馬嶺水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

張奕池

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

1 工程概況

馬嶺水庫(kù)位于陽(yáng)東區(qū)新洲鎮(zhèn)，壩址距新洲鎮(zhèn)約7 km，距陽(yáng)江市約40 km。水庫(kù)壩址以上控制集雨面積為1.695 km2，總庫(kù)容為150×104m3。水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積為253 hm2，是一座以灌溉、防洪為主的綜合利用的小(1)型水庫(kù)。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，溢洪道消能防沖為20年一遇。經(jīng)調(diào)洪演算，水庫(kù)正常蓄水位49.10 m，相應(yīng)庫(kù)容99×104m3；設(shè)計(jì)洪水位50.91 m(p=3.33%)，相應(yīng)庫(kù)容134×104m3，校核洪水位51.61 m(p=0.2%)。該水庫(kù)是1956年建成并投入運(yùn)行，至今已有60余年，由于當(dāng)時(shí)施工條件有限，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，施工技術(shù)水平不高，屬于邊規(guī)劃、邊設(shè)計(jì)、邊施工的“三邊”工程，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行使用，部分建筑物及設(shè)施存在不同程度的安全隱患，已嚴(yán)重危及水庫(kù)的安全，亟須對(duì)水庫(kù)除險(xiǎn)加固。

2 主要問(wèn)題

根據(jù)馬嶺水庫(kù)安全鑒定結(jié)果得知，目前水庫(kù)的溢洪道、輸水涵管均存在諸多安全問(wèn)題[1]。

2.1 大壩

大壩上游混凝土壩坡出現(xiàn)裂縫，局部有雜草；大壩浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)高，校核洪水位工況滲透比降大于壩體填筑土允許水力比降；大壩的實(shí)際抗洪能力不滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范的要求；大壩填筑土滲透系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

2.2 溢洪道

水庫(kù)溢洪道橋面高程及泄槽段安全超高不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；大壩下游壩腳與溢洪道右側(cè)擋墻交接處出現(xiàn)滲水的現(xiàn)象；溢洪道混凝土底板出現(xiàn)多處開(kāi)裂、表面砂漿脫落的現(xiàn)象，側(cè)墻局部也已經(jīng)損毀。

2.3 輸水涵管

輸水涵管經(jīng)多年運(yùn)行，出現(xiàn)滲水現(xiàn)象；啟閉房破舊不堪，啟閉設(shè)備也已生銹。

3 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

3.1 大壩加固設(shè)計(jì)

3.1.1 壩坡及護(hù)坡設(shè)計(jì)

上游壩坡高程45.00 m和47.80 m均修建C25混凝土齒墻，45.00 m齒墻以上坡度為1∶3.5，47.80 m齒墻以上坡度為1∶2.5；護(hù)坡高程范圍從壩頂路面52.10 m至高程47.80 m，先鑿毛原混凝土護(hù)坡和修整壩坡后，現(xiàn)澆C25混凝土護(hù)坡厚0.12 m；護(hù)坡高程范圍從47.80 m至高程45.00 m，先修整壩坡后鋪設(shè)砂石混合料墊層厚0.10 m，再現(xiàn)澆C25混凝土護(hù)坡厚0.12 m。大壩下游壩坡修整后重新植草皮護(hù)坡[2]，并在下游壩坡修建C20上壩步級(jí)。

上游壩坡坡腳設(shè)C25混凝土護(hù)腳，寬×高=0.5 m×1.0 m。上游混凝土護(hù)坡采用4 m×4 m板塊并錯(cuò)縫布置，縫下設(shè)1.0 m寬反濾土工布，并在每個(gè)板塊中間設(shè)φ75排水孔，孔底鋪土工布。

3.1.2 新建下游壩腳排水棱體

本次設(shè)計(jì)拆除原壩腳貼坡排水，新建棱體排水，棱體排水頂高程取38.76 m，頂部設(shè)C20混凝土壓頂厚0.15 m，從內(nèi)向外分別為粗砂厚0.2 m，10～20 mm碎石厚0.2 m，20～40碎石厚0.2 m。

完善壩面排水系統(tǒng)包括縱向排水溝、壩腳排水溝。排水溝均采用C20混凝土現(xiàn)澆矩形斷面，側(cè)墻和底板厚度均為0.15 m，排水溝尺寸為0.4 m×0.4 m(寬×深)，壩腳排水溝尺寸為0.5 m×0.5 m(寬×深)，側(cè)墻為M7.5漿砌石厚0.4 m，底板為干砌石厚0.4 m。

3.1.3 大壩防滲設(shè)計(jì)

由于壩體土多由二長(zhǎng)花崗巖的殘積土或全風(fēng)化土填筑而成，呈硬塑狀態(tài)，土中風(fēng)化砂礫、碎石含量較多。填筑土滲透系數(shù)k=6.47×10-4cm/s，大于規(guī)范要求的1×10-4cm/s，滲透系數(shù)偏大。為此，本次設(shè)計(jì)主要對(duì)大壩進(jìn)行灌漿以提高壩體防滲性能。

灌漿在現(xiàn)有壩體進(jìn)行，兩側(cè)壩肩沿距原壩軸線上、下游1.0 m處各布置一排充填灌漿孔，排距2.0 m，孔距2.0 m，按梅花型布孔，上游共布18個(gè)孔，編號(hào)Ⅰc1～Ⅰc18，下游共布18個(gè)孔，編號(hào)Ⅱc1～Ⅱc18；中間壩段沿原壩軸線布置1排劈裂灌漿，孔距5 m，共布孔10個(gè)，編號(hào)P1～P10，灌漿底部高程均以進(jìn)入壩基殘積土層2 m控制。大壩共計(jì)鉆孔46個(gè)，充填灌漿深度192.04 m，劈裂灌漿深度151.38 m。

3.1.4 大壩滲流計(jì)算

加固后的大壩滲流穩(wěn)定性計(jì)算主要選擇大壩最大壩高斷面進(jìn)行滲流分析。

由于大壩無(wú)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為此，在進(jìn)行大壩滲流分析時(shí)，滲透系數(shù)采用現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)推求的滲透系數(shù)，具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 滲透系數(shù)的選取

根據(jù)水庫(kù)的實(shí)際運(yùn)用情況以及相關(guān)規(guī)定，本次滲流計(jì)算工況如表2。

表2 有限元滲流穩(wěn)定計(jì)算工況

本次滲流計(jì)算方法采用有限元法進(jìn)行計(jì)算，各工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 大壩加固后滲流計(jì)算成果

經(jīng)計(jì)算，大壩加固后，各工況出逸點(diǎn)均位于下游反濾排水棱體范圍內(nèi)，浸潤(rùn)線正常。

3.1.5 壩坡穩(wěn)定計(jì)算

壩坡在加固后還需要進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，本次計(jì)算采用最大壩高斷面處進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析。

本次壩體抗滑穩(wěn)定復(fù)核采用簡(jiǎn)化畢肖普法。經(jīng)計(jì)算，大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表4。

從表4結(jié)果可以看出，大壩在各種工況下，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

表4 大壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)成果

3.2 溢洪道加固設(shè)計(jì)

本次溢洪道加固內(nèi)容為：對(duì)溢洪道進(jìn)行拆除重建。重建后，進(jìn)口段長(zhǎng)12.22 m，為C25混凝土底板，厚0.20 m，兩側(cè)為C20混凝土擋土墻，墻高平均1.55 m；進(jìn)口段后接控制段，長(zhǎng)6.0 m，控制段為箱涵式結(jié)構(gòu)，堰頂高程為49.10 m，共分3孔，每孔4.6 m，中墩厚0.8 m，控制段過(guò)水總凈寬為13.80 m，總寬度為15.40 m，控制段交通橋面高程為52.71 m，橋面寬為4.6 m，兩側(cè)設(shè)有C25防撞墩；控制段后接泄槽段，泄槽段共分為兩段，第一段長(zhǎng)為67.28 m，上口寬為15.0 m，出口寬為5.30 m，坡度為1/57，為C25混凝土底板，厚0.20 m，兩側(cè)為C20混凝土擋土墻，墻高為2.20～3.11 m；第二段長(zhǎng)62.26 m，寬為5.30 m，坡度為1/6，為C25混凝土底板，厚0.30 m，兩側(cè)為C20混凝土擋土墻，墻高為1.96～2.20 m；溢洪道出水段為挑流型式，挑流鼻坎高程為37.72 m，挑角為20°

3.2.1 泄槽段水面線和側(cè)墻高度計(jì)算

馬嶺水庫(kù)溢洪道為開(kāi)敞式無(wú)坎寬頂堰，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇設(shè)計(jì)下泄流量31.10 m3/s，上游水位50.91 m；500年一遇校核下泄流量50.20 m3/s，上游水位51.61 m。根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL253—2018)要求來(lái)選取最大流量計(jì)算，具體見(jiàn)表5。

表5 溢洪道水面線計(jì)算參數(shù)

本次泄槽水面線應(yīng)根據(jù)能量方程，用分段求和法計(jì)算，計(jì)算公式(1)如下：

(1)

(1)首先判別陡槽段內(nèi)水流流態(tài)。臨界水深hk見(jiàn)式(2)：

(2)

式中：hk為臨界水深，m；α為動(dòng)能修正系數(shù)，取1；Q為下泄流量，取50.2 m3/s；b為渠道底寬，取5.3 m。計(jì)算得hk為2.09 m。

(2)確定起始計(jì)算斷面位置及其水深。本溢洪道堰頂后接了2段泄槽段，第2段比第1段陡，為此，應(yīng)該分段確定起始計(jì)算斷面位置及其水深，并按泄漕上游段型式分別選?。?/p>

第1段陡坡段：根據(jù)相關(guān)要求泄槽上游接寬頂堰、緩坡明渠或過(guò)渡段時(shí)，起始計(jì)算斷面定在泄槽首部，水深h1取用泄槽首端斷面計(jì)算的臨界水深hk，即h1=hk=2.09 m。

第2段陡坡段：根據(jù)規(guī)定要求，泄槽上游接陡坡段時(shí)，起始計(jì)算斷面定在泄槽首端以下3hk處，起始計(jì)算斷面水深h2

(3)

式中：q為起始計(jì)算斷面單寬流量，取9.47 m3/(s·m)；φ為起始計(jì)算斷面流速系數(shù)，取0.95；H0為起始計(jì)算斷面渠底以上總水頭，取5.77 m；θ為泄槽底坡坡角；取9°。

(3)考慮摻氣對(duì)水深的影響。摻氣及波動(dòng)水深按式(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1.2 s/m；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(jiàn)表6。

表6 陡坡段水面線計(jì)算成果

從表6可以看出，加固后墻高H均比計(jì)算的陡坡段水面線hb大，且安全超高滿足規(guī)范要求。

3.2.2 消能計(jì)算

馬嶺水庫(kù)溢洪道下游消能方式為挑流消能，下泄流量為27.7 m3/s。陡槽平均寬度為5.3 m，單寬流量q為5.23 m3/(s.m)，溢洪道堰頂高程49.10 m，堰上水位為50.77 m，挑流鼻坎高程為37.72 m，下游河床底高程35.19 m。采用“理正巖土工程水力學(xué)計(jì)算軟件6.5”進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 溢洪道挑流消能計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)挑角為20°時(shí)，沖刷坑深度T=4.46 m，總拋距L′=32.13 m，則T/L′=0.14<1/4，滿足要求。

3.2.3 邊墻穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)規(guī)范SL 253—2018，本次溢洪道邊墻抗滑穩(wěn)定按式(5)進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：Kc為按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑安全系數(shù)；f為邊墻與基巖接觸的抗滑摩擦系數(shù)；∑W為作用于邊墻上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的法向分量；∑P為作用于邊墻上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的切向分量。

抗傾覆穩(wěn)定按式(6)進(jìn)行計(jì)算：

(6)

式中：K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；∑My為作用于墻體的荷載對(duì)前趾產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩，kN·N；∑M0為作用于墻體的荷載對(duì)前趾產(chǎn)生的傾覆力矩，kN·N。 計(jì)算時(shí)，采用溢洪道邊墻最高斷面進(jìn)行計(jì)算。最高斷面為控制段即溢洪道堰頂處兩邊邊墻，最大墻高為3.11 m，墻頂寬度為0.5 m，迎水面為垂直面，墻后坡比為1∶0.4，其余尺寸參數(shù)見(jiàn)圖2，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

圖2 溢洪道邊墻計(jì)算(單位：mm)

表8 邊墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，邊墻穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3.3 輸水涵管加固設(shè)計(jì)

本次加固措施為拆除重建進(jìn)水口和出水口，進(jìn)水口采用平面鋼閘門(mén)控制水流，配LQ 20 t手電兩用螺桿式啟閉機(jī)啟閉。而重建大壩輸水涵管進(jìn)水口包括進(jìn)水渠段、進(jìn)水口段、閘室段[3]。

(1)進(jìn)水渠段。進(jìn)水渠段長(zhǎng)8.0 m，為梯形土坡，兩側(cè)邊坡1∶1.5，渠底高程39.00 m，渠底寬3.0 m，渠頂高程由42.00 m漸變至40.75 m。

(2)進(jìn)水口段。進(jìn)水口段長(zhǎng)4 m，采用C25鋼筋混凝土U型結(jié)構(gòu)，前端渠寬3.0 m，后端渠寬2. 0 m，底板及側(cè)墻厚均為0.4 m，底板下鋪設(shè)C15素混凝土墊層厚0.1 m，兩側(cè)邊墻高程由43.00 m漸變至42.00 m。

(3)閘室段。閘室段長(zhǎng)8.5 m，為塔式進(jìn)水口，底板頂高程39.00 m，閘墩頂高程43.00 m，閘墩厚0.70～1.42 m，底板厚0.7 m，頂板厚0.3 m或0.5 m。閘室段從上游到下游共分為4段，分別為攔污柵段、進(jìn)口漸變段、閘門(mén)段和方圓漸變段，攔污柵段長(zhǎng)2.0 m，過(guò)水?dāng)嗝鎯魧?.0 m，凈高2.6 m，本段設(shè)有檢修門(mén)槽和攔污柵；進(jìn)口漸變段長(zhǎng)1.8 m，過(guò)水?dāng)嗝鎯魧捰?.0 m漸變?yōu)?.5 m，凈高由4.0 m漸變?yōu)?.5 m，頂板為橢圓曲線；閘門(mén)段長(zhǎng)2.4 m，過(guò)水?dāng)嗝鏋檎叫?，邊長(zhǎng)0.5 m，本段設(shè)有鋼閘門(mén)，門(mén)后設(shè)有通氣孔；方圓漸變段長(zhǎng)2.0 m，過(guò)水?dāng)嗝嬗煞叫螡u變?yōu)閳A形，方形斷面邊長(zhǎng)和圓形斷面直徑均為0.5 m。

閘室段采用一扇平面鋼閘門(mén)控制水流，閘門(mén)尺寸為1.0 m×1.0 m，采用LQ20 t手電兩用螺桿式啟閉機(jī)啟閉，啟閉運(yùn)行最高控制水位為51.61 m。

啟閉室與壩頂由人行橋連接，人行橋長(zhǎng)38.00 m，橋面總寬度2.2 m，4跨。橋上部為現(xiàn)澆T形梁板結(jié)構(gòu)，橋板厚度0.15 m，主梁高800 mm，梁寬250 mm，每跨布2根主梁，梁間距1.55 m；次梁高550 mm，梁寬200 mm，每跨布3根次梁，梁間距4.1 m。T形梁板用C30混凝土現(xiàn)澆。

輸水涵管管身內(nèi)套DN500鋼管，在管身兩側(cè)進(jìn)行充填灌漿，灌漿孔共22個(gè)，進(jìn)尺總深度為297.68 m。

輸水涵管出水口拆除重建，出水口接消力池，采用C25鋼筋混凝土U型結(jié)構(gòu)，池寬1.5 m，底板及側(cè)墻厚均為0.4 m，底板下鋪設(shè)C15素混凝土墊層厚0.1 m，兩側(cè)邊墻高為3.0 m；消力池后接磚砌排水渠，凈尺寸為1.5 m×1.0 m(寬×高)。

4 結(jié) 語(yǔ)

馬嶺水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程實(shí)施后，不僅能消除水庫(kù)安全隱患，提高水庫(kù)防汛防洪能力。同時(shí)，還保障了水庫(kù)下游村鎮(zhèn)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。這對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，發(fā)揮水庫(kù)效益都具有十分重要的意義。