楊水碾水庫除險加固設計技術措施

宋天文，李龍國

(四川大學水電學院，成都610065)

1 工程概況

楊水碾水庫是一座位于眉山市東坡區廣濟鄉境內的小(1)型水庫，屬岷江水系思蒙河支流，距眉山市城區33 km。水庫大壩為均質土壩，于1955年11月動工修建，1957年3月竣工蓄水。壩址以上集雨面積11.1 km2，總庫容370.54萬m3，大壩最大壩高26.4 m。校核洪水位522.84 m，設計洪水位522.26 m，正常蓄水位520.65 m，正常庫容295.6萬m3，死水位499.40 m，死庫容8.4萬m3，興利庫容287.2萬m3。溢洪道位于大壩左側350 m處的一天然埡口處，為開敞式正槽實用堰，堰頂高程520.65 m，堰頂凈寬32 m，設計下泄流量164.46 m3。放水設施位于大壩的左岸，分高低涵臥管，目前水庫高臥管已經廢棄不用。低臥管由漿砌條石修建，放水臥管斷面尺寸0.5 m×0.5 m(寬×高)。放水孔孔徑0.3 m，孔中心垂直間距0.4 m，最大放水流量0.62 m3/s，滿足放水要求。

2 樞紐存在的主要問題

根據《四川省內眉山市東坡區楊水碾水庫大壩安全評價報告》和楊水碾水庫《安全鑒定報告書》，結合整治設計階段所進行的現場檢查、地勘及實驗情況，楊水碾水庫樞紐工程存在的主要問題為:

上游壩坡正常水位附近有防浪面板保護設施，上游壩坡其他部位無護坡，正常水位以上雜草叢生，防浪面板有部分松動塌陷。下游壩坡無護坡，雨水沖刷嚴重，凹凸不平，局部表層土有蠕變跡象。

通過對大壩上下游壩坡抗滑穩定進行計算表明，上下游壩坡均存在抗滑穩定安全系數不滿足規范要求的工況。大壩壩基壩肩均置于泥巖基礎上，大壩填筑料主要為含砂卵石黏土，并有少量殘坡積黏土及泥巖風化料，填筑時未嚴格控制質量，上下游壩坡存在一定范圍的沉陷變形。結合計算結果，大壩上下游壩坡存在安全隱患，需進行整治。

溢洪道邊墻高度不能滿足泄流要求，造成洪水溢漫，淹沒下游壩腳處22.7 hm2農田。

楊水碾水庫是一座以灌溉為主，兼有防洪、養殖等綜合效益的小(1)型水利樞紐工程。楊水碾水庫一旦失事，大壩下游的2 000 hm2以上農田將被淹沒，3個鄉鎮的人民生命財產安全也將受到嚴重損失。因此對水庫樞紐進行整治，是非常必要和迫切的。

3 除險加固措施設計

整治方案設計的總體原則是:1)在保證安全的前提下的盡量做到經濟合理，充分發揮水庫效益;2)設計方案切實可行，便于施工操作［1］。

3.1 大壩整治設計

3.1.1 上游壩坡整治

針對上游壩坡出現的病險情況，擬采取以下整治措施:

上游壩坡在高程518.55 m處的馬道由原來的0.6 m向壩內延伸至1.5 m。從高程518.55 m處至大壩壩頂523.95 m由原坡度1∶1.74削緩至1∶2.0。壩軸線向下游偏移2.05 m，壩頂寬度由4.5 m拓寬至5.0 m。從高程518.55 m至高程513.09 m仍保持為原有坡度1∶2.33，從高程513.09 m至壩基保持不變，坡度為1∶3.0。從死水位499.40 m至壩頂采用厚0.10 m的C15混凝土預制塊護坡，混凝土預制塊下砂卵石墊層厚0.3 m，在馬道末端設置一1.0 m×1.0 m的條石防滑墩。上游預制混凝土板護坡采用 M10水泥砂漿勾縫，水位499.40 m至正常高水位520.65 m間的混凝土護坡每1.5 m呈梅花型預留排水孔，排水孔后設反濾土工布。

3.1.2 下游壩坡整治設計

下游壩坡坡面凹凸不平，雜草叢生，且存在滑坡趨勢，擬采取以下整治措施:

下游壩坡從壩頂523.95 m至排水棱體頂部502.35 m處清除壩體表層浮土30 cm，在此基礎上對壩坡進行培厚:從壩頂至高程513.95 m處坡度采用1∶2.0，從高程513.95 m至高程506.25 m處坡度采用1∶2.5，從高程506.25 m處至排水棱體頂502.35 m處坡度采用1∶2.75，排水棱體外邊坡坡度為1∶1.5。從排水棱體頂502.35 m至壩頂523.95 m設置框格草皮護坡，框格網采用C15混凝土澆注，尺寸為3.0 m×3.0 m，框格建好后覆土，鋪20 cm厚的耕植土，框格內種植麥冬草。

楊水碾水庫整治后最大橫剖面圖見圖1。

圖1 楊水碾水庫整治后大壩最大橫剖面圖

3.1.3 上、下游壩坡穩定校核

3.1.3.1 計算工況

1)上游壩坡:

①工況1:由正常水位520.65 m降至死水位499.40 m;②工況2:由設計洪水位522.26 m驟降至溢洪道堰頂高程520.65m再降至死水位499.40 m;③工況3:由校核洪水位522.84 m驟降至溢洪道堰頂高程520.65m再降至死水位499.40 m;④工況 4:由正常水位520.65 m降至死水位499.40 m，計入地震［2］。

2)下游壩坡:

①工況1:正常水位520.65 m形成的穩定滲流期;②工況2:設計洪水位522.26 m形成的滲流期;③工況3:校核洪水位522.84 m形成的滲流期;④工況4:正常水位520.65 m形成的穩定滲流期，計入地震［2］。

3.1.3.2 計算方法及計算成果

根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》［3］，采用簡化畢肖普法在微機上用QuickBasic語言及簡化畢肖普法計算公式編制的程序［4］進行計算。計算出抗滑穩定最小安全系數，結果見表1及表2。

表1 上游壩坡抗滑穩定計算表

表2 下游壩坡抗滑穩定計算表

從表1、表2可以看出整治后大壩上、下游壩坡的抗滑穩定最小安全系數滿足規范要求［5］。

3.2 溢洪道整治設計

溢洪道存在的主要問題是:溢洪道邊墻高度不夠，下泄洪水溢過邊墻，導致壩腳340畝農田被洪水淹沒。

3.2.1 溢洪道水力計算

3.2.1.1 泄槽水力計算

楊水碾水庫為小(1)型水庫，按照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》［6］的規定，溢洪道下泄流量按300 a一遇校核洪水進行演算得溢洪道最大下泄流量為164.46 m3/s。

根據《溢洪道設計規范》SL253－2000［7］，泄槽段水面線按下列公式進行計算

式中:Δl1－2為分段長度，m;h1、h2為分段始、末斷面水深，m; v1、v2為分段始、末斷面平均流速，m/s;α1、α2為流速分布不均勻系數，取1.05;θ為泄槽底坡角度，°;i為泄槽底坡，i= tgθ;J為分段內平均摩阻系數;n為泄槽槽身糙率系數;v分段平均流速，v=(v1+v2)/2，m/s;R為分段平均水力半徑，R－=(R1+R2)/2，m。

式中:h、hb為泄槽計算斷面的水深及摻氣后得水深，m;v為不摻氣情況下泄槽計算斷面得流速，m/s;ζ為修正系數，可取1.0～1.4 s/m，流速大者取大值。

3.2.1.2 水面線及邊墻頂高程設計

邊墻高=水深(含摻氣水深)+安全超高，根據《碾壓土石壩設計規范》［8］，安全超高取0.5 m。根據以上公式，各斷面水深及邊墻高程計算結果見表3。

水流摻氣后的水深計算公式為:

表3 溢洪道邊墻計算成果表

3.2.2 溢洪道整治措施

對溢洪道邊墻進行加高，加高所用材料與原邊墻襯砌材料一致，為漿砌條石，所需邊墻高度見表3。

4 結語

20世紀50年代末至60年代初興建了大量的小型水庫，水庫大壩絕大部分為均質土壩。由于這些工程建設于特定的年代，屬于“邊勘測、邊設計、邊施工”、“群眾運動、土法上馬”的工程，樞紐工程的設計與施工本來就存在一些缺陷，加之水庫興建至今近50 a，工程老化不可避免，主要病險情況集中表現為大壩上下游壩坡滑坡及溢洪道過流能力不足，并且問題日益嚴重，影響到水庫正常運行，且已構成安全隱患。針對此類病險水庫，可以采取以下處理措施:

1)壩體滑坡可根據具體情況采用坡腳壓重、上部削坡減載、補坡等綜合防護措施。對有滑移跡象的裂縫，除應按前述要求對裂縫進行處理外，還應對滑移邊坡進行處理。

2)針對溢洪道洪水溢漫問題，應在計算的基礎上加高溢洪道邊墻到要求高度，同時應做好泄槽段雜草及淤泥清理工作。

3)應該注意加強水庫的安全運行管理，制定相應的應急預案，發現問題能夠及時處理。

［1］ 牛運光.病險水庫加固實例(第一版)［M］.北京:中國水利水電出版社，2002.

［2］ DL5073－2001水工建筑物抗震設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2002.

［3］ SL189－96小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則［S］.北京:中國水利水電出版社，2002.

［4］ 楊進良.土力學［M］.北京:中國水利水電出版社，2006:219－221.

［5］ 陳德亮，王長德.水工建筑物［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［6］ SL252－2000水利水電工程等級劃分及洪水標準［S］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［7］ SL253－2000溢洪道設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2002.

［8］ SL274－2001碾壓土石壩設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2002.