陳家院水庫除險加固工程設(shè)計方案比選

□李新媛（新鄉(xiāng)市衛(wèi)河共產(chǎn)主義渠管理處）

一、工程概況

陳家院水庫位于海河流域衛(wèi)河支流淇河上游輝縣市西北55km處，是一座以灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、防洪綜合利用的中型水庫。水庫控制流域面積117km2，壩型為漿砌石重力墻堆石壩，總庫容1370萬m3，興利庫容1017萬m3，死庫容12萬m3。水庫建于20世紀60年代初，受當時條件限制，建筑標準低，水庫存在的主要問題一是防洪標準不足300年一遇，遠低于規(guī)范要求的1000年一遇標準；二是水庫大壩下游堆石體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅0.865，抗滑穩(wěn)定不能滿足規(guī)范要求。經(jīng)安全鑒定，水庫大壩為三類壩，需除險加固。

二、溢洪道改建方案比選

陳家院水庫溢洪道位于水庫大壩右岸壩端，寬40～47m，堰型為不標準折線型實用堰，堰頂寬47m，堰頂高程776.5m，平壩頂時最大泄洪能力僅1939m3/s，防洪標準不足300年一遇，遠低于規(guī)范要求的1000年一遇防洪標準。

為擴大溢洪道泄洪能力，提高水庫防洪標準，根據(jù)堰流公式，有3種途徑，一是增加堰上水頭，二是增加堰寬，三是增加溢流堰流量系數(shù)。

（一）增加堰上水頭

途徑一或提高大壩壩頂高程，增加大壩高度，或降低堰頂高程。陳家院水庫壩頂高程與現(xiàn)有輝陵公路（輝縣至山西省陵川縣）高程相差很小，增加壩頂高程將需要對公路進行改線，另外，增加壩頂高程還大大增加了壩體加固工程量，所以提高壩頂高程方案不可取。降低堰頂高程必然減少水庫的興利蓄水量，對于水資源嚴重缺乏的輝縣市北部山區(qū)，以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展造成不利影響，方案不合適。

（二）增加堰寬

陳家院水庫現(xiàn)有溢流堰為不標準折線型實用堰，根據(jù)折線型實用堰要求及溢洪道現(xiàn)狀地形。使陳家院水庫溢流堰為標準折線型實用堰，上游堰高需要由1.0m增加到3.2m，下游堰高需要由1.5m增加到3.4m，即堰前挖深2.2m，堰后挖深1.9m。根據(jù)調(diào)洪計算，要滿足水庫千年一遇泄洪要求，梯形堰堰寬應(yīng)為62m，即溢洪道需拓寬15m，下游拓寬22m，溢洪道挖深和拓寬后，梯型堰外表面考慮0.5m厚混凝土護面。經(jīng)計算，完成上述工程需完成邊坡石方開挖8.37m3，基礎(chǔ)石方開挖7238m3，溢洪道進口石方開挖6110m3，堰面混凝土澆筑722m3，估算投資402.1萬元。

（三）增加溢流堰流量系數(shù)

迷宮堰是一種新堰型，流量系數(shù)比一般直線堰大得多，維修費用低，管理簡便，在山東省的數(shù)座水庫中達到成功利用。

根據(jù)山東省水利科學研究院的研究成果，經(jīng)過對迷宮堰堰高7.0、6.5、5.5m 3個方案進行認真分析比較，確定采用堰高5.5m方案。其主要參數(shù)為：最大水頭比1.2，寬高比2.27，展寬比4，堰體長24.2m，堰總寬50m，堰頂高程778.4m（較現(xiàn)狀堰頂高1.9m），堰底高程772.9m。迷宮堰流量系數(shù)隨堰頂水頭變化而變化，堰頂水頭越小，流量系數(shù)越大；堰頂水頭越大，流量系數(shù)越小。根據(jù)天津大學水工實驗室陳家院水庫迷宮堰模型試驗成果進行調(diào)洪計算，1000年一遇校核洪水時堰頂水頭6.59m，迷宮堰泄量為3000m3/s，相應(yīng)庫水位784.99m（水庫大壩壩頂高程 785m）。

根據(jù)迷宮堰平面布置、迷面尺寸，現(xiàn)狀溢洪道需拓寬3m，下挖2.6m。經(jīng)計算，完成陳家院水庫迷宮堰改建工程需完成溢洪道進口石方開挖5610m3，基礎(chǔ)石方開挖9238m3，護坦混凝土澆筑1628m3，堰墻混凝土澆筑1002m3，導水墻混凝土澆筑875m3，估算投資234.72萬元。

（四）溢洪道改建工程方案選定

經(jīng)過對上述三種途徑分析，增加堰上水頭需改建公路且大大增加壩體加固工程量，方案不可取；途徑二經(jīng)現(xiàn)有堰型改建后可滿足水庫泄洪要求，但工程量大，工程投資高，且現(xiàn)有溢洪道左岸為管理所，右岸懸崖陡壁，施工難度非常大；途徑三通過現(xiàn)有溢洪道改建迷宮堰，不僅使溢洪道泄洪滿足規(guī)范要求，還能提高興利庫容76萬m3，而且工程費用低，施工難度小，因此，溢洪道改建方案選定為改建迷宮堰方案。

三、壩體加固方案比選

陳家院水庫大壩為漿砌石重力墻堆石壩，壩頂高程785m，最大壩高80m，壩頂長190m，壩頂寬4.7m。漿砌石重力墻位于大壩上游側(cè)，兼作防滲體，頂寬2.2m，底寬47.2m。堆石體位于大壩下游側(cè)，頂寬2.5m，底寬66.4m，在732m、759m高程處設(shè)兩級 2m寬的馬道，高程 705～732m、732～759m、759～783.5m間下游坡度分別為1∶1.2、1∶1.15、1∶1.0，高程783.5m以上至壩頂間為直立段。水庫堆石施工為人工拋填，經(jīng)計算，現(xiàn)狀大壩下游堆石體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅為0.865，從運行上看，大壩堆石體塌陷年年發(fā)生，后壩坡多處出現(xiàn)塌坑及外鼓，危及大壩自身安全，急需盡快進行壩體加固。

根據(jù)陳家院水庫大壩情況，壩體加固設(shè)計對碾壓堆石貼坡加固和干砌塊石貼坡加固兩個方案進行了設(shè)計。

（一）碾壓堆石貼坡加固方案

堆石體頂寬保持2.5m不變，依然在下游坡759m、732m高程處設(shè)置兩級2m寬馬道，在原有堆石體下游坡上加碾壓堆石貼坡，使下游坡自下而上分別達到1∶1.35，1∶1.35，1∶1.30。經(jīng)試驗，碾壓堆石內(nèi)摩擦角為43°，空隙率30%；原有堆石內(nèi)摩擦角為39°，空隙率40%，采用折線法公式，利用計算機求得下游坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.21，大于規(guī)范要求的1.2，滿足規(guī)范要求。經(jīng)計算，碾壓堆石貼坡方案需堆石拆除2353m3，清基3.03萬m3，碾壓堆石6.93萬m3，干砌塊石護坡8000m3,兩岸清基2700m3，估算投資518.4萬元。

（二）干砌塊石貼坡加固方案

堆石體頂寬仍然保持2.5m不變，在下游坡759、732m高程處設(shè)置兩級2m寬馬道，在原有堆石體下游坡上加干砌塊石貼坡，使下游坡自下而上分別達到1∶1.35、1∶1.30、1∶1.25。干砌塊石內(nèi)摩擦角為39°，空隙率40%；采用折線法公式利用計算機求得下游坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.24，大于規(guī)范要求的1.2，滿足規(guī)范要求。經(jīng)計算，干砌塊石貼坡方案需堆石拆除2353m3，清基2.76萬m3，干砌塊石壩體6.43萬m3，干砌塊石護坡7800m3,兩岸清基2600m3，估算投資696.78萬元。

（三）壩體加固方案選定

經(jīng)過對上述兩方案分析，碾壓堆石貼坡盡管工程量稍大，但投資小，主要原因是碾壓堆石單價較干砌塊石單價低，另外，碾壓堆石施工機械化程度高，施工速度快，一年半內(nèi)可完成壩體加固工程任務(wù)（干砌塊石全部為人工施工，速度慢，完成陳家院水庫壩體加固需要兩年時間），工期短，質(zhì)量可靠，因此，壩體加固選用碾壓堆石貼坡加固方案。

四、結(jié)束語

通過對上述溢洪道改建及壩體加固方案比選，陳家院水庫除險加固工程設(shè)計選定了溢洪道改建迷宮堰及對大壩堆石體進行碾壓堆石貼坡加固方案，方案不僅經(jīng)濟合理，而且大膽采用新技術(shù)，不僅消除了水庫不安全隱患，而且還增加興利庫容76萬m3，對改善下游山區(qū)群眾生活及生產(chǎn)條件具有重大意義。