新地水庫除險加固工程設(shè)計分析

易會明

（汕尾市水利水電建筑工程勘測設(shè)計室，廣東 汕尾 516600）

新地水庫地處廣東省汕尾市城區(qū)東涌鎮(zhèn)，距離汕尾市區(qū)中心約5 km[1]。水庫始建于1989年2月，1989年8月竣工并蓄水投入運行，主要用于灌溉農(nóng)作物，還有防治洪水的作用，同時通過水庫調(diào)節(jié)降低汛期洪水泄量。自從修建運營以來，水庫在東涌鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動及人民日常生活中均起著舉足輕重作用，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的較快速增長，滿足了1 500名人民的生產(chǎn)生活用水需要。水庫加固后保護(hù)了約46.69 hm2的耕地，同時保障16.675 hm2的有效灌溉面積。

但是，由于受到修建時期經(jīng)濟(jì)條件與技術(shù)水平的限制，工人施工質(zhì)量意識不嚴(yán)謹(jǐn)，同時不具備專業(yè)的質(zhì)量檢測和質(zhì)量控制技術(shù)，工程質(zhì)量較差，且施工過程中盲目追求速度而忽視了相關(guān)記錄，導(dǎo)致沒有留下任何現(xiàn)場施工記錄。水庫一旦出現(xiàn)失事，不僅會淹沒和損害下游耕地，導(dǎo)致減產(chǎn)甚至無產(chǎn)；同時，也會對下游人民的財產(chǎn)安全造成極大危害，甚至威脅百姓生命安全。因此，實施新地水庫除險加固工程很有必要。

本次除險加固工程主要涉及大壩、溢洪道和輸水涵管三部分的設(shè)計研究。

1 大壩除險加固

1.1 大壩現(xiàn)狀

（1）壩頂。通過實地踏勘，獲悉大壩為均質(zhì)土壩，全長92 m，壩高9.50 m，混凝土防浪墻高度0.5 m，壩頂分布著崎嶇不平的泥結(jié)石路面，其寬度約為4.32 m。

（2）上游壩坡。大壩上游壩坡坡比約為1∶2.4，壩面防護(hù)措施不夠完善，只有部分坡面上設(shè)置了混凝土護(hù)坡，其余均沒有采取任何防護(hù)措施。

（3）下游壩坡。大壩下游的壩坡坡比約為1∶2.1，坡面現(xiàn)狀沒有采取任何防護(hù)措施，凹凸不平且長有雜草及灌木；雖然排水棱體設(shè)置在下游壩腳的位置，但是體積較小且縫隙內(nèi)長有雜草致使棱體排水不暢。

（4）輸水涵管。輸水涵管已出現(xiàn)堵塞導(dǎo)致過流能力減弱，且閘門啟閉拉桿已出現(xiàn)老化問題，正常啟閉工作受到一定影響；引水涵管出口連接灌溉土渠，土渠與壩腳未采取有效的分隔措施，土渠出口水流易出現(xiàn)淘刷壩腳情況。

（5）水情監(jiān)測設(shè)置。大壩目前沒有設(shè)置可以實時監(jiān)測水情的系統(tǒng)，大壩的日常運行情況無法及時報送給主管部門。

1.2 除險加固設(shè)計方案

為了解決上述問題，擬定以下設(shè)計方案。

（1）壩頂鋪設(shè)C25的混凝土路面，路面厚度200 mm，壩頂高程統(tǒng)一設(shè)置為24.80 m。

（2）拆除上游的混凝土護(hù)坡，護(hù)坡的襯砌材料為C20混凝土，厚度為150 mm；拆除下游坡面排水棱體，修建坡面貼坡排水以及坡面鋪設(shè)草皮，下游壩腳修建排水渠道全長為36 m，寬度為1 m，側(cè)墻高度為1.0 m，采用C30鋼筋混凝土。

（3）大壩壩體新建防滲心墻，心墻材料為塑性混凝土，深入含強風(fēng)化板巖層1.0 m，厚度為0.35 m。

1.3 設(shè)計計算

1.3.1 壩頂高程計算

本次選取最大壩高處的斷面作為計算斷面，設(shè)置了3種不同工況下的壩頂超高。

（1）在設(shè)計洪水位下能夠保持正常運行狀態(tài)的壩頂超高（工況1）。

（2）在正常蓄水位下能夠保持正常運行狀態(tài)的壩頂超高（工況2）。

（3）在校核洪水位下處于非常規(guī)運行狀態(tài)下的壩頂超高（工況3）。

通過下列公式來計算壩頂超高：

式中：y為壩頂超高（m）；R為最大波浪爬高（m）；e為最大壅水高程（m）；A為安全加高（m）。

利用上式計算得到的不同工況下壩頂高程結(jié)果，詳見表1。

表1 新地水庫大壩壩頂高程在不同工況下的計算結(jié)果 m

根據(jù)表1可知，本次除險加固工程選用的壩頂高程為24.80 m，大于不同工況下所需要的最大壩頂高程24.48 m，因此能夠滿足要求[2]。

1.3.2 滲流計算

對于土壩滲流的計算，設(shè)置5種不同工況。

（1）水庫上游處于22.47 m的正常蓄水位，下游處于對應(yīng)的水位（工況1）。

（2）水庫上游處于23.60 m的設(shè)計洪水位，下游處于對應(yīng)的水位（工況2）。

（3）水庫上游處于24.08 m的校核洪水位，下游處于相應(yīng)的水位（工況3）。

（4）水庫水位從24.08 m的校核洪水位下降到22.47 m的正常蓄水位（工況4）。

（5）水庫水位從22.47 m的正常蓄水位下降到17.47 m的死水位（工況5）。

根據(jù)大壩地質(zhì)勘探情況，本次設(shè)計計算選取最大壩高處（樁號0+050）為基本斷面進(jìn)行滲流分析計算，結(jié)果詳見表2。

表2 新地水庫大壩滲流在不同工況下的計算結(jié)果

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，大壩設(shè)置塑性混凝土心墻且下游壩坡設(shè)置貼坡反濾后，浸潤線明顯降低，上游滲水全部由貼坡反濾體排出，大壩沒有出現(xiàn)滲透破壞風(fēng)險，該方案是合理的。

1.3.3 壩坡穩(wěn)定計算

新地水庫加固后其設(shè)計正常蓄水位為22.47 m，設(shè)計洪水位為23.60 m，校核洪水位為24.08 m，死水位為17.47 m。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗[3-7]，在進(jìn)行土壩壩坡穩(wěn)定性計算時，需要將各種不同的運行工況均考慮在內(nèi)。本節(jié)結(jié)合新地水庫的具體情況，設(shè)置了5種工況，與進(jìn)行滲流計算時設(shè)置的工況相同。

根據(jù)大壩地質(zhì)勘探情況，本次設(shè)計計算選取最大壩高處（樁號0+050）為基本斷面進(jìn)行加固前后的邊坡穩(wěn)定分析計算，結(jié)果詳見表3。

表3 不同工況下新地水庫大壩壩坡加固后穩(wěn)定計算結(jié)果

由表3可知，大壩加固后各種工況下上游與下游的壩坡穩(wěn)定性都能夠滿足相關(guān)規(guī)范的要求，故本次設(shè)計合理。

2 溢洪道除險加固

2.1 溢洪道現(xiàn)狀

溢洪道設(shè)在右岸山坡上，為原始開挖土渠，兩側(cè)沒有設(shè)置擋土墻，泄洪時會對壩體產(chǎn)生一定沖擊；末端無消能設(shè)施，對底部的沖刷淘空嚴(yán)重。

2.2 除險加固設(shè)計方案

為了解決上述問題，擬定以下設(shè)計方案。

將溢洪道的形式設(shè)置為寬頂堰，全長約94.28 m，頂部高程設(shè)為22.47 m，堰寬4 m。

（1）進(jìn)口段采用C20混凝土擋墻，厚度為300 mm的C25鋼筋混凝土護(hù)底，進(jìn)口段總長為15.10 m。

（2）控制段采用C20混凝土擋墻，厚度為600 mm的C25鋼筋混凝土護(hù)底，控制段總長為8.0 m。

（3）泄槽段采用C20混凝土擋墻，厚度為500 mm的C25鋼筋混凝土護(hù)底，每隔10 m設(shè)置1個分縫，以三油二氈填縫，設(shè)置縱橫向碎石排水暗溝，泄槽段總長為60.0 m。

（4）設(shè)置長與深分別為5.0 m和0.50 m、形式為底流消力池的消能工，在后面接海漫長6.18 m。

2.3 設(shè)計計算

2.3.1 溢洪道泄流能力計算

根據(jù)此次測量及安全技術(shù)認(rèn)定資料，溢洪道設(shè)置于副壩右壩肩，屬于岸邊開敞式，為寬頂堰，其中進(jìn)口段長15.10 m、控制段長8.00 m、泄槽段長60.0 m、消能段長5.00 m。泄槽分6段，坡比為1∶55（6段各長10 m）。消能段采用底流消力池消能，高程21.37 m，池長5.00 m，池深0.50 m，后接海漫。

過流流量利用下式進(jìn)行計算：

式中：Q為流量（m3/s）；m為流量系數(shù)；ε為淹沒系數(shù)；B為進(jìn)口段寬度（m）；g為重力加速度（m/s2）；H0為進(jìn)口斷面上游總水頭（m）。

2.3.2 進(jìn)水渠導(dǎo)墻及控制段邊墻高程確定

對于邊墻高程的計算，設(shè)置了3種不同的工況。

（1）校核洪水位（0.5%）24.08 m+安全超高0.4 m（工況1）。

（2）設(shè)計洪水位（5%）23.60 m+波浪爬高0.165 m+安全超高0.3 m（工況2）。

（3）正常蓄水位22.47 m+波浪爬高0.165 m+安全超高0.3 m（工況3）。

由于溢洪道距離主壩非常近，直接采用大壩的波浪爬高來計算溢洪道的波浪爬高，結(jié)果詳見表4。

表4 溢洪道上游進(jìn)水口邊墻高程計算結(jié)果 m

由表4可知，進(jìn)水渠導(dǎo)墻邊墻計算高程為24.48 m，設(shè)計取24.48 m。

2.3.3 消能防沖計算

溢洪道現(xiàn)狀由土渠構(gòu)成，而且在其下游部分沒有對水體進(jìn)行任何消能，本次新建底流防沖刷形式的消能工，并進(jìn)行各種消能防沖計算，確定其深度與長度符合規(guī)范要求。

（1）下游水深計算。下游水深按明槽均勻流公式計算：

式中：A為水流通過的截面積（m2）；C為謝才系數(shù)（m0.5/s）；R為水力半徑（m）；i為底坡；其余變量含義同上。

（2）判斷是否需要建消能工。流速水頭計算公式為：

式中：Ek為流速水頭（m）；α為水流動能校正系數(shù)；v為流速（m/s）；其余變量含義同上。

收縮斷面水深計算公式為：

式中：hc為縮窄斷面的水深（m）；T0為消力池底部以上的總水頭（m）；q為單寬流量（m2/s）；φ為速度系數(shù)；其余變量含義同上。

躍后水深計算公式為：

式中：hc′為水躍發(fā)生后的水深（m）；b1和b2分別為消力池首端和末端的寬度（m）；其余變量含義同上。

如果水體發(fā)生了遠(yuǎn)離式水躍，就要在溢洪道中修建消能工；如果沒有發(fā)生，那么在溢洪道中就不用修建消能工。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，設(shè)計流量定義為發(fā)生水躍以后的水深與下游水深相減最大值相對應(yīng)的流量。因此，本文最終確定的設(shè)計流量為0.755 m3/s。

（3）消力池池深計算。其計算公式為：

式中：S為水深（m）；σ為水躍淹沒度；h2為臨界水躍時的躍后水深（m）；ht為下游水深（m）；Δz為出口處的水面落差（m）；?為出流流速系數(shù)；b為消力池寬度（m）；其余變量含義同上。

消力池池深計算結(jié)果，詳見表5。

表5 消力池池深計算結(jié)果

由表5可知，設(shè)計流量所對應(yīng)的消力池深度為0.362 m，因此設(shè)計深度取為0.5 m。

（4）消力池長度計算。其計算公式為：

式中：Lj為跌水長度（m）；L為最終得到的消力池長度（m）；β為水躍長度校正系數(shù)；Ls為消力池長（m）；其余變量含義同上。

消力池池長計算結(jié)果，詳見表6。

表6 消力池池長計算結(jié)果 m

設(shè)計流量所對應(yīng)的消力池長度為4.255 m，設(shè)計長度取為5.0 m。

本次加固后消力池的池深和長度分別取為0.5 m和5.0 m，滿足設(shè)計要求。

3 輸水涵管除險加固

3.1 輸水涵管現(xiàn)狀

輸水涵管現(xiàn)狀為黏土瓦管，管徑0.5 m，進(jìn)口設(shè)鑄鐵閘門，啟閉方式為斜拉桿手動啟閉，鑄鐵閘門現(xiàn)狀存在銹蝕，漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，其他金屬啟閉設(shè)備銹蝕不堪，出口無消能設(shè)施。根據(jù)水庫管理人員反映，涵管于1989年與大壩同期建成，運行年限較長，涵管啟閉室頂板及墻壁均有漏水現(xiàn)象，輸水涵管閘門手動啟閉困難，存在卡死現(xiàn)象，不能及時啟閉，嚴(yán)重影響供水。

3.2 除險加固設(shè)計方案

為了解決輸水涵管的上述問題，擬定以下設(shè)計方案。

（1）對涵頭進(jìn)行重建，并更換涵管鑄鐵閘門。

（2）拆除重建引水涵管，涵管選用型號為DN600的預(yù)制混凝土管，管身下設(shè)置型號為C25的混凝土管座，鋼筋混凝土截水環(huán)設(shè)置在管身全段，每個截水環(huán)之間的距離設(shè)置為5 m。

（3）在涵管的出口處新建消力池，深0.30 m，長2.60 m，后接灌溉渠道。

（4）拆除重建涵管啟閉室，并更換斜拉桿等啟閉設(shè)備。

3.3 設(shè)計計算

3.3.1 輸水涵管過流能力計算

輸水涵管進(jìn)口底高程16.70 m，出口底高程15.00 m，總長55.58 m，采用直徑0.60 m的C25預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管。水庫正常蓄水位22.47 m，設(shè)計水位23.60 m，校核水位24.08 m。

利用下式分別計算不同情況下輸水建筑物的過流能力。

有壓流計算公式為：

無壓流計算公式為：

式中：μ為流量系數(shù)；ω為涵管出口處截面的面積（m2）；Z為上游和下游的水頭差（m）；H為上游總水頭（m）；k2m為系數(shù)；B為涵管過水截面寬度（m）；σ為淹沒系數(shù)；其余變量含義同上。

3.3.2 輸水涵管出口消力池計算

因涵管的出口流量較小，本次設(shè)計按照構(gòu)造要求將消力池設(shè)置在涵管下游出口處，消力池的深度和長度分別為0.3 m和4.39 m，消力池底板材料為C30鋼筋混凝土。

4 結(jié)語

為了切實解決新地水庫目前存在的一系列較為嚴(yán)重問題，從大壩、溢洪道和輸水涵管3個主要方面進(jìn)行了除險加固工程設(shè)計，可為類似大壩除險加固工程設(shè)計提供一定的經(jīng)驗與參考。