海龍川水庫大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)與計(jì)算

項(xiàng) 偉

(海城市南臺(tái)水利服務(wù)站，遼寧 海城 114200)

海龍川水庫大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)與計(jì)算

項(xiàng) 偉

(海城市南臺(tái)水利服務(wù)站，遼寧 海城 114200)

水庫壩體的防滲加固問題一直是水庫除險(xiǎn)加固施工中重要的環(huán)節(jié)。當(dāng)水庫大壩的基礎(chǔ)地質(zhì)較差滲透性較強(qiáng)時(shí)，在水流的作用下對(duì)大壩體及基礎(chǔ)的危害很大。文章以海城市海龍川水庫為例介紹了水庫大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)及計(jì)算分析。

除險(xiǎn)加固；壩頂高程；大壩斷面；穩(wěn)定分析

1 工程概況

1.1 工程級(jí)別及防洪標(biāo)準(zhǔn)

海龍川水庫位于海城市南部距市內(nèi)40 km的山區(qū)，壩址位于岔溝鎮(zhèn)龍川村。工程于1958年12月建成并投入使用。是以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)殖、供水等綜合利用的水庫。

水庫設(shè)計(jì)正常蓄水位264.5 m，相應(yīng)庫容為9.42 萬 m3；死水位260.00 m，相應(yīng)庫容為1.09 萬 m3；設(shè)計(jì)洪水位266.03 m，相應(yīng)庫容為14.16 萬 m3；校核洪水位266.79 m，相應(yīng)庫容為16.93 萬 m3。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2000)規(guī)定，確定水庫工程規(guī)模為小(2)型水庫。海龍川水庫現(xiàn)工程規(guī)模為工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)。水庫的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是20 a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)是200 a一遇。樞紐工程主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)

1.2 工程現(xiàn)狀與存在問題

水庫壩型為黏土心墻，壩頂高程267.4 m，壩頂寬4.5 m，上游壩坡坡比為1∶3.0，下游壩坡坡比為1∶2.5，壩長236.5 m。

大壩上游護(hù)坡石大范圍出現(xiàn)坍陷，局部塊石滑動(dòng)和丟失，水庫左側(cè)壩肩上壩公路低于壩頂高程1.5 m。

2 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案

大壩迎水坡原干砌石護(hù)坡整修加固。左壩肩部位加高左壩肩段路基至壩頂高程，并與左岸坡銜接。大壩右壩頭刺墻部位拆除重建，原漿砌石防浪墻拆除，新建鋼筋混凝土防浪墻，大壩背水坡保持原草皮護(hù)坡，壩腳處增設(shè)排水體[1-2]。

3 設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

設(shè)計(jì)與計(jì)算分析內(nèi)容包括5個(gè)方面：壩頂高程確定、大壩斷面設(shè)計(jì)與穩(wěn)定計(jì)算、上下游護(hù)坡加固處理方式、滲流控制措施設(shè)計(jì)和防滲體尺寸確定與復(fù)核。

3.1 壩頂高程確定

壩項(xiàng)高程確定內(nèi)容包括大壩高程現(xiàn)狀、水位和壩頂高程確定。

3.1.1 大壩高程現(xiàn)狀與水位

大壩壩頂高程現(xiàn)狀與本次加固設(shè)計(jì)水位成果見表2。

表2 加固設(shè)計(jì)方案特征水位

3.1.2 壩頂高程確定

海龍川水庫為黏土心墻壩，壩長236.5 m，原設(shè)計(jì)壩頂高程267.4 m，心墻頂高程266.62 m。防浪墻頂高程268.02 m。

大壩壩頂高程按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)規(guī)定等于水庫靜水位與壩頂超高之和，并按以下運(yùn)用條件計(jì)算，取其最大值。

設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用情況的壩頂超高；校核洪水位加非常運(yùn)用情況的壩頂超高[3-4]。

計(jì)算公式為：

y=R+e+A

(1)

式中：y為壩頂超高，m；R為最大波浪在壩坡上的爬高，m；e為最大風(fēng)壅水面高度，m；A為安全加高，m。

波浪爬高R計(jì)算：

本次壩頂超高復(fù)核風(fēng)浪要素的計(jì)算采用莆田試驗(yàn)站公式。

1)平均波高h(yuǎn)m計(jì)算

(2)

式中：hm為平均波高，m；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；Hm為水域平均水深，m；D為風(fēng)區(qū)長度，m；W為計(jì)算風(fēng)速，m/s，設(shè)計(jì)洪水位取1.5倍的多年平均年最大風(fēng)速，校核洪水位取多年平均年最大風(fēng)速。

2)平均波長Lm按如下公式計(jì)算

(3)

式中：Lm為平均波長，m；Tm為平均波周期，按公式Tm=4.438 hm0.5計(jì)算；H為壩迎水面前水深，m。

3)波浪爬高RP計(jì)算

平均波浪爬高Rm采用計(jì)算公式為：

(4)

式中：Rm為坡前波浪的平均波高，m；m為單坡的坡度系數(shù)，若坡角為α，即等于cotα；m=3；K△為斜坡的糙率滲透性系數(shù)；護(hù)面類型為砌石護(hù)坡，K△=0.77；KW為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；設(shè)計(jì)波浪爬高RP，按爬高分布進(jìn)行換算，該工程為5級(jí)建筑物，確定波高累積頻率P=5%。

風(fēng)壅水面高度e計(jì)算：

(5)

式中：e為計(jì)算點(diǎn)處的風(fēng)壅水面高度，m；D為風(fēng)區(qū)長度，m；320 m；K為綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；β為風(fēng)向與水域中線的夾角，取β=0°；W為計(jì)算風(fēng)速，m/s；Hm為水域的平均水深，m；安全加高A。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(S274—2001)設(shè)計(jì)水位時(shí)，A=0.5 m，校核水位時(shí)，A=0.3 m。各計(jì)算工況壩頂高程計(jì)算成果見表3。

表3 各計(jì)算工況壩頂高程計(jì)算成果表 m

《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)規(guī)定當(dāng)壩頂上游側(cè)設(shè)有防浪墻時(shí)，壩頂超高可改為對(duì)防浪墻頂?shù)囊?。但此時(shí)在正常運(yùn)用條件下，壩頂應(yīng)高出靜水位0.50 m；在非常運(yùn)用下，壩頂應(yīng)不低于靜水位[5-7]。

本次加固設(shè)計(jì)繼續(xù)采用防浪墻擋水，大壩現(xiàn)有壩頂高程267.4 m，防浪墻頂高程為268.02 m。

從計(jì)算結(jié)果可以看出：

1)壩頂高程理論計(jì)算值為267.81 m，小于現(xiàn)有防浪墻頂高程268.02 m。

2)校核洪水位266.79 m，低于現(xiàn)有壩頂高程。

3)設(shè)計(jì)洪水位266.16 m，低于現(xiàn)有壩頂高程1.24 m。

經(jīng)復(fù)核原大壩頂高程267.40 m，防浪墻頂高程268.02 m，滿足規(guī)范要求。

因此，本次加固設(shè)計(jì)壩頂高程仍采用原設(shè)計(jì)壩頂高程267.40 m。

新建防浪墻頂高于壩頂1.0 m，本次加固設(shè)計(jì)防浪墻頂高程為268.4 m[8-9]。

3.2 大壩斷面設(shè)計(jì)與穩(wěn)定計(jì)算

本次加固設(shè)計(jì)壩頂寬度仍用原壩頂寬度4.50 m，上下游坡比仍采用原設(shè)計(jì)坡比，上游迎水坡比1∶3.00，下游背水坡比1∶2.50[10-11]。壩頂高程為267.40 m。上游迎水坡戧臺(tái)仍采用原寬度5 m，原高程265.36 m。

本次加固設(shè)計(jì)斷面與原斷面相同，因此不再進(jìn)行壩體穩(wěn)定計(jì)算。

3.3 上下游護(hù)坡加固處理方式

海龍川水庫大壩迎水坡加固方式：

1)原護(hù)坡石拆除。

2)增設(shè)30 cm反濾層，反濾層自下向上為10 cm砂礫料墊層，20 cm碎石墊層。

3)重新砌筑干砌石護(hù)坡，干砌石護(hù)坡厚度30 cm(原護(hù)坡石利用率30%)，更新的塊石為花崗巖。

4)增設(shè)迎水坡腳拋石護(hù)砌，拋石料采用拆除的原干砌石石料。

水庫大壩背水坡加固方式：背水坡增設(shè)草皮護(hù)坡及排水體。

水庫大壩壩頂加固方式：設(shè)計(jì)壩頂高程為267.40 m。修建壩頂路，壩頂路設(shè)計(jì)采用20 cm厚砂石路面，路面寬度4.50 m。壩頂路面高程267.60 m。

為滿足防滲要求，將原漿砌石防浪墻改建為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，防浪墻基礎(chǔ)埋深0.78 m，座落在黏土心墻頂部，防浪墻頂高程268.4 m，底高程266.62 m[12]。加高左壩肩，左壩肩部位因修村路降低了原壩肩高度，現(xiàn)低于壩頂高程約1.5 m，用黏土加高左壩肩段路基至壩頂高程，并與左岸坡銜接，恢復(fù)原瀝青路面。

恢復(fù)瀝青路面長70 m，寬4 m，瀝青路面8 cm厚，路基長度70 m、寬4 m，路基加高土料為山體削坡巖石料。

3.4 滲流控制措施設(shè)計(jì)

水庫大壩下游坡腳新建貼坡排水體，高2.0 m，采用干砌石結(jié)構(gòu)。

3.5 防滲體尺寸確定與復(fù)核

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)對(duì)防滲體結(jié)構(gòu)規(guī)定，當(dāng)防滲體頂部設(shè)有防浪墻時(shí)，防滲體頂部高程可不受超高限制，但不得低于正常運(yùn)用的靜水位。海龍川水庫大壩防滲體頂高程266.62 m，大于設(shè)計(jì)洪水位266.03 m，滿足本次加固設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

通過對(duì)海龍川水庫大壩除險(xiǎn)加固的設(shè)計(jì)與計(jì)算分析，可以得出滿足水庫的運(yùn)行與管理。工程實(shí)施后將徹底消除大壩險(xiǎn)情，確保水庫安全運(yùn)行。

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1007-7596(2014)12-0177-03

2014-08-26

項(xiàng)偉(1977-)，男，遼寧鞍山人，工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)田水利建設(shè)、抗旱排澇、小型水庫管理等。

TV697.3

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