劉莊水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程放水洞設(shè)計(jì)的完善方法

楊冬冬

（宜川縣水利工作隊(duì) 陜西 宜川 716200）

1 工程簡(jiǎn)介

劉莊水庫(kù)位于仕望河上游西川河支流丁盤溝上的劉莊村。該水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道和輸水洞三部分組成。大壩為黃土均質(zhì)土壩，壩頂高程1120.0m，壩高23.0m，壩頂寬 4.0m，最大底寬 122.5m，壩頂長(zhǎng)240.0m，迎水面坡比自上而下分別為1∶2.4、1∶3.0，背水坡坡比自上而下分別為1∶2.4、1∶2.5。溢洪道設(shè)于壩右側(cè)，為河岸開(kāi)敞式，全長(zhǎng)94.5m，由寬頂堰、陡坡段組成，堰寬17m。最大泄洪能力70m3/s，堰頂高程1117.3m。輸水洞位于大壩右岸，由臥管、涵洞組成。臥管為1.20m×1.0m矩形斷面，比降1:2，放水臺(tái)階高0.35m，最下一臺(tái)是單孔，其余都是雙孔，孔徑0.25m，涵洞為拱形，進(jìn)口高程1104.9m。

2 放水洞及放水塔工程地質(zhì)條件

放水洞位于壩體右側(cè)，進(jìn)口高程約為1104.9m，其從壩體右側(cè)中穿過(guò)，為漿砌石洞體，洞內(nèi)砌石完好，無(wú)砼剝落及裂縫等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

目前，放水設(shè)施為臥管放水，本次除險(xiǎn)加固擬拆除毀壞嚴(yán)重地臥管，并在臥管位置設(shè)置放水塔，放水塔地基巖性為砂巖及泥頁(yè)巖，高程為1102m～1102.5m，基巖面為斜坡?tīng)睿瑥?qiáng)風(fēng)化厚度為1m～3m，建議采用砼樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)深入基巖面以下3m～5m，弱風(fēng)化砂巖地基承載力2.0MPa，泥頁(yè)巖承載力1.0MPa。

3 除險(xiǎn)加固工程建設(shè)的必要性

劉莊水庫(kù)是該縣重大的水利樞紐工程。劉莊水庫(kù)1970年由宜川縣水電局勘測(cè)，由于處于十年動(dòng)亂時(shí)，屬“三邊”工程，系民工施工，缺乏質(zhì)量監(jiān)測(cè)手段，工程質(zhì)量無(wú)法保證，也無(wú)正式檔案資料可查，使水庫(kù)投入運(yùn)行后無(wú)法正常蓄水運(yùn)行，存在較多病害和險(xiǎn)情，特別是壩坡塌岸、溢洪道失效等直接威脅著大壩安全。該壩一旦失事，將危及下游居民、田地、道路的的安全。綜上所述，該除險(xiǎn)加固工程的建設(shè)是非常必要的。在長(zhǎng)期的使用下，防水洞放水臥管右側(cè)受庫(kù)水沖刷，出現(xiàn)滑塌、沉陷、滲漏，嚴(yán)重威脅放水臥管的安全，需要對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)一步進(jìn)行完善。

4 設(shè)計(jì)徑流計(jì)算

4.1 大村水文站徑流資料

4.1.1 資料審查

對(duì)收集到的仕望河大村水文站1959年～2000年實(shí)測(cè)年徑流資料系列進(jìn)行審查，未發(fā)現(xiàn)不合理現(xiàn)象。

4.1.2 大村水文站徑流的還原計(jì)算

大村水文站1959年～1980年徑流資料的還原直接采用《延安地區(qū)水文手冊(cè)》的計(jì)算成果，1981年～2000年徑流資料還原按水資源評(píng)價(jià)細(xì)則進(jìn)行。

經(jīng)計(jì)算，大村水文站42年還原水量平均為0.03×104萬(wàn)m3，占實(shí)測(cè)年徑流量的3.8%，占天然年徑流量的3.7%。

4.1.3 大村水文站年徑流頻率計(jì)算

將還原后的徑流系列，用算術(shù)平均法求均值，用矩法求變差系數(shù)Cv，經(jīng)計(jì)算機(jī)程序計(jì)算，目估適線，大村站年徑流多年平均值為 0.807億 m3，Cv值為 0.57，Cs/Cv=3.0。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。Cv=0.57，Cs/Cv=3.0，平均值=0.807。

4.2 劉莊水庫(kù)徑流計(jì)算方法

根據(jù)流域資料的完整程度，選用水文比擬法與等值線圖法。

4.2.1 水文比擬法

劉莊水庫(kù)所在河流下游設(shè)有大村水文站，流域面積2141 km2，多年平均徑流量8070×104萬(wàn)m3，面平均雨量610mm。下式為計(jì)算劉莊水庫(kù)面平均雨量580mm時(shí)的徑流量：

式中：W劉、W參——?jiǎng)⑶f水庫(kù)、參證站多年平均年徑流量，104m3；

F劉、F參——?jiǎng)⑶f水庫(kù)、參證站控制集水面積，km2；

H劉、H參——?jiǎng)⑶f水庫(kù)、參證站面平均雨量，mm。

圖1 大村站年徑流量頻率曲線

表1 劉莊水庫(kù)設(shè)計(jì)頻率年徑流量成果表 單位：104 m3

表4 放水洞泄流能力表

圖2 放水洞泄流能力曲線

經(jīng)計(jì)算，劉莊水庫(kù)多年平均年徑流量為358×104m3。

4.2.2 等值線圖法

查“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目——《陜西省地表水資源調(diào)查評(píng)價(jià)研究》的多年平均徑流深等值線圖，劉莊水庫(kù)重心處的徑流深為35mm，則劉莊水庫(kù)多年平均年徑流量為350×104m3。

4.3 劉莊水庫(kù)年徑流成果選用

從以上2種方案的計(jì)算結(jié)果可以看出，水文比擬法和等值線圖法算得劉莊水庫(kù)設(shè)計(jì)年徑流量結(jié)果，基本一致，相差很小，說(shuō)明結(jié)果可信。由于大村水文站屬于劉莊水庫(kù)本流域站，故選用該值，即劉莊水庫(kù)壩址處多年平均年徑流量為358×104m3。

4.4 劉莊水庫(kù)設(shè)計(jì)頻率年徑流量計(jì)算

由陜西省“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目查得，劉莊水庫(kù)年徑流變差系數(shù)Cv=0.45，Cs/Cv=3.0，求得劉莊水庫(kù)設(shè)計(jì)頻率年徑流量見(jiàn)表1。

5 放水洞存在的問(wèn)題和改進(jìn)措施

由于水庫(kù)修建時(shí)期較早，施工技術(shù)、設(shè)計(jì)理念都比較落后，設(shè)計(jì)的放水洞結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。放水洞管材也主要使用混凝土管材，使用現(xiàn)場(chǎng)澆筑管承插口連接的方式進(jìn)行連接，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，出現(xiàn)了滲漏、滑塌、沉陷等問(wèn)題。

5.1 放水洞存在的問(wèn)題

（1）放水洞的浸潤(rùn)線升高導(dǎo)致滲流量變大

防水洞施工時(shí)，主要使用塑料管、鋼管、玻璃管等施工材料，為了對(duì)原放水洞的斷面進(jìn)行保留，原放水洞和套管之間的距離都很近。由于使用水泥進(jìn)行灌注施工，在凝固的過(guò)程中，水分會(huì)不斷析出，所以，灌漿的密實(shí)度都無(wú)法保證。水泥凝固后會(huì)在外管和內(nèi)管之間的孔隙形成空腔，當(dāng)水庫(kù)水位較高時(shí)，產(chǎn)生的壓力也會(huì)增加，水流會(huì)順著管道漏水位置滲入壩體。不管什么位置出現(xiàn)漏水情況，在水位壓力的影響下，滲漏點(diǎn)都會(huì)成為滲水的源頭，這些源頭會(huì)使防水洞附近壩體的浸潤(rùn)線升高。此外，在長(zhǎng)期滲水的影響下，會(huì)帶走水泥中的鈣質(zhì)溶解，并且也會(huì)因?yàn)榉礊V層差，將筑壩材料中的一些細(xì)小顆粒帶走，從而導(dǎo)致滲水量不斷增加，出現(xiàn)流土、滑坡等情況，對(duì)壩體的安全造成了較大的影響。

（2）改變了防水洞的工作狀態(tài)

由于防水洞的管道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間保持有壓狀態(tài)，在水壓荷載的長(zhǎng)期影響下，管道結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱的地方就會(huì)因疲勞而遭到破壞，一些小的滲漏都會(huì)逐漸變成大的滲漏點(diǎn)。長(zhǎng)此以往，勢(shì)必會(huì)影響放水洞的安全使用，威脅下游居民的生命、財(cái)產(chǎn)安全。

（3）土體力學(xué)指標(biāo)改變

包括土體內(nèi)摩擦角、粘聚力等所有會(huì)影響壩體穩(wěn)定性的土體力學(xué)指標(biāo)都會(huì)在飽和狀態(tài)下降低。浸潤(rùn)線被抬高后，會(huì)使一部分大壩壩體保持在飽和的狀態(tài)，會(huì)使粘聚力和內(nèi)摩擦角降低，影響大壩壩坡的穩(wěn)定。導(dǎo)致壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)降低，影響壩坡的穩(wěn)定性。通常情況下，如果土壩背水坡的坡度陡，將坡比控制在1∶2～1∶2.5。對(duì)于背水坡可能出現(xiàn)漏水點(diǎn)的放水洞，會(huì)影響壩坡的穩(wěn)定性，特別是一些安全系數(shù)不高的土壩，在抬高浸潤(rùn)線、放水管漏水的情況下，都會(huì)對(duì)壩坡區(qū)域的穩(wěn)定性造成影響。

（4）振動(dòng)問(wèn)題

放水管在運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)啟和關(guān)閉控制閘門時(shí)，水流會(huì)對(duì)放水管產(chǎn)生沖擊力，在沖擊力的影響下，會(huì)導(dǎo)致管壁和閘門的壓力增加。此外，由于壓強(qiáng)的波動(dòng)幅度大，會(huì)使管道產(chǎn)生振動(dòng)，影響管道內(nèi)管和外管灌漿材料。同時(shí)也會(huì)對(duì)管道四周的土體造成影響。長(zhǎng)此以往，會(huì)使管道四周的土體牢固度降低，導(dǎo)致管道出現(xiàn)破裂，出現(xiàn)流土安全事故。

5.2 放水洞改造設(shè)計(jì)

5.2.1 放水洞改造方案

根據(jù)徑流量的具體情況，考慮到原放水洞進(jìn)口為臥管式進(jìn)口，與溢洪道進(jìn)口重疊。當(dāng)溢洪道泄洪時(shí)，臥管無(wú)法正常啟閉，不能保證對(duì)宜川縣城的正常供水，需對(duì)放水洞進(jìn)行改造。為避免放水洞進(jìn)口與溢洪道重疊布置的情況，擬對(duì)放水洞的進(jìn)水口進(jìn)行改造。

5.2.2 進(jìn)水口改造設(shè)計(jì)

受壩前壩坡與右岸岸坡地形條件限制，原臥管進(jìn)水口不宜再改造修繕，需拆除原進(jìn)口，將其改為豎井塔式進(jìn)水口，與涵洞相連接。

（1）放水塔選型。放水塔選用圓形鋼筋砼結(jié)構(gòu)，壁厚0.5m，內(nèi)徑2.5m，塔高15.1m，設(shè)0.8m×0.8m鑄鐵閘門2個(gè)，分工作閘和檢修閘，閘門啟閉采用LQD:10kN手電兩用鏍桿啟閉機(jī)。放水塔基礎(chǔ)頂面高程為1104.9m，基礎(chǔ)底面高程為1101.05m，基礎(chǔ)采用砼澆筑，上部為C20鋼筋砼，厚1.2m，下部澆筑C10砼，最小厚度為2.0m，最大厚度為3.2m。塔頂高程1120.00m與壩頂相同，其上建有啟閉機(jī)房。

（2）進(jìn)水段設(shè)計(jì)。進(jìn)水口采用平底喇叭口，進(jìn)口段圓弧半徑1.2m；閘室段為0.8m×0.8m方型；漸變段長(zhǎng)1.0m，其上設(shè)負(fù)壓消除孔，采用φ200mm鋼管。

5.2.3 放水塔工作橋設(shè)計(jì)

在放水塔與大壩壩頂之間設(shè)一跨鋼筋砼工作橋，橋長(zhǎng)為20.0m，橋面寬1.5m，橋梁采用現(xiàn)澆C30鋼筋砼T型梁，橋一端搭在塔壁鋼筋砼牛腿上，另一端座于大壩壩頂橋臺(tái)上。

5.2.4 塔基應(yīng)力校核

（1）塔基基巖承載力確定

塔基巖石f0=2000kPa，基本值修正系數(shù)ψf=0.95，fk=1900kPa，塔基承載力設(shè)計(jì)值為f=2146kPa。

（2）塔體自重及荷載

塔體為圓形鋼筋砼結(jié)構(gòu)，外徑φ=3.5m，壁厚δ=0.5m，高H=15.1m，自重G1=2200 kN，塔上荷載F=50 kN，塔壁塔接橋自重G2=（200+180）kN。

（3）塔基應(yīng)力校核

塔基為偏心受壓結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形心偏離圓塔中心L=0.26m，△M=58kN·m，合力偏心距為：

地基承載力按Pmax（min）=（F+G）/A（1±6e/b）計(jì)算：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，受橋重的影響，塔基在最不利荷載為偏心作用力下的最小應(yīng)力為正值，沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力；最大壓應(yīng)力小于地基承載力設(shè)計(jì)值，說(shuō)明塔基設(shè)計(jì)合理，安全可靠。

5.2.5 放水洞泄流能力復(fù)核

泄流能力按堰頂水位1116.8m時(shí)，不同開(kāi)啟度條件下，孔口泄流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4及圖2。

本工程改建方案是在拆除原有放水洞進(jìn)口臥管基礎(chǔ)上加固重建進(jìn)水塔，過(guò)水能力能夠滿足灌溉等其它用水及今后發(fā)展的要求，在使用中可依據(jù)用水要求，按圖2放水洞泄流能力曲線制定閘門控制計(jì)劃。

6 放水洞進(jìn)口改造施工措施

放水洞進(jìn)口的改造需將水庫(kù)放空，在修筑圍堰后進(jìn)行。基坑內(nèi)的淤泥開(kāi)挖采用人工進(jìn)行。進(jìn)水口混凝土由0.4m3移動(dòng)式混凝土拌合站拌制，沿溜槽入倉(cāng)。卷?yè)P(yáng)式鋼閘門的安裝由10t的輪胎式吊車吊裝就位。通向放水塔的工作橋采用現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)。由于放水塔砼澆筑施工期安排在12月～1月，當(dāng)?shù)貧鉁卦?℃～-8℃之間，屬于冬季施工，應(yīng)做好冬季施工準(zhǔn)備，具體方法如下：

（1）對(duì)拌和水加熱，水溫不宜超過(guò)60℃。砼拌和前，應(yīng)用熱水對(duì)拌和機(jī)進(jìn)行沖洗，拌和時(shí)間延長(zhǎng)50%左右。

（2）各種運(yùn)輸設(shè)備，在工作結(jié)束時(shí)，必須立即用熱水將其沖洗干凈，恢復(fù)運(yùn)輸時(shí)，應(yīng)首先對(duì)運(yùn)輸設(shè)備加熱。

（3）冬季砼澆筑采用蓄熱法，蓄熱法是冬季施工中最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的措施，此法不需另外設(shè)置砼加熱設(shè)備。

（4）采用蓄熱法施工的砼模板應(yīng)為保溫模板，砼澆筑完畢應(yīng)立即將其頂面用保溫材料覆蓋。

（5）砼澆筑是在水庫(kù)河床內(nèi)進(jìn)行，應(yīng)做好防風(fēng)措施。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)早期修建的水庫(kù)經(jīng)過(guò)多年的使用，均出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的老化現(xiàn)象。在各種因素的影響下，放水洞結(jié)構(gòu)受到了破壞。對(duì)水庫(kù)的泄洪能力造成了一定的影響。本工程根據(jù)劉莊水庫(kù)的實(shí)際特點(diǎn)，將原有的放水洞進(jìn)口拆除，并對(duì)進(jìn)水塔進(jìn)行了重新加固，過(guò)水能力達(dá)到了以后的使用要求，具有一定的借鑒價(jià)值。陜西水利

[1]中華人民共和國(guó)水利部.GB502201-94防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

[2]江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.SL265-2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2011.

[3]中華人民共和國(guó)水利部.GB50288-99灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

[4]水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.SL285-2003、水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2013.