芻議高虎腦水庫除險加固工程溢洪道設(shè)計

吳小平

(永豐縣白水門水庫管理所,江西 吉安 331500)

1 工程概況

高虎腦水庫位于永豐縣石馬鄉(xiāng)龍源村，距永豐縣城約70 km，水庫集雨面積24 km2，正常蓄水位222.50 m(黃海高程，下同)，總庫容1630×104m3，設(shè)計灌溉面積0.17萬hm2，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水庫。

高虎腦水庫于1968年動工興建，1973年基本建成，后經(jīng)多次加高加固方達現(xiàn)有規(guī)模。主要建筑物有大壩、正常溢洪道、非常溢洪道、壩下涵管及電站等。

水庫現(xiàn)有兩個溢洪道，分別設(shè)置在大壩左、右岸。左岸溢洪道為正常泄洪設(shè)施，始建于1978年，為開敞式，由進口段、控制段、泄槽組成，全長130.4 m。進口段為明渠，進口底高程222.2 m，底寬18.6 m(末端漸變?yōu)?6.20 m)，長約53 m，縱坡0.012；控制段為漿砌塊石駝峰堰(水泥砂漿抹面)，堰頂高程222.5 m，溢流凈寬16.2 m，堰長8.32 m；泄槽分兩級，一級泄槽長16.38 m，寬16.2～12.0 m，縱坡0.116，二級泄槽長42.67 m，寬12 m，縱坡0.42，底板采用150#混凝土襯砌，厚0.3 m；泄槽末端為挑流鼻坎，挑射角20°，末端底高程201 m。溢洪道兩側(cè)為漿砌石邊墻，其中進口至一級泄槽墻頂高程為228 m，墻高7～10 m，二級泄槽邊墻高度1.74～2.77 m。泄槽上方架設(shè)漿砌石拱橋，橋長18 m，寬4.5 m。

右岸溢洪道原為開敞式明渠，凈寬11.7 m，1987年冬封堵為自潰式土壩，作為非常溢洪道，現(xiàn)頂高程225.33 m，頂寬4.65 m，低于校核洪水位，為防洪缺口。

目前，左岸溢洪道進口段邊墻局部破損、坍塌，墻頂部與壩頂連接處見有一水平方向裂縫，墻體向溢洪道內(nèi)傾斜，墻面存在較多裂縫；控制段漿砌塊石駝峰堰水泥砂漿抹面老化、破損，裂縫眾多，堰體局部存在空洞，邊墻見有一條豎直方向裂縫，最大縫寬約1 cm；泄槽及挑流鼻坎混凝土底板總體情況較好，局部存在老化、蜂窩麻面和龜裂現(xiàn)象。

高虎腦水庫地理位置重要，下游有石馬、藤田和陶塘3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中的43個村莊、人口3.1萬人、農(nóng)田2000 hm2，有永豐～中村公路等重要交通設(shè)施。高虎腦水庫工程經(jīng)40多年的運行，水庫各建筑物均出現(xiàn)不同程度的病險及隱患，水庫一旦失事，將給下游人民生命財產(chǎn)和國家重要設(shè)施造成重大損失。

2 正常溢洪道加固設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)狀溢洪道存在的問題，設(shè)計擬對其進行原址原規(guī)模新建。加固設(shè)計項目有：堰前進口段清淤達設(shè)計高程后，新澆混凝土底板；控制段拆除重建；泄槽底板拆除新澆C25混凝土、邊墻拆除重建；拆除重建C25挑流鼻坎；新建下游進電站交通橋。加固后溢洪道由進口段、控制段、泄槽段、挑流消能設(shè)施等部分組成。

2.1 進口段加固設(shè)計

現(xiàn)狀進水口底板未襯護，底板出露地層為第四系殘坡積層、強風(fēng)化基巖；泄洪時進水段流速為2～3 m/s，大于其允許流速0.9～1.2 m/s；進口段邊墻破損、存有裂縫，墻體向溢洪道內(nèi)傾斜。

本次設(shè)計進水口設(shè)C20混凝土底板，厚30 cm，每隔8.8 m設(shè)一橫向伸縮縫，襯砌后底高程為221.5 m，總長53 m；右側(cè)擋墻拆除重建，采用C15混凝土衡重式擋墻，頂寬0.8 m，左側(cè)新建C15混凝土貼坡式邊墻，墻厚0.3 m，墻頂高程228 m；進口段與堰首段連接分縫處設(shè)橡皮止水。

2.2 控制段加固設(shè)計

現(xiàn)狀駝峰堰水泥砂漿抹面破損、裂縫眾多，且內(nèi)部存在架空等質(zhì)量缺陷。本次加固將其拆除重建，堰體形式維持現(xiàn)狀不變，堰體材料采用C25混凝土，表層設(shè)φ12@200的鋼筋網(wǎng)。左右兩側(cè)擋墻拆除重建，采用C15混凝土衡重式擋墻，墻頂寬0.8 m，墻頂高程228 m。

2.3 泄槽加固設(shè)計

溢洪道混凝土底板下部原設(shè)計布置了2條縱向排水溝，現(xiàn)狀只有1條縱向排水溝，且運行多年，局部堵塞，排水不暢；在宣泄校核洪水時，二級泄槽段的邊墻高度不滿足要求；二級泄槽和鼻坎反弧段呈高速水流狀態(tài)，其抗沖刷耐磨性不能滿足要求；混凝土底板表面存在沖刷剝蝕、龜裂現(xiàn)象。

根據(jù)現(xiàn)狀地形及溢洪道泄槽存在的主要問題，本次加固方案為：將原泄槽底板拆除，重新澆筑厚30 cm C25混凝土泄槽底板，襯砌表面沿縱橫向配置設(shè)φ8@200的溫度筋；考慮到二級泄槽縱坡較陡、流速大，在二級泄槽段加設(shè)φ25錨筋，錨筋間距1.5 m，梅花形布置，伸入基巖1.5 m，頂部與新澆筑的底板表層鋼筋網(wǎng)焊接；底板與擋墻連接處設(shè)置縱向伸縮縫，一級、二級泄槽底板各設(shè)2條、4條橫向伸縮縫，縱、橫伸縮縫內(nèi)均設(shè)置橡皮止水；底板下設(shè)置2條縱向排水溝，每條橫向伸縮縫下均設(shè)一條橫向排水溝，排水溝尺寸0.3 m×0.3 m，溝內(nèi)回填砂礫石料。

左、右擋墻拆除重建。根據(jù)現(xiàn)場地形條件確定：一級泄槽前段采用C15混凝土衡重式擋墻，頂寬0.8 m，后段采用C15混凝土重力式擋墻，墻頂寬0.6 m，墻高3.5 m；二級泄槽兩側(cè)均采用C15混凝土重力式擋墻，墻頂寬0.6 m；墻頂高程按本次復(fù)核計算高程確定，分縫長度與混凝土底板的分縫一致。

泄槽底板寬度、縱坡仍與原設(shè)計保持一致。

2.4 拋物線連接段設(shè)計

按規(guī)范要求，當(dāng)泄槽段底坡由緩變陡時，可采用拋物線連接，拋物線按式(1)、式(2)計算：

y=xtanθ+(x2)/K(4H0cos2θ)

(1)

H0=h+αv2/(2g)

(2)

式中：x、y為以緩坡泄槽段末端為原點的拋物線橫、縱坐標，m；θ為緩坡泄槽底坡坡角，tanθ=0.116；K為系數(shù)，對于落差較大的重要工程，取1.5；H0為拋物線起始斷面比能，取7.072 m；h為拋物線起始斷面水深，取2.202 m；v為拋物線起始斷面流速，取9.775 m/s。

拋物線各點坐標見表1。

表1 拋物線各點坐標

2.5 挑流消能設(shè)計

本工程消能防沖設(shè)計標準采用P=3.3%，最大下泄流量為120.7 m3/s。

末端仍采用挑流鼻坎消能，將原鼻坎拆除后，澆筑厚50 cm C25鋼筋混凝土，坎頂高程201.16 m，反孤半徑9 m，挑射角為20°，鼻坎坎頂至下游河床高差取5.29 m。

鼻坎下游約有25 m長的弱風(fēng)化凝灰質(zhì)變質(zhì)砂岸夾千枚巖，抗沖刷能力較好，基本能滿足鼻坎的穩(wěn)定和跌流消能要求。對左側(cè)山坡進行修整，右側(cè)原擋墻進行加固。

2.6 泄洪渠加固處理

溢洪道下游泄洪渠寬窄不一、淤堵嚴重，擋墻破損、裂縫，墻基已外露，影響洪水安全下泄。本次加固對泄洪渠統(tǒng)一規(guī)整至底寬15 m，底面清淤后澆筑厚0.3 m的C25混凝土，底板縱坡為0.01，兩側(cè)擋墻拆除重建C15混凝土重力式擋墻，墻頂寬0.5 m。

2.7 交通橋設(shè)計

進電站道路橫穿溢洪道泄洪渠，一旦泄洪將中斷交通，對防汛搶險和運行管理造成重大影響。

現(xiàn)狀進電站人行橋標準低，基礎(chǔ)沖刷外露，嚴重影響水庫防汛搶險。本次加固需重建進電站交通橋，交通橋防洪標準按30年一遇設(shè)計，橋梁按汽-15等級荷載設(shè)計。交通橋全長20 m，共3跨，橋面寬4 m，為現(xiàn)澆“T”形梁橋，梁、板等采用C25鋼筋混凝土。

3 正常溢洪道加固設(shè)計計算

3.1 水力計算

(1)泄洪能力計算。溢洪道控制段為a型駝峰堰[1]，堰頂高程222.5 m，上游堰高1 m，溢流凈寬16.2 m。經(jīng)計算，庫水位與泄流量關(guān)系見表2。

通過調(diào)洪演算得到水庫各種頻率的洪峰流量，各種洪水標準的溢洪道下泄流量見表3。

表2 庫水位～泄量關(guān)系

表3 調(diào)洪計算成果(推理公式法)

(2)泄槽水面線及邊墻高度計算。根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL 253—2018)，用分段求和法計算溢洪道泄槽水面線，再考慮摻氣影響及安全加高，可算出需要的邊墻高度?，F(xiàn)取校核洪水位227.1 m，相應(yīng)泄量為273.1 m3/s，進行水面線計算。計算結(jié)果見表4。

表4 泄槽段水面曲線及邊墻高度計算

由上表可知，現(xiàn)狀二級泄槽的擋墻高度不滿足要求；加固后，擋墻高度均滿足規(guī)范要求。

(3)溢洪道消能復(fù)核。消能方式為挑流消能，鼻坎坎頂至下游河床高差取5.29 m。經(jīng)計算，自挑流鼻坎末端算起至沖刷坑最深點距離：Lt=41.32 m；沖刷坑最大水墊深度：T=8.13 m。

為了確保鼻坎基礎(chǔ)的安全，沖刷坑上游坡度一般在1∶3～1∶6選用，根據(jù)地質(zhì)情況確定沖刷坑上游坡度為1∶4。

Lt/T=5.08>4，滿足要求。

3.2 堰體抗滑穩(wěn)定計算

溢流堰為a型駝峰堰，上游堰高1 m，堰體為C25混凝土，堰基為強風(fēng)化凝灰質(zhì)變質(zhì)砂巖夾千枚巖。

其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按抗剪斷強度計算,見式(3)(取單位寬度)：

K=∑(f′W+c′A)/∑P

(3)

式中：K為按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，取0.36；c′為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力，取0.08 MPa；A為堰體與基巖接觸面的截面積；W為作用于堰體上的荷載對計算滑動面的法向分量，kN；∑P為作用于堰體上的荷載對計算滑動面的切向分量，kN。

計算結(jié)果詳見表5。

表5 溢洪道單位寬度堰體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果

從上表的計算結(jié)果可知，溢洪道堰體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4 非常溢洪道加固設(shè)計

右岸溢洪道為非常溢洪道，為開敞式明渠。因左岸溢洪道的泄流能力滿足要求，在1987年冬對右岸溢洪道進行了封堵，建成自潰式土壩，作為非常泄洪設(shè)施。目前，該溢洪道頂高程為225.33 m，低于校核洪水位，為防洪缺口。

恢復(fù)非常溢洪道的泄洪能力，降低正常蓄水位以上的水頭。因受地形限制，非常溢洪道控制段只能改建成無坎寬頂堰，堰頂高程222.5 m，溢流凈寬規(guī)整至15 m。當(dāng)庫水位高于正常蓄水位222.5 m時，經(jīng)過對正常溢洪道泄洪、兩個溢洪道同時泄洪兩種工況進行調(diào)洪演算結(jié)果分析可得：如恢復(fù)非常溢洪道的泄洪能力，設(shè)計洪水位能降低0.65 m，校核洪水位能降低1.04 m。

對非常溢洪道加固采取兩種方案進行比較分析：

方案一：對其進行加固，恢復(fù)其泄流功能?？刂贫螢閷掜斞?，溢流凈寬15 m；泄槽段底板拆除重建；兩側(cè)邊墻拆除重建C15混凝土擋墻[2-3]。

方案二：將其封堵，回填成一均質(zhì)土壩。兩個溢洪道同時泄洪時下游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)仍不滿足規(guī)范要求，為方便日常運行管理，故將其封堵，軸線、上下游坡比、壩頂寬及壩頂高程等均與大壩一致。

經(jīng)過對兩種方案進行比較可得：方案一的投資較大，運行管理不方便，還需在堰頂增設(shè)一交通橋；方案二的投資較小，利用壩頂作為交通公路。故設(shè)計加固采用方案二，具體加固措施為：將原土壩、閘墩等拆除，重新填筑成一均質(zhì)土壩。為整體美觀，其軸線與大壩軸線一致，上游坡比填筑至1∶3.03，采用C20混凝土預(yù)制塊護坡；下游坡比為1∶2.6，采用C15混凝土網(wǎng)格草皮護坡；壩頂寬6 m，頂高程為228.4 m。

(1)壩體防滲。最大壩高僅為5.72 m，故壩型采用均質(zhì)土壩，填筑土料要求，滲透系數(shù)不大于1×10-4cm/s，水溶鹽含量不大于3%，有機質(zhì)含量不大于5%，有較好的塑性和滲透穩(wěn)定性，浸水與失水時體積變化小，壓實度不小于96%。與兩岸的連接采用黏土刺墻，深入兩岸基巖1.5 m，墻厚3 m。

(2)壩基及壩肩防滲。壩基底高程為222.3 m，壩基(肩)上部巖體仍呈中等透水性，存在壩基及繞壩滲漏問題，故本次設(shè)計在壩基設(shè)帷幕灌漿，與大壩的灌漿帷幕連成一體。

(3)壩頂加固。壩頂高程228.4 m，采用C25混凝土路面，混凝土路面寬6 m，路面向兩游側(cè)傾斜，坡度為1%，并在上游側(cè)增設(shè)照明燈具。

(4)護坡加固。上游壩坡采用C20混凝土預(yù)制塊護坡，厚10 cm，下設(shè)砂礫石墊層厚15 cm；下游壩坡采用C15混凝土網(wǎng)格草皮護坡。因壩前水頭不大，故壩腳不設(shè)排水體。

(5)壩面排水。在上、下游壩坡與岸坡連接處增設(shè)岸坡排水溝，排水溝均采用矩形斷面，尺寸為300 mm×300 mm，采用C15混凝土澆筑，澆筑厚15 cm。

5 結(jié) 語

文章對高虎腦水庫左岸正常溢洪道采取原址原規(guī)模拆除重建方案，重建后溢洪道由進口段、控制段、一級泄槽、二級泄槽、挑流消能設(shè)施、泄洪渠組成，并重建跨泄洪渠進電站交通橋，經(jīng)過復(fù)核計算，溢洪道泄流能力、泄槽邊墻高度、堰體穩(wěn)定計算結(jié)果等均滿足規(guī)范要求。經(jīng)過方案比選對右岸非常溢洪道進行封堵回填，按照大壩設(shè)計標準進行加固；高虎腦水庫溢洪道除險加固工程實施后，可以確保水庫在遇到較大洪水時，能夠正常泄洪，保障水庫大壩安全以及下游人民群眾生命財產(chǎn)安全。