中山市長江水庫溢洪道結(jié)構(gòu)安全評價

蘇藝明

（中山市水庫水電工程管理中心，廣東 中山 528400）

溢洪道作為水庫泄洪建筑的重要組成部分，在洪水防御方面起重要作用，其主要作用在于及時容納常規(guī)庫容難以容納的多余洪水，以保證大壩的整體安全，結(jié)構(gòu)主要以開敞式為主[1]。溢洪道的工作概率較小，但仍是水庫防洪建筑中最關(guān)鍵的建筑物之一。根據(jù)泄洪標(biāo)準對其進行劃分，可分為正常與非常溢洪道，兩者分別起宣泄常規(guī)洪水與宣泄非常洪水的作用[2]。按照建設(shè)位置的不同，又可具體劃分為岸邊溢洪道與河床溢洪道等[3]。中山市長江水庫溢洪道初建時間久遠，距今已有40余年，其建筑本身的結(jié)構(gòu)安全性有可能受到影響?；诖耍撐奶岢隽艘环N對中山市長江水庫溢洪道進行結(jié)構(gòu)安全評價的方法。

1 中山市長江水庫溢洪道工程概況

1.1 整體建筑情況

該溢洪道最初建于1978年，主要按照100年遇到一次洪水設(shè)計，1000年一遇洪水校核標(biāo)準進行建設(shè)，主要為敞開式建筑。該工程為中型水庫，工程等級Ⅲ等，溢洪道為主要建筑物，建筑物級別為 3級。該工程主要的施工地基為原山石土，密度較好，石質(zhì)堅硬且全部以挖方的形式進行施工建設(shè)。溢洪道整體為喇叭口狀進行設(shè)計，使其起到匯水與導(dǎo)流的作用，并以直立式漿砌石擋土墻進加固。陡坡處使用0.5m厚度的漿砌石進行堆砌，混凝土護面為170號，厚度約為200mm，在堆砌底板處每間隔10m左右便設(shè)置一道反濾溝（橫向），從而達到減少滲透壓力的作用；邊墻處主要使用50號漿砌石進行堆砌，消力池底板板面建材厚度為600mm；海漫由50號漿砌石堆砌，整體厚度約為500mm，在海漫尾端設(shè)置齒墻。該建筑由于建筑年限距今已有40余年，受到風(fēng)力侵蝕、溫差變化以及水力沖刷等的影響導(dǎo)致其建筑穩(wěn)定性受到影響，并且該建筑已進行多次洪水的宣泄作業(yè)，其溢洪道的正常作業(yè)能力受到了一定影響，同時，由于受到地面沉降的影響，溢洪道邊墻的高度與整體的結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性有待考核。整體上，該建筑的溢洪道存在一定的安全隱患，需要對其進行系統(tǒng)性的安全性校驗。

1.2 工程現(xiàn)狀與存在問題

泄槽邊墻處以及進口的翼墻處有多條明顯裂縫，初步檢測可能由于翼墻處的混凝土結(jié)構(gòu)過于松散導(dǎo)致。由于溢洪道運行時間久遠，周邊的漿砌石結(jié)構(gòu)不緊密，導(dǎo)致泄槽邊墻處以及進口的翼墻出現(xiàn)幾處明顯裂縫，上述裂縫的走向主要為由東至西且存在裂縫面積逐漸增加的趨勢，在外力作用的影響下，未來有可能對該溢洪道邊墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。具體的，有3條較寬的裂縫位于溢洪道的右端側(cè)翼墻處，總體寬度在2 mm～5 mm，長度整體達到3.4m；有1條較細裂縫位于溢洪道的流面處，寬度約為2mm，總長為19.6m。同時，有一處非連通式豎向裂縫，其長度小于1 m，寬度為2mm左右。其形成原因是周邊的漿砌石結(jié)構(gòu)不緊密導(dǎo)致。在溢洪道的入口段存在幾處走向為由東至西的裂縫，該裂縫在雨季對入口段溢洪道的洪水匯集能力產(chǎn)生了影響，并且導(dǎo)致洪水滲漏，使周邊建筑的穩(wěn)定性受到了影響?？刂贫斡捎谄浠炷撩芏容^入口段更高，所以此處出現(xiàn)的顯性裂縫較少，整體上不存在較嚴重的建筑安全問題，而溢洪道的出口段由于長期受到來自控制段所排入洪水的沖刷，導(dǎo)致周圍出現(xiàn)多處由于水力侵蝕而造成的裂縫，降低了出口段的排水能力。

泄槽的邊墻處經(jīng)檢查還存在多處裂縫的修補痕跡。其原始裂縫主要為由晝夜、季節(jié)溫差導(dǎo)致的收縮式裂縫，對整體溢洪道結(jié)構(gòu)的影響程度不大。在該道的進口處其混凝土護坦方有一處明顯裂痕，裂痕長約5m，寬約1mm，其主要產(chǎn)生原因可能是地面沉降，裂縫存在面積逐漸增加的趨勢。此外，由于地面沉降作用，導(dǎo)致泄槽處的地面存在凹凸不平的現(xiàn)象，并且部分凹面存在較多積水，在雨季時，積水現(xiàn)象更加嚴重，對泄槽部分的排水能力產(chǎn)生影響。

2 溢洪道結(jié)構(gòu)安全評價過程

水庫溢洪道是一個復(fù)雜的建筑系統(tǒng)，由多個具有不同功能的建筑物構(gòu)成，因此對溢洪道的結(jié)構(gòu)安全進行評價時，要著重對關(guān)鍵部位的安全情況進行檢查。該文中，根據(jù)各部分建筑對溢洪道結(jié)構(gòu)安全的影響程度以及泄洪能力的重要性，分別從溢洪道進口段邊墻高度復(fù)核、溢洪道控制段頂部高程復(fù)核、溢洪道泄槽段邊墻高度復(fù)核、溢洪道消能防沖計算、溢洪道邊墻結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定復(fù)核共5個溢洪道關(guān)鍵建筑部位的復(fù)核結(jié)果對溢洪道的結(jié)構(gòu)安全進行評價。

2.1 溢洪道進口段邊墻高度復(fù)核

溢洪道進口段是宣泄洪水的建筑基礎(chǔ)，在出現(xiàn)非常洪水時，其首先進入進口段，進口段的邊墻對洪水具有引導(dǎo)與順延作用，當(dāng)高度不符合標(biāo)準要求時，造成洪水溢出漫過邊墻，威脅大壩的安全運行。此外，在溢洪道進行排水作業(yè)時，入口段對洪水的匯聚能力是控制端與排出段溢洪道起作用的基礎(chǔ)，只有溢洪道入口段的邊墻符合高度要求時，才能保證溢洪道整體的正常作業(yè)能力。因此，對溢洪道進口段邊墻的高度進行測算與核驗是溢洪道結(jié)構(gòu)安全評價的首要工程。本次研究，按照相關(guān)水文的核實結(jié)果，根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL 250-2018）第3.2.5條標(biāo)準規(guī)定，溢洪道的進口邊墻頂?shù)目傮w高度應(yīng)大于進行泄洪時的最高水位。經(jīng)測定，溢洪道進口邊墻處的最低高度為30.53m，較進行泄洪時出現(xiàn)的最高水位29.67m顯著更高，因此，進口段邊墻的整體高度滿足相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準。

2.2 溢洪道控制段頂部高程復(fù)核

溢洪道控制段是對進口段所進入洪水進行引流與控制的主要建筑段。非常洪水在進行排放時，由入口段進入控制段進行匯流，在對洪水的流速、水壓進行控制后，引導(dǎo)其從出口段進行排出?？刂贫嗽谝绾榈赖?段結(jié)構(gòu)中，其構(gòu)造最復(fù)雜，起承上起下的作用，洪水進入控制端后，需要經(jīng)過該段口的消力與混流作用，使入口段的水壓與水流符合溢洪道排水的作業(yè)標(biāo)準?？刂贫蔚倪厜﹂L度較進口段更長，以起到對洪水形成堰流作用，當(dāng)溢洪道控制段的頂部高程與標(biāo)準高程相差較遠時，會導(dǎo)致控制段對洪水的引流作用大幅度降低，洪水有可能溢出邊墻，威脅閘墩與周圍相關(guān)設(shè)施的正常運行。本次研究根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL 250-2018）第3.3.9條規(guī)定，溢洪道的控制段其閘墩與周邊墻頂?shù)母叨葢?yīng)高于校核標(biāo)準洪水位累加安全最大值的要求。本溢洪道在進行泄洪操作時的安全加高取0.3m，因此得到該道控制段邊墻的最小高度為30m，其符合校核洪水位累加安全最大值的要求。因此，溢洪道控制段頂部高程滿足規(guī)范要求。

2.3 溢洪道泄槽段邊墻高度復(fù)核

溢洪道泄槽段主要起排出洪水的作用，其主要工作機理是對控制段洪水形成的堰流進行宣泄，將其洪水宣泄至溢洪道消力池，若泄槽段的邊墻高度與標(biāo)準不符合，則會導(dǎo)致控制段洪水漫過泄槽段邊墻，對下游建筑物進行沖刷。適當(dāng)?shù)倪厜Ω叨炔粌H可以增強泄洪道對洪水的排放能力，還能保證在雨季溢洪道能夠穩(wěn)定、持續(xù)進行泄洪作業(yè)。隨著建筑使用年限的增加，泄槽控制段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與排水能力受到影響，并且由于地面沉降作用對邊墻地基的影響，導(dǎo)致邊墻高度隨著建筑物作業(yè)年限的增加，其自身高度有所下降，并在有可能使原本符合建筑標(biāo)準要求的邊墻高度低于規(guī)定標(biāo)準值。基于此，對溢洪道泄槽段的邊墻高度進行復(fù)核。

泄槽段水流摻氣水深根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL 250-2018）中相關(guān)公式計算，如公式（1）所示。

公式（1）中，h、hb代表泄槽計算斷面的水深及摻氣后的水深，單位為m；v代表不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速單位為m/s；?代表修正系數(shù)，取值為1.0s/m～1.4s/m，流速大者取大值。

溢洪道泄槽上游處與寬頂堰相連接，泄槽段開始所計算的斷面位置定在泄槽的首部，計算水深為h，取泄槽首部的斷面進行計算時的摻氣后水深為hb。下泄流量相較上泄流量而言，其總量更大，流速也更快，因此該工程在參考摻氣水深的前提下，對泄槽周邊墻體的高度進行復(fù)核時，在采用校核水位水面線的基礎(chǔ)上再增加0.5m～1.5m的預(yù)計安全超高，其具體計算方式如公式（2）所示。

公式（2）中，h代表不摻氣水深，單位為m；v代表斷面評價流速，單位為m/s。由此得到溢洪道泄槽段邊墻高度復(fù)核結(jié)果，如表1所示。

表1 溢洪道泄槽段邊墻高度復(fù)核結(jié)果（P=0.05）

結(jié)果顯示，各斷面現(xiàn)狀邊墻高度均顯著高于計算邊墻高度，其中，斷面9-9的現(xiàn)狀邊墻高度較計算邊墻高度高出4.06m，由此表明泄槽邊墻高度滿足要求。

2.4 溢洪道消能防沖計算

該溢洪道的消能防沖功能主要以底流消能為主，其是最常見的消能方式之一。主要原理是通過泄槽段將上游所宣泄的洪水在出口處產(chǎn)生水躍，使水流流態(tài)發(fā)生變化并使其能量耗散，水流之間產(chǎn)生強烈的紊動作用，使部分動能轉(zhuǎn)化為熱能，達到消減動能的目的，保障水庫大壩的安全運行。溢洪道在長期使用后，由于受到水力侵蝕與風(fēng)蝕等外力作用，導(dǎo)致自身的建筑結(jié)構(gòu)工作效能降低，消能沖防能力有所下降，進而影響溢洪道結(jié)構(gòu)安全，并且溢洪道處的消能沖防能力在其整體作業(yè)過程中產(chǎn)生著至關(guān)重要的決定性作用。因此，對其進行消防沖能計算。

本次研究根據(jù)文件規(guī)范要求，將溢洪道的消能防沖設(shè)計依據(jù)30年遇到一次洪水的標(biāo)準進行設(shè)計，按照100年遇到一次洪水的標(biāo)準進行校驗。本次復(fù)核中其主要依據(jù)為溢洪道的消能工按底流消能，溢洪道30年遇到一次洪水的標(biāo)準泄流量為25.24m3/s，100年遇到一次洪水的泄流量46.08m3/s。消力池的總體池深及總體長度的復(fù)核標(biāo)準主要依據(jù)（《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL 253-2018））計算。消力池的校核工況計算參數(shù)，如表2所示。

表2 校核工況（P=1%）消力池計算參數(shù)表

2.5 溢洪道邊墻結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定復(fù)核

長江水庫溢洪道于1978 年由當(dāng)時中山縣水電局設(shè)計并施工興建，采用 30cm 厚的漿砌石砌底，170#砼護面，厚20cm，陡坡邊墻為 50 號漿砌石筑砌而成。2006 年完工的長江水庫達標(biāo)加固工程對陡槽重行進行砌護加固，原泄槽底板漿砌石全 部拆除，新建底板漿砌石厚 300mm，采用 C25 混凝土護面，厚 200mm，底板漿 砌石中埋入錨筋，掛鋼筋網(wǎng)；泄槽邊墻表面鑿毛、拉毛，清除松動浮塊，沖刷干 凈，采用C25 混凝土護面，厚 200mm，打孔植入錨筋，掛鋼筋網(wǎng)。本次安全鑒定工作溢洪道邊墻結(jié)構(gòu)復(fù)核以能找到的設(shè)計圖紙、竣工圖紙、資料、現(xiàn)場測量和本次地勘成果為基礎(chǔ)進行。本次研究中對溢洪道邊墻結(jié)構(gòu)進行復(fù)核所用到的材料具體有（1）《水工設(shè)計手冊》（第二版）；（2）《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準》（SL252-2017）；（3）《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準》（GB51247-2018）；（4）《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL253-2018）； （5）《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》（SL379-2007） ；（6）《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范（SL744-2016）；（7）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）；（8）《中山市長江水庫達標(biāo)加固施工圖》（2006年）；（9）《廣東省中山市長江水庫大壩安全鑒定項目工程地質(zhì)勘察報告》（2020年）。

溢洪道為主要建筑物，建筑物級別為 3 級，根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范（SL253-2018）》和《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范（SL379-2007）》，確定穩(wěn)定安全系數(shù)如表3所示。

表3 擋土墻安全系數(shù)

查《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），該工程地區(qū)地震動峰值 加速度為 0.10g，相應(yīng)地震烈度為 7 度，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準》（GB51247-2018）規(guī)定。

溢洪道邊墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是保證溢洪道進口段能夠正常工作的基礎(chǔ)，穩(wěn)定的邊墻結(jié)構(gòu)可以保證溢洪道在雨季持續(xù)作業(yè)時其泄洪能力不受影響。按照對泄洪產(chǎn)生的作用，主要有如下幾種典型斷面：（1）溢洪道入口處圓弧的最高側(cè)墻；（2）溢洪道陡坡段最高側(cè)墻；（3）陡坡段中間側(cè)墻；（4）消力池擋土墻。本次研究主要對上述4種典型斷面進行結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性校驗。

經(jīng)現(xiàn)場復(fù)核，溢洪道處的進口段凈寬為10m，堰頂?shù)母叨葹?5.98m，陡坡處的坡度為1/4，堰后所緊密連接的陡坡處使用等寬的矩形樣斷面進行截取，總共長度為76.34m，凈寬為9.6m。陡坡末端處的消力池底板總高度為6.62m，總長度為23m，深度為2.82m，消力池出口處的池底高度為9.44m，擋墻為漿砌石擋土墻，頂寬 0.7m，埋深 0.5m。各洪水頻率下的水位（水深）資料，按《長江水庫工程防洪標(biāo)準復(fù)核專題報告》成果及泄槽水面線計算成果。其中，各工況下的擋土墻水位如表4所示。

表4 各工況下?lián)跬翂λ槐?/p>

結(jié)果顯示，斷面1-4不同洪水工況時的墻后水位與墻后水深均符合國家標(biāo)準要求，由此得出，該溢洪道的擋土墻水位情況校核結(jié)果符合標(biāo)準。

3 中山市長江水庫溢洪道結(jié)構(gòu)安全評價結(jié)果

經(jīng)復(fù)核，長江水庫溢洪道底部石板無隆起現(xiàn)象，其側(cè)墻無顯著位移且無沉降現(xiàn)象。根據(jù)安全核算結(jié)果，溢洪道的周圍邊墻高度滿足對泄洪安全標(biāo)準的要求，并且最低邊墻高度要高出標(biāo)準高度13cm，能夠保證邊墻在較長時間內(nèi)不會因為地面沉降作用而導(dǎo)致其邊墻高度不符合標(biāo)準要求。消能池的消能工尺寸與相應(yīng)的規(guī)范相符合，可以有效使水流流態(tài)發(fā)生變化并使其能量耗散，促使水流之間產(chǎn)生強烈的紊動作用，使部分動能轉(zhuǎn)化為熱能，達到消減動能的目的，保障水庫大壩的安全運行。邊墻的穩(wěn)定性符合相關(guān)要求，不同洪水工況時的墻后水位與墻后水深均符合國家標(biāo)準要求，該溢洪道的擋土墻水位情況校核結(jié)果符合標(biāo)準。消力池深度、長度及邊墻高度滿足設(shè)計要求，溢洪道控制段頂部高程滿足規(guī)范要求，各工況下邊墻穩(wěn)定性滿足要求，溢洪道邊墻結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性良好。依據(jù)《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL258-2017），溢洪道結(jié)構(gòu)安全評價性評價的最終結(jié)果為 B 級。

4 結(jié)語

本次研究主要對中山市長江水庫溢洪道的安全結(jié)構(gòu)進行了評價。首先對該建筑的整體建設(shè)情況與存在問題進行分析，其次，分別從溢洪道進口段邊墻高度復(fù)核、溢洪道控制段頂部高程復(fù)核、溢洪道泄槽段邊墻高度復(fù)核、溢洪道消能防沖計算、溢洪道邊墻結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定復(fù)核5個方面對溢洪道的安全結(jié)構(gòu)進行評價。經(jīng)核算，各部分評價結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準與要求，其最終評價結(jié)果為B級。本次研究對溢洪道安全結(jié)構(gòu)的評價方法與流程對全國范圍內(nèi)水庫溢洪道安全結(jié)構(gòu)的評價具有借鑒意義。