水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的分析與設(shè)計(jì)

呂紹文

【摘 要】隨著水庫(kù)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，水庫(kù)暴露出來(lái)的安全隱患也逐漸增多，為了確保水庫(kù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，及時(shí)進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。本文結(jié)合水庫(kù)工程實(shí)例，在闡述了水庫(kù)目前存在的安全隱患和除險(xiǎn)加固的必要性的基礎(chǔ)上，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行了加固設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】病險(xiǎn)水庫(kù)；除險(xiǎn)加固；必要性；設(shè)計(jì)

水庫(kù)在防御洪水災(zāi)害和保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)上發(fā)揮了不可替代的作用。但由于使用年限的增加及本身施工質(zhì)量不理想等原因，有些水庫(kù)工程存在較嚴(yán)重的安全隱患，成為了帶病運(yùn)行的水庫(kù)。因此，對(duì)現(xiàn)有水庫(kù)開(kāi)展除險(xiǎn)加固工作，進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，在保證下游人民生命財(cái)產(chǎn)的安全和充分發(fā)揮水庫(kù)的效益，不僅非常必要，而且十分迫切。

1.水庫(kù)工程實(shí)例

某水庫(kù)于上世紀(jì)八十年代興建，是一座以防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水為主的?。↖）型水庫(kù)。壩頂高程1194.10m，上游壩坡1：3，下游壩坡1：2.5。

水庫(kù)保護(hù)著下游人民財(cái)產(chǎn)不受洪水侵害，受益人口7500人，保護(hù)耕地面積466.7hm2。由于防洪標(biāo)準(zhǔn)提高，未設(shè)溢洪道，自身泄洪能力不足，對(duì)下游安全存在著潛在的巨大威脅，已成為嚴(yán)重病險(xiǎn)水庫(kù)。因此，實(shí)施以增設(shè)泄洪設(shè)施達(dá)到國(guó)家防洪標(biāo)準(zhǔn)除險(xiǎn)加固工程是非常必要和十分迫切的。

2.擋水建筑物設(shè)計(jì)

2.1擋水建筑物現(xiàn)狀及采取措施

現(xiàn)狀壩體主要填筑土層巖性為含細(xì)粒土砂，呈稍密-中密狀態(tài)，中上部稍濕，下部很濕-飽和，微有塑性，滲透系數(shù)5.4×10-4cm/s。因此，主壩壩體存在滲漏問(wèn)題，且壩體土質(zhì)表面松散，含草根等雜物，壩坡穩(wěn)定坡角不夠。因此，壩體存在滲漏和穩(wěn)定影響問(wèn)題。

2.2壩頂高程確定及其構(gòu)造

1）壩頂寬度及構(gòu)造。本工程攔河土壩高度為5.6m，屬低壩范疇。在確定壩頂寬度時(shí)，主要考慮如下情況：

壩頂無(wú)干線(xiàn)公路及鐵路通過(guò)；地震設(shè)計(jì)烈度為VI度，無(wú)抗震要求；壩頂最小寬度，能滿(mǎn)足施工機(jī)具通行；頂寬利于管理運(yùn)用；綜合考慮，選壩頂寬度為5m。

2）土壩壩坡。土壩的壩坡根據(jù)壩型、壩高、壩的等級(jí)、筑壩土料的性質(zhì)，壩基地質(zhì)條件及施工運(yùn)用條件等因素，可參照已建工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或用近似方法初步擬定，最終經(jīng)穩(wěn)定計(jì)算確定。

2.3護(hù)坡及壩面排水

1）上游護(hù)坡。上游護(hù)坡采用C20混凝土護(hù)坡，從壩頂起到下部死水位以下1.5m。根據(jù)計(jì)算，結(jié)合《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）規(guī)定，土壩上游護(hù)坡厚度采用0.2m，其下鋪設(shè)20cm厚中粗砂過(guò)渡層?？v、橫縫間距10m，填縫材料為瀝青混凝土。

2）下游護(hù)坡。下游護(hù)坡為草皮護(hù)坡。

3）壩體排水?？紤]便于施工、利于維修，本工程選擇貼坡式排水體。

4）壩面排水。在壩體下游坡設(shè)橫向排水溝，每50m設(shè)一條。排水溝采用混凝土預(yù)制，為矩形斷面，斷面尺寸為0.3m×0.3m，側(cè)墻底板厚0.15m。

3.泄水建筑物設(shè)計(jì)

3.1工程布置

根據(jù)本工程的地形地質(zhì)條件，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用情況，不適合布置溢洪道及泄洪隧洞來(lái)泄洪。

該水庫(kù)現(xiàn)狀泄洪設(shè)施為泄洪閘與泄洪洞上下結(jié)構(gòu)布置，上層為泄洪閘，下層為泄洪洞。該水庫(kù)泄洪閘不能滿(mǎn)足泄洪要求，經(jīng)方案比較和調(diào)洪計(jì)算，確定泄洪閘凈寬為6m，設(shè)計(jì)洪水位1194.00m時(shí)，泄量41m³/s，校核洪水位1195.30m時(shí)，泄量113.5m³/s。

泄洪閘底板高程為1190.00m。泄洪閘沿線(xiàn)地層呈巖土二元結(jié)構(gòu)，上部為（Q4al-pl）級(jí)配不良砂下部為（k1zh2）細(xì)砂巖，不存在地基液化問(wèn)題，但存在滲透變形影響。

閘室底板垂直水流方向，為兩孔一聯(lián)整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。順?biāo)鞣较?，由于擋水高度低，閘室整體穩(wěn)定與地基條件，不控制其長(zhǎng)度，根據(jù)結(jié)構(gòu)布置要求確定。

閘墩采用實(shí)體式，中墩外形輪廓設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足過(guò)閘水流平順、側(cè)向收縮小及過(guò)流能力的要求，上下游墩頭均采用半圓形。每孔設(shè)一道平板工作閘門(mén)，一道檢修閘門(mén)，兩閘門(mén)間距2.2m。

閘室上游段設(shè)混凝土水平鋪蓋，翼墻采用八字型式。下游段采用底流式消能，消力池采用下挖式，用斜面與閘室底板連接，斜坡面的坡比為1∶4。在消力池后設(shè)海漫和防沖槽。

3.2消能工設(shè)計(jì)

1）消力池尺寸確定。按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）所示，經(jīng)計(jì)算，在渲泄設(shè)計(jì)洪水時(shí)，所需消力池深度為1.25m，為安全考慮并利于水流銜接，取設(shè)計(jì)池深為1.5m。經(jīng)計(jì)算，需消力池長(zhǎng)度為14.38m，取為15.0m。斜坡段水平投影長(zhǎng)度為6m。斜坡與閘底板連接處用1.0m長(zhǎng)水平段進(jìn)行平順連接。

2）海漫尺寸確定。經(jīng)計(jì)算，海漫長(zhǎng)度為20m。

海漫末端河床沖刷深度計(jì)算公式按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）附錄B所示，經(jīng)計(jì)算，海漫末端沖刷深度為7.8m。防沖槽尺寸按工程慣例，采用寬淺式梯形斷面結(jié)構(gòu)，槽頂與槽底高差取為2.0m。

3.3上游鋪蓋設(shè)計(jì)

鋪蓋采用材料為混凝土，鋪蓋長(zhǎng)度按滲流分析結(jié)果，取其為14.0m。為保證鋪蓋防滲效果，以及便于施工，鋪蓋厚度取為0.7m，并做成等厚度型式。上游齒墻深入鋪蓋下地基深度為1.5m。為保證鋪蓋與閘室可靠連接及布置止水，下游齒墻深入鋪蓋下地基深度為1.5m。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范要求，并結(jié)合本工程地基土質(zhì)情況，鋪蓋順?biāo)鞣较虿辉O(shè)永久縫。鋪蓋與兩岸翼墻及閘室結(jié)合部，設(shè)永久縫，縫寬2cm，內(nèi)設(shè)橡膠止水。

3.4閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）閘頂高程確定。閘頂高程和壩頂同高。其值為1196.00m。

2）底板尺寸確定。就本工程而言，此長(zhǎng)度的擬定需綜合考慮了閘墩、閘門(mén)、工作橋、交通橋的結(jié)構(gòu)布置需要及水閘運(yùn)行管理方便等因素，并且保證為寬頂堰流，參照同類(lèi)型工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，擬定底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度為8.5m。

底板厚度為等厚，根據(jù)閘孔孔徑、地基土質(zhì)，參照以往工程設(shè)計(jì)，底板材料選為C25鋼筋混凝土，厚度為1.0m。

底板上、下游側(cè)均設(shè)齒墻，齒墻尺寸按常規(guī)選取。根據(jù)地基土質(zhì)及地下水情況，確定齒墻深度為2.0m。

3）中墩、邊墩尺寸確定。中墩墩長(zhǎng)同底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度相同，為8.5m，墩厚根據(jù)結(jié)構(gòu)及施工方法確定，攔河閘采用平板鋼閘門(mén)，要求門(mén)槽槽深不小于0.25m，從施工角度要求，門(mén)槽頸部最小厚度不小于0.3m，綜合考慮上述要求，中墩厚度取為1.5m。中墩上下游均采用半圓形墩頭結(jié)構(gòu)，直徑為0.75m。邊墩的結(jié)構(gòu)型式與尺寸與中墩相同。

3.5上下游翼墻設(shè)計(jì)

上游采用八字型翼墻，為C15混凝土結(jié)構(gòu)。上游翼墻順?biāo)鞣较蛲队伴L(zhǎng)度為14.0m。上游翼墻首端與閘室相接處，因高度在6m以下，故采用重力式結(jié)構(gòu)，頂寬0.4m，外坡坡度為10∶1。

3.6消力池設(shè)計(jì)

消力池型式采用“下挖式”，平面布置采用等寬型式。消力池首端與閘室相接處，設(shè)1.0m寬平臺(tái)，其后接1∶4斜坡段，斜坡后接消力池水平段，長(zhǎng)3.2m。在消力池末端，為便于水流銜接，設(shè)消力坎。整個(gè)消力池底部鋪設(shè)0.15m厚C10素混凝土墊層。

3.7海漫設(shè)計(jì)

海漫采用等寬混凝土結(jié)構(gòu)，由水平段和緩坡段組成。水平段長(zhǎng)5.0m，為混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為0.2m，漿砌塊石與地基土之間鋪設(shè)0.2m厚的砂層和0.2m的碎石墊層。緩坡段坡率為1∶10，水平投影長(zhǎng)度為15m，為干砌石結(jié)構(gòu)，厚0.4m，混凝土下部鋪設(shè)0.2m厚碎石墊層和0.2厚砂石墊層。

3.8防沖槽設(shè)計(jì)

防沖槽采用拋石等寬結(jié)構(gòu)，槽頂與海漫緩坡段末端齊平。根據(jù)沖坑深度計(jì)算，槽深為2.0m，槽底寬度取為槽深的2倍，上下游側(cè)邊坡坡率均為1∶3。

4.輸水洞工程設(shè)計(jì)

4.1輸水洞工程現(xiàn)狀

現(xiàn)狀大壩左、右壩肩各設(shè)輸水洞一座，其結(jié)構(gòu)形式為磚砌體方涵，左側(cè)輸水洞尺寸為0.8m×1.0m，右側(cè)輸水洞尺寸為0.8m×1.0m?，F(xiàn)閘門(mén)及啟閉設(shè)備均已報(bào)廢，而且結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞，已無(wú)法正常使用。本次除險(xiǎn)加固在原輸水洞處重建輸水洞，其結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4.2右側(cè)輸水洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新建輸水洞仍位于原右側(cè)輸水洞處，洞底高程根據(jù)地勘及下游灌溉渠道比降確定為1192.40m，涵洞由進(jìn)口段、閘涵段及出口段組成。

1）進(jìn)口段。涵洞進(jìn)口段采用斜降U型槽結(jié)構(gòu)，前緣底寬2.5m，末端底寬1.5m，底板厚0.4m，長(zhǎng)5m，進(jìn)水孔底寬1.0m，孔高為曲線(xiàn)漸變式，孔頂部設(shè)鋼筋混凝土擋墻。

2）涵閘段。由閘室和涵洞兩部分組成，閘孔凈寬1.0m，凈高1.0m，閘底高程1192.40m，壓力涵洞長(zhǎng)3.68m，無(wú)壓涵洞長(zhǎng)13.5m。閘室為豎井式，設(shè)有工作和檢修閘門(mén)各一道，閘室段長(zhǎng)5m。

3）出口段。出口段由擴(kuò)散型消力池、混凝土海漫及出水渠三部分組成。涵洞出口與消力池采用1∶4的斜坡連接，消力池長(zhǎng)8m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池底做d100-PVC排水管，兩側(cè)邊墻為梯形斷面，邊坡1∶1.0，漿砌石結(jié)構(gòu)。

4.3左側(cè)輸水洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新建輸水洞仍位于原左側(cè)輸水洞處，洞底高程根據(jù)地勘及下游灌溉渠道比降確定為1192.50m，涵洞由進(jìn)口段、閘涵段及出口段組成。

1）進(jìn)口段。涵洞進(jìn)口段采用斜降U型槽結(jié)構(gòu)，前緣底寬2.5m，末端底寬1.5m，底板厚0.5m，長(zhǎng)5m，進(jìn)水孔底寬1.0m，孔高為曲線(xiàn)漸變式。

2）涵閘段。由閘室和涵洞兩部分組成，閘孔凈寬1.0m，凈高1.0m，閘底高程1192.50m，壓力涵洞長(zhǎng)2.7m，無(wú)壓涵洞長(zhǎng)16.49m。

3）出口段。出口段由擴(kuò)散型消力池、混凝土海漫及出水渠3部分組成。涵洞出口與消力池采用1∶4的斜坡連接，消力池長(zhǎng)8m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池底做d100-PVC排水管，兩側(cè)邊墻為梯形斷面，邊坡1∶1.0，漿砌石結(jié)構(gòu)。

5.結(jié)語(yǔ)

總之，為了確保水庫(kù)工程應(yīng)有的效益，對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)是必要的。在本病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固中，通過(guò)精心設(shè)計(jì)，確定了合理除險(xiǎn)加固措施，確保了除險(xiǎn)加固工程的順利開(kāi)展，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以作為類(lèi)似工程的參考。

參考文獻(xiàn)：

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