冰溝水庫大壩和溢洪道除險加固方案比選設(shè)計分析

趙明

（北票市防汛抗旱指揮部辦公室，遼寧北票 122100）

中小型水庫是地方性水利設(shè)施的主要表現(xiàn)形式，建設(shè)數(shù)量多，分布范圍廣，對區(qū)域防洪排澇有著重要作用。但是隨著年久失修情況越來越多，對中小型水庫工程開展除險加固工作成為很多地區(qū)面臨的共性問題。

1 工程概況

冰溝水庫位于遼寧省北票市常河營鄉(xiāng)新建村大凌河二級支流常河營河上，是一座以防洪為主的?。?）型水庫。現(xiàn)狀總庫容26.49萬m3，集雨面積2.35 km2，河流長2.36 km，河道平均比降為1.67%。冰溝水庫于1974年11月投入使用，未正式組織驗收，后續(xù)灌溉等配套設(shè)施由于資金原因未再建設(shè)，自建成之日起一直帶病運行。目前，大壩存在主壩基滲漏嚴(yán)重、護坡石風(fēng)化嚴(yán)重、排水體破損、溢洪道底板風(fēng)化嚴(yán)重且邊墻未建設(shè)完全等問題，需要進行必要的除險加固工作。

2 水庫工程現(xiàn)狀復(fù)核

1）死水位復(fù)核

項目根據(jù)墊底庫容公式即式（1）來對水庫死水位進行復(fù)核。根據(jù)2018年實測資料和水位～庫容曲線（圖1），查得此次冰溝水庫除險加固復(fù)核水庫死水位為303.82 m。

圖1 冰溝水庫“水位~庫容”曲線

式中：G——懸移質(zhì)多年平均輸沙量；T——水庫運用年限，取20年；E——推移質(zhì)占懸移質(zhì)比重，取0.2；r——泥沙容重，取1.3。

2）洪水調(diào)節(jié)計算

冰溝水庫溢洪道為開敞式、無閘、無底坎、自由出流的寬頂堰，凈寬6.08 m，輸水洞不參與調(diào)洪。溢洪道泄量公式：[2]

式中：Q——流量，m3/s；m——流量系數(shù)，取0.385；ε——側(cè)收縮系數(shù)，取1；B——溢洪道寬度；H0——計入行進流速的堰上水頭，m。

計算成果見表1。繪制溢洪道水位～泄量曲線圖（圖2），確定現(xiàn)狀起調(diào)水位為307.58 m。

圖2 冰溝水庫“水位~泄量”曲線

表1 現(xiàn)狀溢洪道水位與泄量關(guān)系成果表（部分）

3）大壩安全復(fù)核

該項目計算工況依據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計導(dǎo)則》，大壩穩(wěn)定計算成果見表2[3]。

表2 大壩穩(wěn)定計算成果表

從表2中可知K計＞K允，所以土壩邊坡是安全穩(wěn)定的。

4）溢洪道安全復(fù)核

根據(jù)SL 253-2000《溢洪道設(shè)計規(guī)范》，邊墻頂高程在宣泄校核洪水時不應(yīng)低于校核洪水位加安全超高值（0.3 m）[4]。各斷面邊墻頂高程等于邊墻底高程加上水深加上安全加高，計算結(jié)果見表3（部分）。

表3 泄槽邊墻頂高程計算表（P=0.33%）m

經(jīng)計算可知，溢洪道存在泄流安全隱患。

3 水庫工程除險加固設(shè)計

3.1 水庫大壩除險加固設(shè)計

1）加固方案對比分析

專家組在對大壩實況進行了詳細(xì)勘察后，針對滲漏點在壩基和右壩肩位置，設(shè)計出了兩種加固方案：①帷幕灌漿，材料制備要求苛刻，施工工藝復(fù)雜且要求嚴(yán)格，施工時間須嚴(yán)格控制，對施工技術(shù)要求較高，投資較高；②大開挖土工膜防滲，施工程序少，工藝簡單，對施工時間無要求，對施工團隊技術(shù)要求合理，投資較低[5]。通過對比，此項目選擇大開挖土工膜防滲加固技術(shù)。

2）加固設(shè)計要點分析

該項目土方明挖工程采取“自上而下、分段、分層施工”一次進行，開挖至中風(fēng)化巖層上，最大開挖深度11.00 m，不允許先下而上切腳開挖。依據(jù)工程土質(zhì)情況，自上而下在深度5.00 m處設(shè)置戧臺，戧臺以上坡度1∶1，以下坡度1∶1.25[6]。

土方開挖工程考慮土層含水情況，邊坡穩(wěn)定采用北京理正軟件設(shè)計研究院編制的《理正邊坡穩(wěn)定分析軟件》計算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)，計算簡圖見圖3。經(jīng)計算，邊坡滑動安全系數(shù)為2.22，大于規(guī)范值。

圖3 瑞典條分法計算示意圖

土工膜（土工布拉伸強度10 kN/m、土工膜拉伸強度12 kN/m）由上向下鋪至壩腳外延3.00 m，上部錨固，采用工程膠粘接，搭接寬度0.50 m，搭接處強度不能低于土工膜的80%。下料幅長要滿足下沉最大長度，再加上上部預(yù)留1.50 m。在搭接處形成T字形搭接，不能用十字形搭接；土工膜鋪設(shè)完畢后鋪設(shè)砂墊層0.10 m、碎石墊層0.20 m和干砌石護坡。其中砂墊層采用中砂或中粗砂，鋪平后灑水振實。碎石墊層采用天然砂礫石料或人工碎石，粒徑2~4 cm，鋪平后灑水振實。

3.2 溢洪道除險加固設(shè)計

鑒于冰溝水庫溢洪道泄流能力不足，可選3種除險方案：加深溢洪道、拓寬溢洪道，加深拓寬溢洪道。其中，方案一會使堰頂高程下降較多，庫容量減少較大，同時施工難度較大；方案二對溢洪道右側(cè)山體征占面積較大，征占地協(xié)調(diào)難度較大，因此，溢洪道采用方案三進行除險加固。

1）泄流能力設(shè)計

過堰流量q計算公式[7]：

式中：q——流量，m3/s；B——堰寬，取7.87 m；H——計入行進流速水頭的堰上水深，m。

經(jīng)計算可得：當(dāng)P=5%，庫水位308.51 m，H=1.13 m，泄流量30.8 m3/s，單寬泄量q=2.05 m3/s；P=0.5%，庫水位309.27 m，H=1.89 m，泄量66.7 m3/s，單寬泄量q=4.45 m3/s。該項目按照P=0.5%作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2）邊墻高度計算

以上述泄流能力q作為計算標(biāo)準(zhǔn)，該項目溢洪道各斷面邊墻頂高程=邊墻底高程+水深+安全加高，計算結(jié)果見表4。此次對原有邊墻進行拆除重建，設(shè)計采用漿砌石結(jié)構(gòu)，邊墻頂寬0.50 m，迎水面坡比1∶0，背水坡坡比1∶0.3，總長84.00 m，左側(cè)59.50 m，右側(cè)24.50 m，每隔15.00 m設(shè)瀝青木板伸縮縫。

表4 泄槽邊墻頂高程計算表（P=0.5%）m

3）溢洪道寬度計算

溢洪道寬度b根據(jù)過流斷面面積w來間接計算：

式中：J——上、下斷面平均水力坡降；η——糙率，取0.02；Q——設(shè)計過水流量，m3/s；R——水力半徑，m。

經(jīng)計算，當(dāng)b=15.00 m時，可滿足泄量66.7 m3/s的要求，按照該參數(shù)拓寬溢洪道。

4）溢洪道施工要點設(shè)計

溢洪道邊墻采用人工砌筑，塊石縫隙要利用水泥砂漿填實，上下層要錯縫砌筑且塊石間搭接好，對新砌筑邊墻砂漿抹面，每隔15.00 m設(shè)瀝青木板伸縮縫一道；新建邊墻從底向上設(shè)3層排水管，最下層排水管距墻底0.40 m，第二層排水管距第一層高度1.00 m，第三層排水管距第二層高度1.00 m，成梅花形布設(shè)，橫向間距3 m。溢洪道底板下設(shè)排水槽深0.30 m，邊坡為1∶1，底寬0.30 m，內(nèi)鋪設(shè)碎石。

4 結(jié)語

冰溝水庫經(jīng)過此次除險加固后，徹底解決了壩體滲漏和溢洪道泄洪能力不足問題，取得了很好的治理效果。在進行方案比選時，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合工程實際情況，對于中小型水利工程，受限于技術(shù)和資金水平，應(yīng)優(yōu)先選擇技術(shù)可靠、成本低的方案，不可盲目追求高科技、新技術(shù)。