江西新建水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)淺析

羅紅兵

（江西省南昌縣象湖聯(lián)圩管理站，江西 南昌 330200）

0 引言

水庫(kù)作為一項(xiàng)重要的民生措施，其安全性尤為重要[1～2]。上世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)修建了較多的水庫(kù)，用以解決灌溉、洪澇等問(wèn)題[3～5]。大多數(shù)年代久遠(yuǎn)的水庫(kù)由于建設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)不規(guī)范等原因，其安全性下降[6～8]。針對(duì)這種水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固工程處理是十分必要的[9～10]。本文以新建水庫(kù)為例，對(duì)小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

新建水庫(kù)建于1959 年，設(shè)計(jì)灌溉面積1200 畝，是?。?）型水庫(kù)工程，建成至今，為保護(hù)大壩安全，于2005 年對(duì)該水庫(kù)大壩進(jìn)行培土加固并襯砌加固了溢洪道。設(shè)計(jì)校核洪水位22.75 m，總庫(kù)容為24.18×104m3。死水位18.43 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容0.19×104m3；正常蓄水位21.99 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容18.53×104m3；設(shè)計(jì)洪水位為22.52 m，相應(yīng)庫(kù)容為22.15×104m3。現(xiàn)狀壩基及兩壩肩存在接觸滲漏，加固前滲流量為1.05 m3/（d·m）。

大壩為均質(zhì)土壩，壩頂長(zhǎng)186.00 m，高程22.93 m～23.71 m，最大壩高5.4 m，壩頂寬3.5 m～5.2 m。上游坡比1∶3～1∶3.8，下游坡比1∶2.5～1∶3.3。無(wú)護(hù)坡和反濾排水設(shè)施。溢洪道在大壩左側(cè)山體中開(kāi)挖而成，控制段為寬頂堰。進(jìn)口底板高程為21.99 m，明渠寬2.50 m，長(zhǎng)21.3 m，底板坡度為0.029。壩下涵管位于大壩右側(cè)壩體內(nèi)，斜臥管坐落在左側(cè)壩坡上；涵管型式為砼預(yù)制圓管，直徑0.50 m，壁厚0.2 m，壩下涵管全長(zhǎng)36.5 m。涵管進(jìn)、出口底板高程18.43 m、17.93 m，進(jìn)口設(shè)斜臥管控制放水。

由于水庫(kù)滲漏情況較為嚴(yán)重，壩體缺少護(hù)坡及反濾措施，現(xiàn)狀水庫(kù)安全系數(shù)較低，因此，需要進(jìn)行加固處理。

1 水庫(kù)、流域特征參數(shù)

（1）水庫(kù)流域特征參數(shù)

水庫(kù)流域特征參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水庫(kù)流域特征參數(shù)復(fù)核表

（2）水庫(kù)水位～庫(kù)容、面積關(guān)系復(fù)核

繪制庫(kù)容曲線(xiàn)圖，見(jiàn)圖1，20.43 m 高程以下采用原有死庫(kù)容數(shù)據(jù)推出，水位～面積曲線(xiàn)列表見(jiàn)表2。

圖1 水位～庫(kù)容、面積曲線(xiàn)圖

表2 水庫(kù)水位～庫(kù)容、面積關(guān)系表

2 新建水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

2.1 大壩出險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

2.1.1 高程復(fù)核

壩頂高程復(fù)核計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 壩頂高程安全復(fù)核表

現(xiàn)狀壩頂局部高程基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需的高程要求，加固壩頂高程取23.72 m。

2.1.2 大壩加固方案

（1）壩頂整治設(shè)計(jì)方案

水庫(kù)現(xiàn)狀壩頂均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需的高程要求，將壩頂高程修整為23.72 m，寬度修整為4.5 m；壩頂采用C20 砼結(jié)構(gòu)路面。

（2）壩坡整治設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)狀壩坡基本穩(wěn)定，但壩頂寬度寬窄不均，大壩結(jié)合現(xiàn)狀壩坡上游按1∶2.5、下游按1∶2.25 進(jìn)行草皮護(hù)坡。

（3）防滲加固設(shè)計(jì)方案

大壩為均質(zhì)壩，現(xiàn)狀壩基、壩腳滲漏嚴(yán)重，需進(jìn)行防滲處理，采用沖抓套井回填黏土心墻對(duì)壩體、壩基及兩壩肩進(jìn)行防滲加固處理?；靥钔亮弦鬂B透系數(shù)小于1×10-5cm/s，并且有較好的塑性和滲透穩(wěn)定性，含水量控制在20%～30%左右，粘粒含量為35%～50%，粘土的設(shè)計(jì)干密度要大于土體天然干密度的1.02～1.12 倍并且不小于1.5 g/cm3，粘聚力19 kPa，內(nèi)摩擦角18°。

沖抓套井鉆孔排數(shù)由防滲有效厚度T 確定:

式中：T 為防滲墻有效厚度；H 為設(shè)計(jì)水頭，H=3 m；J允許為允許滲透比降，取 J允許=5。

則需防滲有效厚度T=0.6 m，選用一排，孔距0.78 m，有效厚度為0.78 m，鉆孔孔深嵌入壩基覆蓋層不小于1.5 m。

根據(jù)壩體工程地質(zhì)條件和險(xiǎn)情，采取治理措施后壩體穩(wěn)定性和水庫(kù)滲流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4～表5。

表4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表5 滲流數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

從以上結(jié)果可以看出，加固工程前，設(shè)計(jì)洪水位條件下，水平出逸坡降為0.78，水庫(kù)滲漏量達(dá)1.05 m3/(d·m)；除險(xiǎn)加固工程完成后，水平出逸坡降為0.04，滲漏量為0.30 m3/(d·m)。說(shuō)明防滲措施可解決大壩滲漏問(wèn)題。

（4）大壩下游反濾設(shè)計(jì)方案

原大壩下游壩腳未設(shè)排水體，新建貼坡式排水反濾，根據(jù)設(shè)計(jì)導(dǎo)則，貼坡排水體頂高程為19.63 m，用塊石、碎石、中砂分層筑成，中砂層厚0.2 m，碎石層厚0.2 m，上部干砌石厚0.4 m。

（5）上、下游護(hù)坡加固設(shè)計(jì)方案

水庫(kù)大壩現(xiàn)狀上、下游均未護(hù)坡，上游坡采用砼預(yù)制坡護(hù)坡，下游采用草皮護(hù)坡。

護(hù)坡方案采用兩種方案擇優(yōu)選?。?/p>

①干砌塊石護(hù)坡（方案Ⅰ）

砌石護(hù)坡厚度按下式計(jì)算：

式中：D 為石塊換算球形直徑；Kt為與坡率相關(guān)系數(shù)，查表取值1.3；ρk、ρw為塊石、水密度；m 為坡度；hp為設(shè)計(jì)波浪高度（累積頻率為5%）；t 為護(hù)坡厚度。

計(jì)算得D=0.21 m，t=0.15 m，取干砌塊石護(hù)坡厚度為0.3 m，護(hù)坡下砂礫石墊層厚0.10 m。

②砼預(yù)制塊護(hù)坡（方案Ⅱ）

方案Ⅱ?yàn)镃15 砼預(yù)制塊（正六邊形，邊長(zhǎng)0.3 m）護(hù)坡，預(yù)制砼護(hù)坡板厚為：

式中：η 為系數(shù)，取 η=1.1；b 為沿護(hù)坡板向長(zhǎng)度，取 0.52 m；ρc為板的密度，取 ρc=2.4 t/m3；ρw為水的密度，取 ρw=1.0 t/m3；hp為累積頻率為 0.5%的波高，hp＝0.438 m；Lm為平均波長(zhǎng)，Lm＝5.57 m；m 為護(hù)坡坡率，m=2.50。

經(jīng)計(jì)算，砼預(yù)制塊護(hù)坡板厚t=0.06 m，取砼預(yù)制塊護(hù)坡板厚0.10 m，板下設(shè)置0.10 m 厚砂卵石混合墊層。

③方案比較

以面積1 m2進(jìn)行兩方案工程量及造價(jià)比較，結(jié)果列于表6。

表6 兩方案工程量及造價(jià)比較表

從表6 中比較結(jié)果可知，砼預(yù)制塊護(hù)坡（方案Ⅱ）比干砌塊石護(hù)坡（方案Ⅰ）多投資15.23 元/m2。但方案Ⅱ比方案Ⅰ施工干擾少，質(zhì)量更容易控制，外形美觀(guān)，本次加固設(shè)計(jì)選取方案Ⅱ?yàn)榇髩紊嫌巫o(hù)坡方案。

④砼預(yù)制塊護(hù)坡布置

本次設(shè)計(jì)結(jié)合大壩邊坡放緩，使大壩斷面規(guī)范平整。設(shè)計(jì)將壩坡雜草進(jìn)行全面清除，填土培厚，然后對(duì)壩體進(jìn)行培坡，使其符合設(shè)計(jì)要求的坡比，并夯實(shí)坡面，在護(hù)坡坡腳及與兩岸岸坡相接處均設(shè)置阻滑齒槽，護(hù)坡坡腳齒墻尺寸為頂寬0.5 m、高1.0 m、底寬0.7 m，采用現(xiàn)澆C20 砼結(jié)構(gòu)，待齒砼強(qiáng)度滿(mǎn)足要求后，整個(gè)壩面鋪筑0.1 m 厚砂礫石混合墊層，并夯實(shí)緊密。然后采用C15 砼預(yù)制塊進(jìn)行護(hù)坡，護(hù)坡上限至校核洪水位，下限至壩腳，兩側(cè)護(hù)至兩岸壩肩與岸坡相接。

⑤壩頂構(gòu)造設(shè)計(jì)

由于壩頂高低不平，根據(jù)壩頂現(xiàn)狀將壩頂高程統(tǒng)一為23.72 m。壩頂寬4.5 m，為改善交通條件，壩頂鋪設(shè)C20 砼路面，向上游側(cè)設(shè)2%的橫坡排水。

2.2 灌溉建筑物除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

根據(jù)涵管現(xiàn)狀存在的問(wèn)題，灌溉涵管為預(yù)制砼圓管，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿(mǎn)足要求，管內(nèi)淤堵嚴(yán)重。壩下涵管主要為下游農(nóng)田灌溉，所以加固涵管是本次除險(xiǎn)加固重點(diǎn)項(xiàng)目之一。

本次加固設(shè)計(jì)對(duì)涵管采用開(kāi)挖重建，斜臥管拆除重建。

為方便與壩下涵管連接，擬定灌溉涵管進(jìn)口段為矩形斷面，涵管總長(zhǎng)36 m，內(nèi)空尺寸為0.6 m×0.8 m，壁厚25 cm，底部10 cm 厚C15 砼墊層，采用現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)，并設(shè)2 道截水環(huán)，截水環(huán)頂厚取0.4 m，環(huán)高取0.5 m。

斜臥管沿壩坡布置，坡度為1∶2.5，頂高程為22.94 m，級(jí)差0.4 m，臺(tái)階寬1.0 m，放水孔徑?300。

2.3 溢洪道除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

2.3.1 布置方案

現(xiàn)狀溢洪道進(jìn)口底板高程為21.99 m，明渠寬2.5 m，長(zhǎng)21.3 m，底板坡度為0.023，現(xiàn)狀溢洪道無(wú)護(hù)砌，兩側(cè)邊坡穩(wěn)定性一般，溢洪道無(wú)泄槽段、消力池及尾水渠，控制段砼邊墻、底板均老化；陡槽段砼邊墻、底板均老化，尾部無(wú)消能設(shè)施。溢洪道除險(xiǎn)加固的主要任務(wù)是對(duì)溢洪道拆除拓寬重建，疏通退水渠。

溢洪道堰頂高程為21.99 m，泄流寬度為3.5 m，長(zhǎng)5 m，滿(mǎn)足防洪標(biāo)準(zhǔn)要求。溢流堰為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，陡槽段長(zhǎng)38.0 m，底坡i=0.05。邊墻、底板分別為C20 砼結(jié)構(gòu)、C25 鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

2.3.2 泄流能力計(jì)算

采用寬頂堰計(jì)算公式，堰頂高程為21.99 m，溢流寬度為3.5 m。按有關(guān)計(jì)算公式得Q～Z 水位流量關(guān)系見(jiàn)表7。

表7 溢洪道水位流量關(guān)系表

溢流堰后接長(zhǎng)38.0 m，寬3.5 m 的陡槽段，底坡i=0.05，其糙率系數(shù)n 均取0.015。

（1）泄槽首端端面計(jì)算的臨界水深計(jì)算

起始計(jì)算斷面定在堰下收縮斷面，h1=0.60 m。

（2）邊墻高度計(jì)算

以0 樁號(hào)（溢流堰末端）為陡槽起點(diǎn)，相應(yīng)水深為收縮斷面水深，推算出沿水流方向各斷面的水深。邊墻高度根據(jù)計(jì)算摻氣水深加0.5 m 超高確定，見(jiàn)表8 中邊墻高。

表8 泄槽邊墻高計(jì)算表

由以上計(jì)算表可知，陡槽所需最大墻高為1.24 m，最小墻高為0.87 m，為安全起見(jiàn)，陡槽段起點(diǎn)取1.6 m，末端取1.25 m。

2.3.3 消能設(shè)計(jì)

消力池位于陡槽末端，設(shè)計(jì)下泄流量按50 年一遇3.8 m3/s。采用底流消能，根據(jù)前節(jié)所用方法計(jì)算出陡槽出口h1=0.35 m，V1=5.43 m/s。

取陡槽出口h1、V1為消力池進(jìn)口計(jì)算水深。則共軛水深h2可用下式：

式中：Fr1為收縮斷面弗氏數(shù)；h1為收縮斷面水深，h1=0.35 m；V1為收縮斷面，V1=5.43 m/s。

經(jīng)計(jì)算，h2=1.12 m。

消力池長(zhǎng) Lk=0.8×6.9×（h2-h1）=5.17 m，取 LK=6.5 m。

消力池深：

式中：d 為池深；δ 為水躍淹沒(méi)度，δ=1.05；h2為躍后水深，h2=1.12 m；ht為下游水深，ht=0.49 m；ΔZ 為出池落差；Q 為流量，Q=3.8 m3/s；b 為池寬，b=3.5 m；φ 為流速系數(shù)，φ=0.95。

經(jīng)計(jì)算d=0.61 m，取d=0.7 m。

3 結(jié)論

結(jié)合新建水庫(kù)特征，研究小型水庫(kù)加固工程設(shè)計(jì)。采用沖抓套井進(jìn)行壩體防滲處理，采用砼預(yù)制塊護(hù)坡對(duì)壩體邊坡進(jìn)行加固；采用拆除重建涵管、斜臥管作為灌溉建筑物加固方法；采用拆除拓寬重建溢洪道的方式改善水力條件，并進(jìn)行消力池設(shè)計(jì)。