水庫除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)
——以開平市石堆水庫為例

徐曉冬

(江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 江門 529000)

1 工程概況

石堆水庫位于開平市大沙鎮(zhèn)崗坪村，水庫于1980年7月竣工投入運(yùn)行，至今已運(yùn)行了30多年。水庫內(nèi)包括土石壩1座，重力壩1座(含溢流壩)，輸水涵管1座，是一座以防洪為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖、生態(tài)等綜合利用的小(2)型水庫，V等工程，建筑物為5級(jí)。

水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20～30年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)土石壩為200～300年一遇，漿砌石壩為100～200年一遇。水庫正常蓄水位為151.00 m，相應(yīng)庫容16.53萬m3，經(jīng)過本次調(diào)洪演算，20年一遇設(shè)計(jì)洪水位154.03 m，相應(yīng)庫容38萬m3，200年一遇校核洪水位155.06 m，相應(yīng)庫容48萬m3。該水庫在運(yùn)行過程中曾于2002年進(jìn)行過除險(xiǎn)加固。2014年對(duì)該水庫進(jìn)行安全鑒定，大壩安全鑒定結(jié)論評(píng)定為三類壩，建議進(jìn)行除險(xiǎn)加固[1-3]。

2 工程設(shè)計(jì)方案

2.1 大壩加固設(shè)計(jì)

2.1.1 壩頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于土壩壩頂現(xiàn)狀較完好，本次不對(duì)土壩壩頂進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。但漿砌石重力壩段壩頂坑洼不平，且欄桿破損。漿砌石重力壩段壩頂保留現(xiàn)狀防浪墻，在現(xiàn)狀壩頂上鋪C20混凝土路面20 cm厚，路面寬3.30 m；拆除現(xiàn)狀混凝土欄桿，新建鍍鋅鋼管欄桿，欄桿高1.10 m；對(duì)現(xiàn)狀漿砌石防浪墻進(jìn)行C20混凝土外包，臨近路面?zhèn)然炷梁穸葹?0 cm，墻頂混凝土厚度為20 cm。

2.1.2 壩坡及護(hù)坡設(shè)計(jì)

土壩上游壩坡為砌石護(hù)坡，其表面批蕩已經(jīng)部分隆起、損壞。本次設(shè)計(jì)對(duì)上游壩面護(hù)坡混凝土批蕩拆除重建，面積為770 m2，厚2.0 cm。漿砌石重力壩段右側(cè)下游壩面原批蕩部分隆起、脫落，設(shè)計(jì)拆除原混凝土批蕩，重新勾縫，面積為286.70 m2。

2.1.3 大壩觀測(cè)設(shè)施設(shè)計(jì)

主壩安裝水工監(jiān)測(cè)設(shè)施：土壩壩體安裝測(cè)壓管2排，每排4孔；土壩和漿砌石重力壩新布置沉降觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)9個(gè)，采用人工觀測(cè)。

2.1.4 漿砌石重力壩段灌漿設(shè)計(jì)

由于漿砌石重力壩段壩腳多處滲漏，且下游右側(cè)壩腳無排水溝。本次設(shè)計(jì)對(duì)壩腳滲漏處進(jìn)行灌漿處理，灌漿分為漿砌石壩體充填灌漿和壩基帷幕灌漿，共布置一排58個(gè)灌漿孔，孔距為2.5 m，總灌漿長(zhǎng)度為1043.84 m；右側(cè)壩腳處本次設(shè)計(jì)新建C20排水溝30.05 m，溝深0.25 m，溝寬0.25 m。

2.1.5 白蟻防治措施

針對(duì)土壩壩體多處發(fā)現(xiàn)鼠洞蟻穴，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，灌區(qū)內(nèi)白蟻危害等級(jí)已達(dá)到C級(jí)，白蟻防治的面積約1000 m2，蟻巢共12巢，已嚴(yán)重威脅到土壩壩體安全，必須盡快采取相應(yīng)的措施進(jìn)行防治，消除因白蟻危害而引起的工程安全隱患，使本工程達(dá)到省定的無蟻害標(biāo)準(zhǔn)。為此，我公司認(rèn)為必須應(yīng)用廣東省推薦的“3環(huán)節(jié)8程序”系統(tǒng)防治技術(shù)措施對(duì)蟻源區(qū)進(jìn)行白蟻滅殺，對(duì)已滅殺的蟻巢蟻道進(jìn)行對(duì)巢灌漿及淺灌密灌灌漿，充填蟻巢蟻道。

2.2 溢流壩段加固設(shè)計(jì)

2.2.1 溢流壩頂設(shè)計(jì)

石堆水庫溢流壩段布置在漿砌石重力壩段，為開敞式壩面溢流實(shí)用堰?？紤]到溢流壩段基本完好，本次加固設(shè)計(jì)只對(duì)溢流壩段壩頂交通橋進(jìn)行拆除重建。重建交通橋采用簡(jiǎn)支板橋，布置為兩跨，跨度為8.04 m。采用C25鋼筋混凝土板橋，橋?qū)挒?.55 m，橋板厚為0.45 m，橋面高程為155.81 m，橋板兩邊設(shè)置C25鋼筋混凝土防撞欄，防撞欄高1.10 m。橋臺(tái)厚0.45 m，采用C25鋼筋混凝土，橋臺(tái)與壩體之間采用錨筋進(jìn)行固定，橋臺(tái)與橋板之間鋪瀝青油毛氈2 cm厚。

2.2.2 消能復(fù)核計(jì)算和加固設(shè)計(jì)

石堆水庫溢流壩下游采用底流消能。該水庫溢流壩段下游消能防沖的洪水標(biāo)準(zhǔn)按10年一遇(p=10%)洪水設(shè)計(jì)。10年一遇下泄流量為123.5 m3/s。陡槽寬度為15 m，則單寬流量為q=8.23 m3/(s·m)。溢洪道堰頂高程151.00 m，堰上水位為153.69 m(p=10%)，下游河床底高程133.80 m。

采用理正巖土5.11版進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算成果為：消力池深1.02 m，消力池長(zhǎng)26.14 m，現(xiàn)狀消力池深0.8 m，現(xiàn)狀消力池長(zhǎng)6 m，不滿足規(guī)范要求。但根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，現(xiàn)狀消力池外沖刷坑出露弱風(fēng)化花崗巖，附近基巖沖刷程度輕微，沖刷坑深度小于3.0 m，未形成大的沖坑。由此可見，下游巖體防沖能力好，基本不存在抗沖穩(wěn)定問題。所以本次設(shè)計(jì)不對(duì)消力池進(jìn)行處理。

消力池外下游右岸有一段漿砌石擋土墻倒塌，本次設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行重建。重建擋土墻長(zhǎng)度為22.0 m，采用C20混凝土埋15%大石擋墻，墻頂寬0.50 m，墻前垂直，墻后坡1∶0.5，墻高4.0 m。

2.2.3 水面線、側(cè)墻高度計(jì)算和加固設(shè)計(jì)

石堆水庫溢流壩段為開敞式實(shí)用堰，共設(shè)兩孔，每孔凈寬為7 m，凈寬共14 m。堰頂高程151.00 m。溢流實(shí)用堰迎坡坡比1∶0.05，堰頂水平長(zhǎng)度4 m，堰頂后接泄槽陡坡段，為等寬式矩形陡槽，陡槽段寬15 m，泄槽后接底流式消力池。20年一遇設(shè)計(jì)下泄流量146.7 m3/s，上游水位154.03 m；200年一遇校核下泄流量224.9 m3/s，上游水位155.06 m。計(jì)算糙率取0.015。根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253—2018)的要求選取最大流量計(jì)算水力要素，選取的參數(shù)見表1。

表1 溢流堰水面線計(jì)算參數(shù)

根據(jù)規(guī)范SL 253—2018泄槽水力計(jì)算，泄槽水面線應(yīng)根據(jù)能量方程，用分段求和法計(jì)算，見式(1)～式(2)，計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 溢流堰水面線計(jì)算簡(jiǎn)圖

(1)

(2)

(1)計(jì)算工況及斷面位置。計(jì)算斷面水深如式(3):

(3)

式中：q為起始計(jì)算斷面單寬流量,m3/(s·m)；φ為起始計(jì)算斷面流速收縮系數(shù)，取0.95；H0為起始計(jì)算斷面渠底以上總水頭,m；θ為泄槽底坡角。

(2)摻氣對(duì)水深的影響及計(jì)算成果。摻氣及波動(dòng)水深按以下公式(4)進(jìn)行計(jì)算：

hb=(1+ζv/100)h

(4)

式中：hb為計(jì)入摻氣及波動(dòng)的水深，m；ζ為修正系數(shù)，取1.4；v為斷面計(jì)算流速，m/s；h為不計(jì)入摻氣及波動(dòng)的水深，m。

計(jì)算成果見表2。

表2 陡坡段水面線計(jì)算成果 m

規(guī)范要求，泄槽邊墻高度應(yīng)根據(jù)計(jì)入波動(dòng)及摻氣后的水面線，再加上0.5 m的超高。從表2可以看出，除最后兩個(gè)斷面?zhèn)葔Ω叨葷M足要求外，其余均不滿足規(guī)范要求。

(3) 加固設(shè)計(jì)。通過以上計(jì)算可知，現(xiàn)狀泄槽邊墻高度不滿足要求，泄洪時(shí)存在安全隱患?，F(xiàn)狀溢流壩段左岸山坡距溢流壩段較近，原設(shè)計(jì)時(shí)山坡和壩腳均已采用漿砌石襯砌，經(jīng)過多年運(yùn)行現(xiàn)狀完好。溢流壩段右岸為重力壩壩體，壩體表面除批蕩破損外，無其他安全隱患，壩腳為面積160 m2的平臺(tái)，無襯砌措施，電站廠房位于平臺(tái)外側(cè)，地面高程比平臺(tái)高1 m多?，F(xiàn)狀條件下，泄洪時(shí)，由于泄槽邊墻不夠高，有部分水溢出流向兩側(cè)，左側(cè)由于壩坡和壩腳已經(jīng)完全采用漿砌石襯砌，基本不受溢出水的影響。右側(cè)壩腳平臺(tái)會(huì)受溢出水流的沖刷，發(fā)電廠房基本不受溢出水影響。由于加高泄槽兩側(cè)邊墻施工難度大，本次設(shè)計(jì)只對(duì)受溢出水影響的右側(cè)壩腳平臺(tái)采用M7.5漿砌石進(jìn)行護(hù)面，厚0.40 m，總護(hù)面面積為160.0 m2。

2.3 輸水涵管加固設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)拆除涵管進(jìn)口閘門和啟閉機(jī)，新安裝閘門和啟閉機(jī)，控制閘門采用整體深孔式鑄鋼閘門，設(shè)計(jì)水頭17.00 m，閘門孔口Φ800，熱噴鋁防腐，15 t手電兩用螺桿機(jī)啟閉，螺桿為φ90的螺桿。對(duì)現(xiàn)狀啟閉室進(jìn)行修繕，主要內(nèi)容包括：

(1)啟閉室外墻。聚氨酯泡沫膠填縫劑填平裂縫后，12 mm厚1∶3水泥砂漿抹面，8 mm厚1∶2.5水泥砂漿木抹搓平，滾刷底涂料一遍，滾刷涂料二遍。

(2)啟閉室內(nèi)。清理基層，打磨平整，刮膩?zhàn)?，砂紙磨平，刷白水泥漿二遍(重量配合比為：白水泥∶白乳膠為100∶20)。

(3)更換門窗。

3 結(jié) 論

石堆水庫除險(xiǎn)加固工程實(shí)施完成后，水庫滲漏現(xiàn)象得到改善，拆除重建的溢流壩段也滿足防洪要求，水庫安全性能明顯提升。由此可見，對(duì)石堆水庫的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，可以從根本上消除安全隱患，使水庫充分發(fā)揮工程效益，保證當(dāng)?shù)鼐用裆?cái)產(chǎn)、保障當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。