密云水庫(kù)溢洪道除險(xiǎn)加固技術(shù)方案優(yōu)選研究

李嬋娟

(北京市密云水庫(kù)管理處，北京 101500)

密云水庫(kù)溢洪道位于大壩右岸，全段已襯砌加固。八字形進(jìn)口引水段長(zhǎng)14.2 m?？刂贫窝咝蜑殚_(kāi)敞式寬頂堰，寬度為10.0 m，長(zhǎng)度為7.0 m，堰頂高程229.0 m。堰后接10.0 m等寬泄槽，坡比為1∶5，斜長(zhǎng)58.5 m。泄槽末端設(shè)鼻坎挑流消能，反弧段長(zhǎng)5.0 m。溢洪道全長(zhǎng)84.7 m,進(jìn)口段局部無(wú)擋墻襯砌，挑流鼻坎下游被占用為菜地和人行交通路面，路面和菜地高程與鼻坎基本持平，洪水不能安全下泄，溢洪道下游河道雜樹(shù)叢生，影響洪水歸槽，控制段人行橋欄桿銹蝕嚴(yán)重等問(wèn)題，為此亟須對(duì)密云水庫(kù)溢洪道進(jìn)行除險(xiǎn)加固。溢洪道是水庫(kù)工程重要的組成部分，在水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中，溢洪道的加固質(zhì)量直接影響水庫(kù)工程總體的加固效果[1-5]。

因此，本文以密云水庫(kù)溢洪道除險(xiǎn)加固工程為例，通過(guò)對(duì)溢洪道存在問(wèn)題的分析，提出了加固技術(shù)方案，并對(duì)溢洪道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了計(jì)算，保障了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確保了整體水庫(kù)工程的設(shè)計(jì)工作[6-8]。為確保水庫(kù)的安全運(yùn)行，充分發(fā)揮水庫(kù)的灌溉、防洪、發(fā)電等綜合效益，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行應(yīng)急除險(xiǎn)加固[9-10]。

1 工程概況

密云水庫(kù)位于北京市密云區(qū)城北13 km處，位于燕山群山丘陵之中，面積180 km2，環(huán)密云水庫(kù)有200 km。密云水庫(kù)庫(kù)容40億m3，平均水深30 m。密云水庫(kù)有兩大入庫(kù)河流，分別是白河和潮河。壩址以上集雨面積15 505 km2，主河道長(zhǎng)5.5 km，河道平均坡降23.6‰。庫(kù)區(qū)雨量充沛，流域兩岸一帶，山高嶺峻，草深林茂，土壤植被良好，水土保持完善。

水庫(kù)自建成以來(lái)，為灌區(qū)內(nèi)農(nóng)田的灌溉和灌渠沿岸的經(jīng)濟(jì)作物灌溉提供了可靠的水源保證，直接捍衛(wèi)了下游2800多人口以及1500多間房屋、200多公頃耕地、村鎮(zhèn)路道和大批供電、通信等重要設(shè)施的安全。水庫(kù)一旦出險(xiǎn)，將直接威脅沿岸各鎮(zhèn)的安全。由于水庫(kù)存在著安全隱患，天然來(lái)水不能得到很好的利用，使水庫(kù)無(wú)法充分發(fā)揮其灌溉效益。因此，為了充分發(fā)揮水庫(kù)的綜合效益，特別是避免水庫(kù)可能的出事風(fēng)險(xiǎn)，本水庫(kù)除險(xiǎn)加固刻不容緩。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，溢洪道右側(cè)巖土層為山體，左側(cè)為壩體填土，兩側(cè)均已修建擋墻，穩(wěn)定性較好。消能方式為挑流消能。溢洪道全段已襯砌，結(jié)構(gòu)完好。溢洪道現(xiàn)有側(cè)墻批蕩脫落嚴(yán)重，漿砌石水泥砂漿標(biāo)號(hào)較低，強(qiáng)度不夠，墻體部分除險(xiǎn)裂隙。溢洪道進(jìn)口段首端未完善，沒(méi)有側(cè)墻。現(xiàn)有溢洪道底板為漿砌石護(hù)面底板，已出現(xiàn)裂縫、松動(dòng)。原人行道從溢洪道進(jìn)口底經(jīng)過(guò)到壩頂。

2 溢洪道加固技術(shù)方案分析

2.1 消能防沖方案比選

如圖1所示，密云水庫(kù)溢洪道原設(shè)計(jì)采用挑流消能方式，現(xiàn)狀挑流鼻坎結(jié)構(gòu)完好。鼻坎下游側(cè)河道已被填至坎頂高程，現(xiàn)狀為菜地和化糞池，村民在菜地旁修建1條3.5 m寬混凝土道路連接兩岸。溢洪道已無(wú)法正常挑泄，洪水無(wú)法歸槽。

圖1 溢洪道挑流鼻坎現(xiàn)狀

為保證洪水安全下泄，保證水庫(kù)運(yùn)行安全，須對(duì)溢洪道現(xiàn)狀消能防沖段進(jìn)行除險(xiǎn)加固。根據(jù)工程現(xiàn)狀，本次溢洪道除險(xiǎn)加固擬對(duì)挑流消能和底流消能方案進(jìn)行比選。

方案一：挑流消能方案(比選方案)本方案保留原設(shè)計(jì)挑流消能，挖除下游侵占泄洪斷面內(nèi)的道路、菜地等構(gòu)筑物，恢復(fù)鼻坎挑流下泄功能，兩岸新建擋墻閉合。在下游27 m河道處新建跨河橋梁，供居民出行。本方案消能防沖布置按現(xiàn)狀，只對(duì)影響泄洪構(gòu)筑物進(jìn)行清理、拆除，施工難度低，造價(jià)低。但下游新建跨河橋梁布置困難，兩岸為農(nóng)田，需進(jìn)行征地，實(shí)施困難。且下游河道多為砂卵石層，采用鼻坎挑流下泄洪水，將對(duì)河床產(chǎn)生較大沖刷，危及河道邊坡及農(nóng)田。

方案二：底流二級(jí)消能方案(推薦方案)本方案將原設(shè)計(jì)挑流鼻坎拆除，重建底流消能方式。為二級(jí)消能，矩形等寬斷面，寬度為10 m。第一級(jí)消力池長(zhǎng)16.93 m(含斜坡段長(zhǎng)度)，底高程為215.29 m。在第一級(jí)池內(nèi)布設(shè)兩排消力墩，梅花形布置。第二級(jí)消力池長(zhǎng)25.18 m(含斜坡段長(zhǎng)度)，底高程為211.50 m，為突檻式消力池，池深1.6 m。后接漿砌石海漫，長(zhǎng)10 m。人行橋布設(shè)在第一級(jí)消力池，為2孔鋼筋混凝土橋涵結(jié)構(gòu)。

方案三：底流消能方案(比選方案)本方案將原設(shè)計(jì)挑流鼻坎拆除，重建底流消能方式。矩形等寬斷面，寬度為10 m。斜坡段長(zhǎng)19.84 m，坡比1∶3.3。消力池采用突檻式，長(zhǎng)20 m，檻高1.6 m，底高程為211.50 m。后接漿砌石海漫，長(zhǎng)10 m。人行橋布設(shè)在消力池內(nèi)，為1跨×10 m鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)。

2.2 方案比選分析

方案一為挑流消能，按原溢洪道布置，但人行橋布置需占用農(nóng)田。

方案二為底流二級(jí)消能型式，基本按現(xiàn)狀進(jìn)行布置，底板高程適中，開(kāi)挖深度不大，不會(huì)產(chǎn)生深基坑，無(wú)占地。

方案三為底流消能，斜坡段出現(xiàn)2.87～6.53 m臨空面，開(kāi)挖深度大，出現(xiàn)深基坑，危及兩岸邊坡和房屋，且人行橋布置需占用農(nóng)田。故方案二較優(yōu)。

工程施工的比較：方案一原址布置，僅需挖除侵占構(gòu)筑物，容易實(shí)施。方案二、三消能防沖在原址拆除重建?，F(xiàn)狀兩側(cè)為房屋，其中左側(cè)房屋邊線距離側(cè)墻邊線1.8～4.7 m(水流方向)。方案二為二級(jí)消能布設(shè)，第一級(jí)池底離岸頂高約2.84～3.51 m，最大開(kāi)挖深度3.0 m，施工時(shí)用鋼板樁支護(hù)，容易實(shí)施。方案三斜坡段按坡比1∶3.3 布置，后接消力池底部。斜坡段底高程離岸頂高約2.87～6.53 m，最大開(kāi)挖深度達(dá)6.0 m，施工時(shí)需排樁支護(hù)，施工困難，極容易擾動(dòng)左側(cè)房屋基礎(chǔ)。故方案一、方案二較優(yōu)。

工程占地的比較：方案二消能設(shè)施和橋涵在原址布置，無(wú)須進(jìn)行征地拆遷，容易實(shí)施。方案一和方案三人行橋布置需占用基本農(nóng)田，實(shí)施困難。故方案二較優(yōu)。綜上所述，考慮溢洪道左側(cè)房屋邊線離側(cè)墻近，為確保不擾動(dòng)現(xiàn)狀房屋安全，選擇開(kāi)挖深度不大，施工容易實(shí)施，且不涉及征地補(bǔ)償?shù)姆桨甘呛线m的。因此，本次溢洪道除險(xiǎn)加固消能防沖選取方案二消能方式。

2.3 溢洪道布置

本溢洪道為2級(jí)建筑物，開(kāi)敞式寬頂堰型式，斷面為矩形，堰頂凈寬10 m。溢洪道全段已襯砌加固，結(jié)構(gòu)完好，本次僅對(duì)消能防沖段進(jìn)行加固。通過(guò)上述加固方案加固后，溢洪道達(dá)到如下標(biāo)準(zhǔn)：

(1)進(jìn)口段。進(jìn)口段斷面為喇叭口狀，底板高程為229.0 m。兩側(cè)擋墻和底板維持現(xiàn)狀，清除進(jìn)口段行洪斷面內(nèi)的障礙物。

(2)控制段?？刂贫窝唔敻叱虨?29.0 m，堰頂凈寬10.0 m，兩側(cè)擋墻和底板維持現(xiàn)狀。

(3)泄槽段。原設(shè)計(jì)泄槽段斷面采用矩形斷面，寬度為10.0 m，長(zhǎng)58.50 m。泄槽段坡比為 1∶5。本次加固泄槽段側(cè)墻和底板均維持現(xiàn)狀。

(4)消防防沖段。消能防沖段采用矩形斷面，寬度為10.0 m。原挑流消能拆除，重建為底流消能方式，為二級(jí)消能型式，第一級(jí)長(zhǎng)16.93 m，第二級(jí)長(zhǎng)25.18 m，全長(zhǎng)42.11 m，池深1.6 m。

3 溢洪道加固設(shè)計(jì)計(jì)算分析

3.1 進(jìn)口段和控制段

現(xiàn)狀進(jìn)口段為喇叭口形式，梯形斷面，進(jìn)口渠底寬17～10 m，堰頂高程為229.0 m，墻頂高程232.74 m，墻高3.74 m。在下泄各頻率流量時(shí)，近似地將進(jìn)口段水位與水庫(kù)水位相等?，F(xiàn)狀墻頂高程滿足計(jì)算要求的高度值。本次設(shè)計(jì)不改變水庫(kù)的運(yùn)行水位，斷面為矩形，加固整平后堰頂高程仍然保持為229.0 m，堰頂寬10.0 m。經(jīng)調(diào)洪演算得：50 a一遇設(shè)計(jì)洪水位231.15 m，相應(yīng)下泄流量為52.48 m3/s；500 a一遇校核洪水位231.81 m，相應(yīng)下泄流量為78.30 m3/s。本次設(shè)計(jì)溢洪道型式為開(kāi)敞式寬頂堰，凈寬10.0 m，堰頂高程229.0 m，進(jìn)行過(guò)流能力復(fù)核。溢洪道泄量計(jì)算采用堰流公式(1)：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；m為流量系數(shù)，取0.385；B為堰凈寬，取10.0 m；H0為堰上總水頭，m；ε為堰墩側(cè)收縮系數(shù)；σs為淹沒(méi)系數(shù)，本工程堰后接泄槽，取1。根據(jù)上述公式計(jì)算，溢洪道水位泄量成果見(jiàn)表1。

表1 溢洪道水位泄量成果表

根據(jù)表1的水位(H)～流量(Q)關(guān)系繪制H～Q曲線經(jīng)調(diào)洪演算，計(jì)得各頻率的水庫(kù)水位和相應(yīng)的下泄流量成果列于表2。

表2 各頻率水庫(kù)水位與相應(yīng)下泄流量

3.2 泄槽段

泄槽水面線計(jì)算如式(2)～式(3)，確定臨界水深：

(2)

(3)

式中：hk為泄槽的臨界水深，m；α為動(dòng)能修正系數(shù)，取1.0；q為泄槽的單寬流量，m3/(s·m)；g為重力加速度，取9.81 m/s2；b為底寬，m。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 各頻率相應(yīng)的臨界水深hk

4 溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定計(jì)算

本工程需進(jìn)行驗(yàn)算的下游河道擋墻。擋墻采用C20混凝土，基礎(chǔ)高0.50 m，底寬2.02 m。迎水面垂直，背水面坡度為1∶0.4的斜坡，墻體容重γ=23 kN/m3。計(jì)算斷面見(jiàn)圖2。

圖2 擋墻計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位：cm)

計(jì)算參數(shù)如下：墻后填土內(nèi)摩擦角12.0°；墻后填土黏聚力13.2 kPa；墻后填土容重18.00 kN/m3；墻背與墻后填土摩擦角9.0°；地基土容重18.00 kN/m3；地基承載力特征值120.0 kPa；墻底摩擦系數(shù)0.38。

擋土墻穩(wěn)定計(jì)算分二種工況：①完建工況；②洪水降落期工況。同時(shí)計(jì)算擋墻在各種工況下的應(yīng)力及穩(wěn)定情況。取1 m單寬長(zhǎng)度作單元進(jìn)行計(jì)算。擋土墻后的土壓力按朗肯公式計(jì)算主動(dòng)土壓力。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 擋墻穩(wěn)定驗(yàn)算成果

由計(jì)算結(jié)果可知：擋墻各工況下抗滑穩(wěn)定及抗傾覆穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求；擋墻基底最大應(yīng)力均小于地基容許承載力(120 kPa)。

5 結(jié) 論

溢洪道是水庫(kù)工程重要的組成部分，在水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中，溢洪道的加固質(zhì)量直接影響水庫(kù)工程總體的加固效果。以密云水庫(kù)溢洪道除險(xiǎn)加固工程為例，通過(guò)對(duì)溢洪道存在問(wèn)題的分析，提出了加固技術(shù)方案，并對(duì)溢洪道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了計(jì)算，保障了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確保了整體水庫(kù)工程的設(shè)計(jì)工作。為確保水庫(kù)的安全運(yùn)行，充分發(fā)揮水庫(kù)的灌溉、防洪、發(fā)電等綜合效益，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行應(yīng)急除險(xiǎn)加固。密云水庫(kù)溢洪道除險(xiǎn)加固工程實(shí)施完成后，可恢復(fù)下游水田灌溉133 hm2有余，徹底解決水庫(kù)存在的病險(xiǎn)問(wèn)題，水庫(kù)能正常防洪和灌溉，促進(jìn)水利事業(yè)更好的發(fā)展，結(jié)果可為類似工程提供參考。