石陂水庫除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)方案分析

劉偉忠

(興寧市水利水電建設(shè)工程公司，廣東 梅州 514500)

小型水庫作為重要的蓄水工程，在保障國家防洪安全、供水安全、糧食安全、生態(tài)安全等方面發(fā)揮重大作用。由于長期重使用而輕維護(hù)，工程帶病運(yùn)行問題十分突出。近年來，國家高度重視小型水庫病險(xiǎn)問題，大力推進(jìn)水庫除險(xiǎn)加固工作，恢復(fù)水庫正常防洪功能，完善江河防洪體系[1-2]。本文以石陂水庫為例，分析確定其除險(xiǎn)加固方案，以期為類似病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

石陂水庫位于廣東省梅州市興寧市葉塘鎮(zhèn)石新村，屬寧江水系。水庫興建于1972年，是一座以防洪、灌溉功能為主的小(2)型工程。壩址以上集雨面積0.21km2，河長0.72km，河道比降0.0529，總庫容11.87萬m3。水庫設(shè)計(jì)灌溉面積840畝，保護(hù)下游人口、耕地及交通、通訊、電力等設(shè)施安全。水庫于2020開展安全鑒定，結(jié)論屬三類壩，應(yīng)盡早實(shí)施除險(xiǎn)加固[3]。

2 工程現(xiàn)狀及主要病險(xiǎn)問題

2.1 水庫大壩

石陂水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程170.27m，壩長50m，壩頂寬4.0m，防浪墻高0.8m。上游壩坡為混凝土護(hù)坡，坡比1∶2.0；下游壩坡為草皮護(hù)坡，坡比1∶2.04；壩后坡腳設(shè)貼坡排水體，坡比1∶2.56，排水體頂高程為161.60m。

大壩主要存在的問題有：滲流逸出點(diǎn)位于壩后坡上，高于貼坡排水體頂高程；壩體填土滲透系數(shù)平均值為2.72×10-4cm/s，屬中等透水層；壩頂為泥結(jié)石路面，且已生長雜草；路沿石完整性差、局部破損嚴(yán)重；防浪墻局部破損且隨處可見批蕩脫落現(xiàn)象；上游壩坡為混凝土護(hù)坡，存在多處裂縫，坡面見少量雜草；下游壩坡雜草叢生，坡面養(yǎng)護(hù)較差，有動(dòng)物巢穴，坡面排水溝嚴(yán)重堵塞；貼坡排水體表面雜草叢生，堵塞明顯，塊石松散。

2.2 溢洪道

溢洪道位于大壩左壩端，為開敞式寬頂堰型式。堰頂高程168.92m，控制段凈寬3.7m，長度10m，側(cè)墻高2.1m；泄槽段寬度3.7～4.6m，側(cè)墻高1.0m，陡坡斜長37.9m，坡比1∶33.5，陡坡末端設(shè)挑流鼻坎。溢洪道控制段頂部布置鋼筋混凝土交通橋，橋面寬度4.5m，橋板厚度0.2m，跨長5.2m。

溢洪道存在的主要問題有：進(jìn)口段側(cè)墻局部裂縫，損壞嚴(yán)重；泄槽段側(cè)墻多處破損嚴(yán)重，局部裂縫、墻身有大面積批蕩脫落現(xiàn)象；挑流消能設(shè)施、下游河道被雜物覆蓋、淤積嚴(yán)重，行洪不安全。

2.3 輸水涵

輸水涵位于大壩右壩端，為壩下鋼筋混凝土圓涵埋管，涵管內(nèi)徑為0.50m，涵管總長50m，采用斜拉閘放水。閘門為鑄鐵閘板，啟閉設(shè)備為3t手動(dòng)斜拉式啟閉機(jī)。

輸水涵管存在的主要問題有：出水口邊墻損壞嚴(yán)重，渠道內(nèi)垃圾、雜物散布，影響涵管輸水灌溉；起閉金屬拉桿銹蝕嚴(yán)重；拉桿墩老化、破損嚴(yán)重；輸水涵管關(guān)閉后，涵頭存在嚴(yán)重漏水現(xiàn)象。

3 特征水位確定

石陂水庫原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，符合《防洪標(biāo)準(zhǔn)》及《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)仍遵從原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)。因水庫的地形、地質(zhì)條件的興利需求未發(fā)生變化，本次仍然延用原設(shè)計(jì)死水位161.42m和正常蓄水位168.92m。但是，由于復(fù)核后水庫集雨面積變化導(dǎo)致設(shè)計(jì)洪水系列發(fā)生了改變，需要進(jìn)行調(diào)洪演算，以重新確定水庫設(shè)計(jì)水位與校核水位。

水庫調(diào)洪演算通過建立水庫的水量平衡和蓄泄關(guān)系，采用試算法計(jì)算出水庫的下泄流量過程。水量平衡是在某一時(shí)段內(nèi)入庫水量與出庫水量之差等于該時(shí)段內(nèi)水庫蓄水量的變化，用公式(1)表示。

(1)

式中，Q1、Q2—Δt時(shí)段初、末的入庫流量，m3/s；q1、q2—Δt時(shí)段初、末的出庫流量，m3/s；V1、V2—Δt時(shí)段初、末的水庫的蓄水量，m3。

石陂水庫溢洪道為無坎寬頂堰，根據(jù)堰流公式建立水庫的蓄泄關(guān)系，用公式(2)表示。

(2)

式中，B—堰寬，m；ε—側(cè)收縮系數(shù)；H0—堰頂水頭，m；m—寬頂堰自由出流系數(shù)。

聯(lián)立水量平衡方程和蓄泄方程，逐時(shí)段試算水庫的下泄流量過程，由此確定水庫設(shè)計(jì)洪水位169.33m，校核洪水位169.49m。水庫調(diào)洪演算成果見表1。

表1 石陂水庫調(diào)洪演算成果表

4 大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

4.1 大壩加固方案

壩頂路面硬底化建設(shè)，采用C30混凝土路面結(jié)構(gòu)，厚度200mm，路面整體向下游側(cè)傾斜、坡度2%，在壩頂路面下游側(cè)設(shè)排水溝；壩頂上游側(cè)拆除重建C25鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻厚300mm、長度68.0m；加固后壩頂寬度為4.3m、壩頂長度57.60m、壩頂高程170.50m。大壩壩體防滲采用充填灌漿處理，灌漿鉆孔沿壩頂軸線采用雙排梅花型布置，孔距為3.0m，排距為2.0m，材料為黏土漿(摻和15%水泥)，防滲墻滲透系數(shù)要求小于1×10-4cm/s。

上游壩坡混凝土護(hù)坡及坡腳處齒墻拆除重建。護(hù)坡采用C25混凝土結(jié)構(gòu)，厚120mm，下設(shè)砂石墊層厚150mm，護(hù)坡坡比1∶2.0；坡腳處齒墻采用C25混凝土結(jié)構(gòu)，齒墻頂部高程與死水位齊平；下游壩坡清理修整后進(jìn)行培厚，并重鋪草皮護(hù)坡(滿鋪)，加固培厚后坡比為1∶2.5；重建兩側(cè)壩肩排水溝，長度分別為46.0m和47.0m，重建壩后坡步級(jí)，長33.0m。

拆除原貼坡排水體，新建堆石排水棱體，高3.9m、長24.0m、外坡比1∶1.5、內(nèi)坡比1∶1.0；排水棱體頂部采用C20混凝土壓頂，厚度120mm，頂部寬度2.0m、高程160.98m；排水棱體外坡腳處設(shè)集滲溝，寬度500mm。大壩庫區(qū)左岸坡新建C25混凝土護(hù)坡，厚120mm，護(hù)坡底下設(shè)砂石墊層厚150mm；護(hù)坡坡比1∶2.0，并與大壩前坡協(xié)調(diào)銜接。

4.2 大壩滲流分析

大壩進(jìn)行防滲處理后，壩體及壩基滲流主要受防滲體系控制，由于各壩體主要斷面結(jié)構(gòu)形式相同，選取壩體最大斷面作為典型斷面復(fù)核壩體的滲流情況[4-5]。大壩滲流分析的主要考慮5種工況：①水庫正常蓄水位，下游無水時(shí)的穩(wěn)定滲流。②水庫設(shè)計(jì)洪水位，下游無水時(shí)的穩(wěn)定滲流。③水庫校核洪水位，下游無水時(shí)的穩(wěn)定滲流。④庫水位由校核洪水位非常泄洪降落至正常蓄水位的非穩(wěn)定滲流。⑤庫水位由正常蓄水位非常泄洪降落至死水位的非穩(wěn)定滲流[6]。

采用滲流有限元分析計(jì)算大壩各種工況下浸潤線逸出點(diǎn)坐標(biāo)及逸出點(diǎn)處滲透比降情況統(tǒng)計(jì)見表2。結(jié)果表明，除險(xiǎn)加固后，各個(gè)計(jì)算工況下，大壩滲流逸出點(diǎn)的滲透比降均小于允許值，浸潤線出逸點(diǎn)均位于壩腳新建排水棱體內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

表2 壩體各工況浸潤線逸出點(diǎn)坐標(biāo)及滲透比降表

4.3 大壩穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性計(jì)算斷面采用加固后大壩斷面，浸潤線采用加固后滲流計(jì)算結(jié)果，計(jì)算工況仍然采用前節(jié)中的5個(gè)工況，按照畢肖普有效應(yīng)力法計(jì)算，成果見表3，得到的抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于允許值，滿足規(guī)范要求。

表3 大壩抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算成果表

5 溢洪道除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

5.1 溢洪道除險(xiǎn)加固方案

對(duì)溢洪道進(jìn)行拆除重建，進(jìn)口段長4.8m，斷面為喇叭口狀，寬度8.0～4.0m，底板高程為168.32～168.92m；兩側(cè)擋墻高0.4～1.8m(底板以上)，底板采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)厚300mm，下設(shè)C15混凝土墊層厚150mm?？刂贫伍L15.6m，采用寬頂堰型式，矩形斷面，堰頂高程為168.92m，堰頂凈寬4.0m；兩側(cè)擋墻高1.8m(底板以上)，底板采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)厚300mm、底下鋪設(shè)C15混凝土墊層厚150mm。泄槽段長36.8m，坡比為1∶15，矩形斷面；兩側(cè)擋墻高1.2～1.8m(底板以上)，底板采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)厚300mm、底下鋪設(shè)C15混凝土墊層厚150mm，并在墊層底下設(shè)置縱橫排水暗溝；重建泄槽段末端消能設(shè)施，為挑流消能方式，采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，挑坎段反弧半徑4.0m，挑坎挑角25°

5.2 溢洪道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

溢洪道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算包括進(jìn)水渠、控制段、泄槽擋墻，取最不利典型斷面進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算工況分4種：①完建工況；②設(shè)計(jì)洪水位工況；③洪水降落期工況；④正常蓄水位遇地震[7]。根據(jù)朗肯土壓力理論計(jì)算基礎(chǔ)底面的法向應(yīng)力、抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定性(公式(3)—(5))。

(3)

(4)

(5)

溢洪道各部位的穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果見表4。經(jīng)計(jì)算，各工況下抗滑、抗傾覆均滿足要求，最大應(yīng)力小于地基容許承載力。

表4 溢洪道穩(wěn)定驗(yàn)算成果表

6 輸水涵除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

6.1 輸水涵除險(xiǎn)加固方案

重建輸水涵管涵頭，采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底下設(shè)C15混凝土墊層；更換拉桿閘門及起閉設(shè)備、重建拉桿支墩、重建拉桿處步級(jí)；拉桿采用不銹鋼圓鋼拉桿，直徑8cm，起閉設(shè)備采用5t手電兩用起閉機(jī)；壩后坡培厚后需對(duì)現(xiàn)狀涵管(φ=500mm)涵尾進(jìn)行接長，采用DN500鋼管、長度12.6m，并且新建涵管出口處消力池及下游出水渠，長度分別為5.0m和13.0m；對(duì)現(xiàn)有拉桿房進(jìn)行維修及裝飾。

6.2 輸水涵過流能力復(fù)核

根據(jù)輸水管的布置型式，管道管口出流，行近流速很小，過流能力按公式(6)計(jì)算[8]。

(6)

式中，μc—管道系統(tǒng)的流量系數(shù)，本計(jì)算中取0.6；A—管道孔口的斷面面積，m3；H—管道的水頭(m，不計(jì)行近流速)。

現(xiàn)狀輸水涵管直徑為0.50m，涵管過流量由閘門開啟決定，經(jīng)計(jì)算復(fù)核可知，該輸水涵最大輸水流量為Q計(jì)=1.46m3/s，滿足灌溉需水要求。

7 結(jié)語

通過對(duì)石陂水庫病險(xiǎn)問題的系統(tǒng)分析，制定的除險(xiǎn)加固方案，經(jīng)分析計(jì)算加固效果顯著，達(dá)到了除險(xiǎn)目的，方案滿足設(shè)計(jì)要求。石陂水庫除險(xiǎn)加固工程是以防洪為主要任務(wù)的公益性工程，工程完成后，增強(qiáng)了項(xiàng)目區(qū)抵御洪澇災(zāi)害的能力，推動(dòng)區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。除險(xiǎn)加固完成后，應(yīng)通過進(jìn)一步加強(qiáng)水庫工程設(shè)施的安全監(jiān)測和維修養(yǎng)護(hù)等工作，減緩工程功能的衰減速度，保障效益持續(xù)發(fā)揮。