應(yīng)庫容為17.3萬m3。

小望海水庫的主要水工建筑物為大壩、溢洪道和輸水隧洞。其中，水庫的大壩為均質(zhì)土壩，為近似東西走向布置，壩頂高程29.3 m，壩長257.4 m，最大壩高17.5 m，壩底寬28.4 m。水庫的溢洪道位于大壩的左壩肩，進(jìn)口為埋設(shè)的DN800混凝土管道，進(jìn)口高程27.94 m，溢洪道主體部分全長69 m，為土質(zhì)明渠，底寬6.5 m。輸水洞位于大壩右岸，進(jìn)口高程為20.70 m，洞身為壩下埋管，進(jìn)口處設(shè)有控制閘門，最大泄流量為0.5 m3/s。

2 水庫現(xiàn)存的問題與加固的必要性

水庫大壩為均質(zhì)土壩，現(xiàn)狀大壩的壩頂坑洼不平，迎水坡面的漿砌石和卵石護(hù)坡殘缺破損嚴(yán)重，背水面缺少排水設(shè)施，局部有較大的沖溝。由于水庫修建時(shí)沒有對壩基進(jìn)行徹底清基，壩基部分區(qū)域存在2.3～5.6 m厚的卵石層，為中等透水性，成為大壩壩基滲漏的主要通道。水庫的溢洪道在村級公路修建過程中被填埋，僅在道路下面布設(shè)了一條混凝土管，嚴(yán)重影響了溢洪道泄流能力。溢洪道的泄槽為土質(zhì)明渠，坡度較大且出口沒有消能結(jié)構(gòu)。水庫的輸水洞控制閘門已經(jīng)損壞，且洞身滲漏嚴(yán)重。水庫的防洪能力未能達(dá)到《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)規(guī)定要求[1]。

小望海水庫下游村莊密集，人口眾多。水庫建成以來，在灌溉和防洪方面曾經(jīng)發(fā)揮了重要作用。經(jīng)過多年運(yùn)行，該水庫的病險(xiǎn)情況日趨嚴(yán)重，不僅影響到水庫效益的發(fā)揮，還給下游帶來了一定的防洪安全隱患。對水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固，提高防洪標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)刻不容緩。

3 提高防洪標(biāo)準(zhǔn)的方案比選

3.1 設(shè)計(jì)方案比選

根據(jù)小望海水庫的安全鑒定結(jié)果，其現(xiàn)狀防洪能力未能達(dá)到20 a一遇的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)。提高小型水庫的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要有以下兩種工程措施：一是通過加高大壩增加水庫庫容，進(jìn)而提高水庫的整體調(diào)蓄能力；二是對現(xiàn)有的溢洪道進(jìn)行改造，提升水庫的下泄能力[2]。結(jié)合水庫大壩和溢洪道現(xiàn)狀，本次設(shè)計(jì)溢洪道進(jìn)口混凝土管拆除并拓寬、下挖，提出如下三個(gè)預(yù)選方案。

3.1.1 方案一

僅對溢洪道進(jìn)口部分進(jìn)行深挖，深挖后的溢洪道進(jìn)口高程26.2 m，底寬設(shè)計(jì)為6.0 m，邊坡坡度為1∶0.1。為了不影響交通，在溢洪道進(jìn)口處新建一座跨度為8 m的交通橋，對溢洪道泄槽進(jìn)行襯砌處理，提高溢洪道的過流能力。該方案預(yù)計(jì)投資36.2萬元。

依據(jù)寬頂堰公式進(jìn)行泄流計(jì)算，計(jì)算公式如下。

(1)

式中：Q為流量，m3/s；m為寬頂堰流量系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；B為總凈寬，m；H為堰上總水頭，m；g為重力加速度，m/s2。

計(jì)算獲得的水位與泄流量之間的關(guān)系如表1所示，調(diào)洪演算成果如表2所示，由計(jì)算結(jié)果可知，在遭遇200 a一遇洪水的情況下，壩前最高水位為28.81 m，低于壩頂?shù)淖畹透叱?9.3 m，壩頂高程符合防洪要求。該方案的優(yōu)勢是開挖占地面積不大，溢洪道口的橋梁工程規(guī)模較小，整體投資費(fèi)用較??；缺點(diǎn)是溢洪道下挖會(huì)降低水庫的興利庫容，施工期間會(huì)對溢洪道進(jìn)口交通造成較大影響。

表1 方案一 水位泄量關(guān)系計(jì)算結(jié)果

表2 方案一 調(diào)洪演算成果

3.1.2 方案二

對溢洪道進(jìn)口適當(dāng)下挖，下挖后的進(jìn)口高程設(shè)計(jì)為27.2 m，將底寬拓寬至16 m，溢洪道邊坡坡度設(shè)定為1∶0.1。在溢洪道進(jìn)口處新建一座總長18 m的3跨交通橋，對溢洪道泄槽進(jìn)行襯砌處理，提高溢洪道的過流能力。該方案預(yù)計(jì)需要投資62.4萬元。計(jì)算獲得的水位與泄流量之間的關(guān)系如表3所示，調(diào)洪演算成果如表4所示，由計(jì)算結(jié)果可知，在遭遇200 a一遇洪水的情況下，壩前最高水位為28.76 m，低于壩頂?shù)淖畹透叱?9.3 m，壩頂高程符合防洪要求。該方案的優(yōu)勢是具有較大的興利庫容，施工對溢洪道口交通的影響較??；缺點(diǎn)是溢洪道進(jìn)口較寬，需要較大的開挖占地面積，新建橋梁工程較大，總體投資較大。

表3 方案二 水位泄量關(guān)系計(jì)算結(jié)果

表4 方案二 調(diào)洪演算成果

3.1.3 方案三

對溢洪道進(jìn)口適當(dāng)下挖，下挖后的進(jìn)口高程設(shè)計(jì)為27.2 m，將底寬拓寬至10 m。為彌補(bǔ)溢洪道泄流能力不足，在壩頂新建防浪墻，溢洪道邊坡坡度設(shè)定為1∶0.1。在溢洪道進(jìn)口處新建一座總長12 m的2跨交通橋，對溢洪道泄槽進(jìn)行襯砌處理，提高溢洪道的過流能力。計(jì)算獲得的水位與泄流量之間的關(guān)系如表5所示，調(diào)洪演算成果如表6所示。由計(jì)算結(jié)果可知，在遭遇200 a一遇洪水的情況下，壩前最高水位為29.19 m，低于壩頂?shù)淖畹透叱?9.3 m，經(jīng)過壩頂超高計(jì)算，壩頂高程應(yīng)為29.72 m，所以防浪墻高程設(shè)計(jì)為29.8 m即可滿足要求，該方案預(yù)計(jì)需要投資46.4萬元。該方案的優(yōu)勢是具有較大的興利庫容，開挖占地面積相對較小，施工對溢洪道口交通的影響較??；缺點(diǎn)是需要在壩頂新建防浪墻，總體投資較大。

表5 方案三 水位泄量關(guān)系計(jì)算結(jié)果

表6 方案三 調(diào)洪演算成果

對以上三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析，結(jié)合經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，為了盡量增加興利庫容，同時(shí)盡量減少投資，本次研究推薦方案三作為除險(xiǎn)加固施工中提升水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)的方案。

3.2 溢洪道工程設(shè)計(jì)

3.2.1 進(jìn)口段設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案三，溢洪道進(jìn)口段底部高程為27.20 m。交通橋上游兩岸采用C20混凝土構(gòu)筑八字斜降擋土墻結(jié)構(gòu)。擋土墻的迎水面坡度設(shè)計(jì)為1∶0.5，背水坡面的坡度設(shè)計(jì)為1∶0.3。擋土墻的頂寬0.5 m，基礎(chǔ)埋深0.8 m。進(jìn)口段底部采用厚度為20 cm的C20混凝土護(hù)砌。

3.2.2 泄槽段設(shè)計(jì)

在主體段施工中為減少土方開挖，在部分溢洪道泄槽段的兩側(cè)采用C20混凝土仰斜式擋土墻結(jié)構(gòu)，迎水面坡度為1∶0.5，墻背坡度為1∶0.2，擋土墻的頂寬設(shè)計(jì)為0.3 m，基礎(chǔ)埋深 0.6 m；其余部分采用C20混凝土重力式擋土墻，其中迎水面為直墻，背水面坡度為1∶0.3，擋土墻的頂寬設(shè)計(jì)為0.3 m，基礎(chǔ)埋深0.6 m，底部采用厚度為20 cm的C20混凝土護(hù)砌。

3.2.3 出口段設(shè)計(jì)

消能方式設(shè)計(jì)為底流消能，采用綜合式消力池進(jìn)行消能。依據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253-2000)中的相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)消力池長取8 m，池深1.2 m，池底板厚度為0.5 m[3]。

4 結(jié) 語

由于小望海水庫缺乏原始建設(shè)資料和水文資料，文章結(jié)合水庫現(xiàn)狀以及鲅魚圈區(qū)沿海地區(qū)的地質(zhì)水文特點(diǎn)，經(jīng)過計(jì)算與分析，對提高水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)的備選方案進(jìn)行比對，并給出了兼具防洪效益、興利效益和經(jīng)濟(jì)效益的施工方案。對小型水庫的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

[1] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.防洪標(biāo)準(zhǔn)：GB 50201-2014[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[2] 樊灝.五曲灣水庫除險(xiǎn)加固工程防洪設(shè)施改造的分析和計(jì)算[J].山西水利科技,2010(3):71-73，78.

[3] 中華人民共和國水利部.水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)：SL 252-2000 [S].北京：中國水利水電出版社，2001.

孫繼會(huì)(1980-)，男，遼寧朝陽人，工程師，主要從事水利工程施工管理工作。E-mail:sjh123@163.com。

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