上石水庫溢洪道除險(xiǎn)整治方案研究

易松德

(宜春市袁州區(qū)飛劍潭水庫管理局，江西 宜春 336013)

1 概況

上石水庫位于宜春市袁州區(qū)遼市鎮(zhèn)上石村，屬贛江三級支流遼市河。是一座中型水庫。主要建筑物包括：大壩、溢洪道、放空及發(fā)電隧洞、西干灌溉涵管及電站等。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級。設(shè)計(jì)洪水位146.27 m，校核洪水位146.84 m，正常蓄水位144.50 m，死水位142.00 m，總庫容1261萬m3。

水庫下游有宜春市、分宜縣和新余市，并有滬昆高速鐵路、滬昆高速公路、302國道等重要交通線以及江口水庫(大型，又稱仙女湖)，地理位置十分重要。

2 溢洪道存在的主要問題及安全鑒定結(jié)論

溢洪道位于大壩左岸約70 m處，沿線走向由近東西向轉(zhuǎn)向?yàn)槟媳毕颍蛇M(jìn)水渠、控制段、泄槽段、一級消力池、挑流鼻坎和二級消力池等組成。控制段堰型為實(shí)用堰，堰頂寬35.0 m，高程144.50 m，中心軸線全長約325.6 m。溢流堰堰體為C15鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一級泄槽段全長約50.0 m，坡比為0.22。一級泄槽下設(shè)一級消力池，消力池底高程為131.00 m、寬22 m、長26 m，底板厚度為1.0 m。

一級消力池后接泄洪渠，泄洪渠分上、下兩段，中間為一跌坎。上段泄洪渠長度為66.0 m，底板高程為133.30 m，底寬25 m；下段泄洪渠長為106.0 m，寬25.0 m。

泄洪渠后接挑流鼻坎，挑流鼻坎及兩側(cè)邊墻均為C15混凝土結(jié)構(gòu)。挑流鼻坎下設(shè)二級消力池，二級消力池底板為C15混凝土結(jié)構(gòu)，長16.8 m，寬25 m。

存在的主要問題：

1)溢洪道進(jìn)口兩側(cè)邊墻存在局部破損和裂縫現(xiàn)象；進(jìn)水渠設(shè)有攔魚柵，攔魚柵銹蝕嚴(yán)重，部分結(jié)構(gòu)受重物沖撞，扭曲變形，存在阻水現(xiàn)象，對溢洪道泄洪造成安全隱患。

2)堰體、泄槽底板、挑流坎和交通橋等部位混凝土結(jié)構(gòu)老化、破損，局部存在裂縫；進(jìn)水渠左右側(cè)邊墻出現(xiàn)局部破損，裂縫等現(xiàn)象；泄洪渠上部人行便橋混凝土老化、破損、斷裂，漿砌石邊墻局部坍塌；尾部挑流坎及以下混凝土底板及邊墻表面有裂縫分布。

3)泄流流態(tài)較差，下游出口排洪渠未襯護(hù)，淘刷塌陷較嚴(yán)重，行洪時洪水出槽淹沒兩岸農(nóng)田和村莊等。

4)下游出水渠上部交通橋兩側(cè)欄桿存在破損、缺失，混凝土橋面面板破損。

5)根據(jù)本次混凝土檢測結(jié)果，溢洪道控制段堰體底板沖刷嚴(yán)重，麻面，邊墻麻面露石，局部混凝土脫落；一級泄槽底板蜂窩麻面、沖刷露石，脫殼破損面積1.20 m×1.50 m，底板混凝土多處隆起、裂縫，邊墻混凝土老化，麻面露石，局部混凝土脫落；二級泄槽右側(cè)邊坡混凝土老化，麻面。挑坎底板開裂、鼓起，錯位變形，邊墻麻面露石，局部混凝土脫落，伸縮縫均有脹開；泄洪渠底板麻面露石，沖刷、剝蝕嚴(yán)重。

3 上石水庫溢洪道除險(xiǎn)整治方案研究

現(xiàn)狀溢洪道從結(jié)構(gòu)、水力學(xué)等方面來看，存在的問題較多，如采取對現(xiàn)狀溢洪道結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，不能從根本上消除溢洪道存在的安全隱患問題，故本次除險(xiǎn)加固將溢洪道拆除重建。

根據(jù)現(xiàn)狀溢洪道布置，新建溢洪道設(shè)計(jì)初擬采用兩種方案進(jìn)行比選。

方案一：溢洪道采用兩級消能，總長度為294.77 m，堰頂高程144.50 m，寬度為35.0 m，一級泄槽段寬度從進(jìn)口處的35.0 m漸變至末端的25.00 m。一級消力池底板高程131.0 m，結(jié)構(gòu)尺寸為26.0 m×25.0 m(長×寬)。二級泄槽段寬度為25.0 m，新建的二級消力池底板高程為121.50 m，結(jié)構(gòu)尺寸為20.0 m×25.0 m。一級消力池與二級泄槽進(jìn)口設(shè)泄洪渠，分上下兩段，長度分別為66.0 m和70.12 m，寬度均為25.0 m。渠底高程分別為133.30 m和132.50 m，之間設(shè)跌坎銜接。

方案二：溢洪道采用一級消能，總長度為124.67 m，堰頂高程為144.50 m，寬度為35.0 m，泄槽段寬度從進(jìn)口處的35.0 m漸變至末端的15.00 m。消力池底板高程為121.50 m，結(jié)構(gòu)尺寸為27.0 m×15.0 m(長×寬)。消力池下游設(shè)出水渠，出水渠長184.11 m，寬15.0 m。渠底高程為121.50 m，出口與排洪渠銜接。

兩個方案比選如下：

①方案一和方案二均可以滿足溢洪道的水力學(xué)及結(jié)構(gòu)計(jì)算要求。

②從造價(jià)方面比較，方案一相比方案二投資節(jié)省260.2 萬元。

③方案一開挖量較少，對溢洪道兩岸的影響最小，方案二開挖量較大，開挖時會占用一部分道路的位置，涉及防汛道路改道以及拆遷占地等，對兩岸的影響較大。

綜上所述，方案一投資較少，對周邊影響較小，且可以滿足溢洪道的功能需要。本次加固推薦方案一作為溢洪道加固方案。

4 上石水庫溢洪道除險(xiǎn)整治工程布置

(1)進(jìn)水渠

進(jìn)水渠左、右岸坡上部為殘坡積粉質(zhì)粘土，黃色，可塑-硬塑狀態(tài)，土質(zhì)均勻；下部巖性為強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)砂巖，灰黃色，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育。左側(cè)岸坡較陡，坡比約為1∶1.0，右側(cè)岸坡較緩，坡比約為1∶2.0。渠底末段(樁號Y0-010～Y0+000)基礎(chǔ)為弱風(fēng)化鈣質(zhì)砂巖，巖體較完整，具弱透水性?，F(xiàn)狀右岸邊坡局部為混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，左側(cè)未進(jìn)行襯護(hù)。右岸混凝土護(hù)坡碳化嚴(yán)重，局部存在破損和裂縫等現(xiàn)象，渠底為粉質(zhì)粘土。

根據(jù)兩岸地形、現(xiàn)狀及地質(zhì)情況，將右側(cè)混凝土預(yù)制塊護(hù)坡拆除，兩岸均采用衡重式擋墻進(jìn)行加固，擋墻頂部高程為147.00 m，擋墻底部高程為142.00 m，高度為5.0 m，頂部寬度為0.5 m，混凝土強(qiáng)度等級為C25。擋墻上按2.0 m×2.0 m的間、排距設(shè)PVC排水管，管徑50 mm。

進(jìn)水渠渠底采用C25現(xiàn)澆混凝土護(hù)底，厚0.4 m，下設(shè)10 cm厚C10混凝土墊層，渠底寬度為35 m。因前段(樁號Y0-075～Y0-015)渠底現(xiàn)狀高程基本在142.00 m左右，襯砌后的渠底高程仍為142.00 m。渠底末段(樁號Y0-010～Y0+000)襯砌后的底板高程為143.00 m。中間(樁號Y0-015～Y0-010段)采用1∶5.0的斜坡進(jìn)行銜接。

因攔魚柵銹蝕嚴(yán)重，部分結(jié)構(gòu)受扭曲變形，存在阻水現(xiàn)象，影響行洪，對溢洪道泄洪造成安全隱患，將其拆除。

(2)控制段

控制段(樁號Y0+000～Y0+006)基礎(chǔ)為弱風(fēng)化鈣質(zhì)砂巖，巖體較完整，具弱透水性。

本次加固將原溢流堰拆除重建，新建溢流堰為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級為C25，結(jié)構(gòu)尺寸同原溢流堰。溢流堰頂寬35.0 m，頂高程144.50 m，底高程141.50 m，堰體上、下游底部設(shè)齒墻，齒墻深1.50 m，寬0.75 m，堰體采用 WES曲線，堰體上游鉛直。控制段邊墻采用C25砼衡重式擋墻，墻頂高程148.00 m，墻高6.5 m，頂寬0.5 m。擋墻設(shè)直徑50 mmPVC排水管，排水管孔距、排距均為2.0 m。

(3)泄槽段

泄槽段(樁號Y0+005.44～Y0+055.44)總長度為50.00 m，底板寬度從35 m漸變至25.0 m，坡率為1∶0.22，泄槽段兩側(cè)邊墻為衡重式擋墻，墻頂高程為144.87 m，高度為3.0 m，頂部寬度為0.5 m，混凝土強(qiáng)度等級為C25。擋墻墻面設(shè)置一排PVC排水管，間距2.0 m，管徑50 mm。底板和擋墻沿縱向分為5段，每段長度為10.0 m，縫內(nèi)設(shè)銅片止水，縫內(nèi)采用閉孔泡沫板填充；混凝土底板厚0.6 m，混凝土底板中部設(shè)一條縱向縫，縫內(nèi)設(shè)銅片止水，縫內(nèi)采用閉孔泡沫板填充。

(4)一級消力池段

一級消力池(樁號Y0+055.44～Y0+081.44)池長26.0 m，池深2.3 m，底板寬25.0 m、厚1.0 m，底板上、下游端部設(shè)齒墻，齒墻深1.0 m、寬1.0 m。消力池底板設(shè)直徑50 mmPVC排水管，排水管孔距、排距均為3.0 m。消力池兩側(cè)設(shè)25砼衡重式擋墻，邊墻設(shè)計(jì)高度取5.5 m。墻頂高程135.00 m，頂寬0.5 m。擋墻墻面設(shè)置一排PVC排水管，間距2.0 m，管徑50 mm。

(5)泄洪渠

泄洪渠總長度為136.12 m，寬度為25.0 m，分上、下兩段，中間設(shè)一跌坎。上段(樁號Y0+81.44～Y0+147.44)總長度為66.00 m，底板頂高程為133.30 m，底板厚0.5 m，采用C25混凝土護(hù)底。兩側(cè)邊墻設(shè)計(jì)高度取為4.0 m。墻頂高程為137.30 m，頂部寬度為0.5 m。擋墻墻面設(shè)置一排PVC排水管，間距2.0 m，管徑50 mm。跌坎(樁號Y0+147.44～Y0+149.44)長度為2.0 m，落差為0.8 m，底坡坡比為1∶2.6，采用C25混凝土護(hù)底，底板厚0.4 m。下段(樁號Y0+149.44～Y0+219.56)總長度為70.12 m，底板頂高程為132.50 m，底板厚0.5 m，采用C25混凝土護(hù)底。兩側(cè)邊墻設(shè)計(jì)高度取為3.5 m。墻頂高程為136.50 m，頂部寬度為0.5 m。擋墻墻面設(shè)置一排PVC排水管，間距2.0 m，管徑50 mm。

(6)二級泄槽段

二級泄槽段(樁號Y0+219.56～Y0+274.77)總長度為55.2 m，底板寬度為25.0 m，坡率為1∶0.20，二級泄槽段兩側(cè)邊墻為衡重式擋墻，高3.5 m，頂寬0.5 m，混凝土強(qiáng)度等級為C25。擋墻墻面設(shè)置一排PVC排水管，間距2.0 m，管徑50 mm。底板和擋墻沿縱向分為5段，每段長度為11.0 m，縫內(nèi)設(shè)銅片止水，縫內(nèi)采用閉孔泡沫板填充；混凝土底板厚0.6 m，混凝土底板中部設(shè)一條縱向縫，縫內(nèi)設(shè)銅片止水，縫內(nèi)采用閉孔泡沫板填充[1]。

(7)二級消力池段

二級消力池(樁號Y0+274.77～Y0+294.77)池長20.0 m，池深2.0 m，寬25.0 m、底板厚度1.0 m，底板上、下游端部設(shè)有齒墻，齒墻深1.0 m、寬1.0 m。消力池底板面按3.0 m×3.0 m的孔、排距設(shè)排水孔，排水孔孔徑50 mm。

二級消力池兩側(cè)設(shè)C25砼衡重式擋墻，擋墻設(shè)計(jì)高度5.5 m。墻頂高程125.50 m，頂寬0.5 m。擋墻墻面設(shè)置一排PVC排水管，間距2.0 m，管徑50 mm。

5 上石水庫溢洪道除險(xiǎn)整治方案相關(guān)計(jì)算

5.1 水力計(jì)算

5.1.1 過流能力計(jì)算

溢流堰為實(shí)用堰，堰頂高程144.50 m，堰頂寬35.00 m，過流能力計(jì)算[2]結(jié)果見表1。

表1 泄流能力計(jì)算成果表

5.1.2 水面線計(jì)算

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，校核洪水位工況，下泄流量248.0 m3/s，采用分段求和法進(jìn)行水面線計(jì)算，根據(jù)水面線計(jì)算[3]結(jié)果以及加上安全超高，最終確定一級泄槽邊墻高度3.0 m，泄洪渠上段和下段邊墻高度4.0 m，二級泄槽段邊墻高度3.5 m。

5.1.3 消力池消能防沖計(jì)算

溢洪道為3級建筑物，消力池消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇洪水，相應(yīng)的下泄流量為104 m3/s,經(jīng)過計(jì)算確定，一級消力池池長26.0 m，池深2.3 m；二級消力池池長20.0 m，池深2.0 m[4]。

5.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

1)計(jì)算斷面

根據(jù)有關(guān)資料及本次地勘情況，控制段堰體頂高程144.50 m，底高程142.0 m，堰體長5.44 m，寬35 m，為開敞式實(shí)用堰，堰體座落在弱風(fēng)化鈣質(zhì)砂巖夾炭質(zhì)頁巖基礎(chǔ)上。

2)計(jì)算工況及荷載組合

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，溢洪道控制段計(jì)算工況與荷載組合表見表2[5]。

表2 控制段堰體抗滑穩(wěn)定計(jì)算及荷載組合表

3)計(jì)算參數(shù)

溢洪道控制段基礎(chǔ)為弱風(fēng)化鈣質(zhì)砂巖夾炭質(zhì)頁巖，堰體基礎(chǔ)和地基巖體接觸面抗剪斷摩擦系數(shù)f’=0.75，堰體基底面與地基間抗剪斷粘結(jié)力c’=0.45 MPa，基礎(chǔ)允許承載力取800 kPa。

4)計(jì)算結(jié)果

由表3可知，控制段堰體抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表3 控制段堰體抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果表

6 結(jié)語

溢洪道是水利樞紐工程中的重要泄水建筑物，其除險(xiǎn)整治方案是否合理決定了整個水庫樞紐建筑物的安全與否，本文結(jié)合多年來中小型水庫溢洪道的除險(xiǎn)整治經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了一套完整的溢洪道除險(xiǎn)整治方案，為今后從事水工設(shè)計(jì)工作的設(shè)計(jì)人員給予借鑒。