東溝水庫除險加固工程攔河壩設計

李曉東 李楊

1沈陽農(nóng)業(yè)大學，遼寧 沈陽110866；2撫順市水利勘測設計研究院，遼寧 撫順 113000

東溝水庫除險加固工程攔河壩設計

李曉東1李楊2

1沈陽農(nóng)業(yè)大學，遼寧 沈陽110866；2撫順市水利勘測設計研究院，遼寧 撫順 113000

首先確定了攔河壩、溢洪道、 輸水洞等樞紐工程總布置，并分別從攔河壩設計、壩頂高程和壩體穩(wěn)定復核、 上下游塊石護坡穩(wěn)定計算等方面進行水庫除險加固工程設計。

水庫除險加固；工程設計

reservoir reinforcement; designing

東溝水庫位于東溝河上，水庫總庫容149.43萬m3，依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》SL252-2000及《防洪標準》GB50201-94的規(guī)定，東溝水庫工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小（1）型，樞紐永久性建筑物（大壩、溢洪道、輸水洞）等級為4級，永久性次要建筑物（溢洪道尾水渠等）為5級，臨時性水工建筑物為5級。

校核洪水標準重現(xiàn)期為300年，設計洪水標準為30年。溢洪道消能防沖標準為20年一遇洪水。根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》GB18306-2001東溝水庫樞紐工程的設計烈度為7度。

1 樞紐工程總布置

本次工程總布置包括：攔河壩、溢洪道、輸水洞等。

1.1 攔河壩

大壩壩型為黏土心墻壩，全長23 0.0m，壩高19.24m，壩頂高程339.24m，防浪墻頂高程340.24m，高出壩頂1.0m，壩頂寬4.0m。壩頂路面為碎石土路。心墻頂高程337.70m，心墻底寬4.0m，心墻最大寬度7.0m，黏土心墻直接與巖基相接，巖基開挖深度1.5m，基槽底寬4.0m。上游壩坡坡比為1：2.5，1：3.0；下游壩坡坡比為1：2.0，1：2.5，在高程330.00m處上下游各設戧臺一道，寬度為1.5m。壩殼填筑料為風化砂。

1.2 溢洪道

溢洪道設在大壩右端，為開敞式正堰溢洪道。由進口段、控制段、收縮段、泄槽段、消能段組成。堰型為WES實用堰，堰寬18.0m，堰頂高程為336.40m，不設閘門。堰下為收縮段，長8.0m，由18.0m收縮為16.0m，下接陡槽，陡槽及挑坎寬16.0m，溢洪道總長為70.5m。

1.3 輸水洞

輸水洞位于大壩左端，采用壩下埋管的形式，輸水管采用承插式預制混凝土管，直徑D＝800mm，長度為73.50m，在樁號0+034.5至0+037.5為豎井，豎井內(nèi)設D＝600mm的閘閥，閘閥前設1.0×1.0鑄鐵閘門一道，輸水洞進口高程為325.00m，進口為混凝土八字墻，其長度為5.0m，輸水洞出口消力池與渠道相連。

2 攔河壩設計

2.1 壩頂高程復核

2.1.1 壩頂超高按下式計算

y=R+e+A

式中：y——壩頂超高，m；R——最大波浪在壩坡上的爬高，m；e——最大風雍水面高度，m；A——安全加高，m。按規(guī)范規(guī)定，Ⅳ級壩（山區(qū)、丘陵區(qū)）設計情況下A=0.5m，校核情況下A=0.3m。

2.1.2 壩頂高程和防浪墻頂高程確定，詳見表1。

表1 各種情況下的壩頂高程和防浪墻頂高程 ( 單位：m)

設計取最大值，計算防浪墻頂為340.22m，現(xiàn)狀壩頂高程為339.00m，防浪墻頂340.00m，不滿足防浪墻設計高程。所以本次設計將壩頂高程加高至與校核洪水位齊平339.24m，防浪墻高取1.0m，故本次設計防浪墻頂為340.24m，高出計算防浪墻頂高程0.02m，滿足要求。

2.2 壩體穩(wěn)定復核

東溝水庫原大壩為黏土心墻壩，壩長230.0m，壩頂寬4.0m，壩頂高程339.00m，防浪墻頂高程340.00m，上游壩坡坡比為1：2.5，1：3.0；下游壩坡坡比為1：2.0，1：2.5。本次加固設計將壩頂加高0.24m，壩頂高程339.24m，防浪墻頂高程340.24m，上下游坡比不變。根據(jù)撫順地區(qū)黏土、砂礫料、風化砂的物理力學性質(zhì)，東溝水庫筑壩材料設計強度指標見表2。

表2 筑壩材料設計強度指標

2.2.1 滲流穩(wěn)定分析

滲流計算按達西定律進行計算，透水地基上心墻土壩正常高水位穩(wěn)定滲流浸潤線按達西定律建立方程式求解。基巖按不透水層考慮，侵潤線偏高，偏于安全，計算方法按《水工設計手冊》。

2.2.1.1 下游壩坡逸出點驗算：

滲透系數(shù)：心墻黏土滲透系數(shù)K0=5.2×10-6cm/s；上下游壩殼風化砂K1=5.2×10-4cm/s；地基砂質(zhì)粉土滲透系數(shù)K2=6.5×10-3cm/s；

各層厚度：地基砂質(zhì)粉土層平均厚度T1=4.2m；心墻厚度 d1=2.0m，d2=7.0m，d3=4.0m

2.2.1.2 正常運用條件下浸潤線計算：

邊界條件：上游正常高水位336.40m；下游無水（地面320.0m）；）心墻滲透系數(shù)K0與壩殼K1相差100倍，故庫水位當做1—1斷面水位，偏與安全；基巖面以下為不透水層。

根據(jù)《水力計算手冊》中心墻土壩在有限透水地基上，心墻至不透水層，計算公式：

聯(lián)立上式解方程求得浸潤線和大壩主河槽單寬滲流量得：

h1=5.18m，h0=1.22m，q=6.1×10-4m3/s。

心墻下游側(cè)浸潤線高程為325.64m，排水體處逸出高程為319.0m。

經(jīng)壩體浸潤線計算，下游壩坡逸點在排水棱體內(nèi)，滿足滲流穩(wěn)定要求。

2.2.2 壩體邊坡穩(wěn)定計算

壩體邊坡穩(wěn)定計算方法根據(jù)土壩規(guī)范（SL274-2001）的規(guī)定，可采用簡化畢肖普法計算壩坡抗滑穩(wěn)定。大壩建成后已運行多年，故壩體邊坡復核僅對穩(wěn)定滲流期的上下游壩坡穩(wěn)定及水庫水位驟落期的上游壩坡穩(wěn)定計算。

新設計大壩斷面為在原大壩斷面的基礎(chǔ)上，壩頂加高0.24m，上下游坡比不變。

壩坡穩(wěn)定工況為：正常蓄水位3 3 6.40m；設計（P=3.33%）338.45m；校核（P=0.33%）339.24m。計算結(jié)果見表3。

表3 穩(wěn)定計算成果表

由結(jié)果得出：各工況下的壩坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

2.3 上游塊石護坡穩(wěn)定計算

2.3.1 塊石護坡直徑計算

根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》SL274-2001，確定護坡塊石直徑：

式中，D—石塊的換算球形直徑，m；m—坡率，取2.5；Kt—隨坡變化的系數(shù)，取1.3；ρ k—塊石密度，2.7t/m3（片麻巖）； ρ w—水的密度，1.0t/m3；hp—累計頻率為5%的波高。

經(jīng)計算，護坡塊石直徑為0.28m，本次設計護坡塊石直徑采用0.30m。

2.23.2 護坡厚度計算

根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》SL274-2001，護坡厚度計算公式為：

式中：t—護坡厚度，m；K—隨頻率變化的系數(shù)，取1.3。

其余符號同前。

經(jīng)計算護坡厚度為0.17m，本次設計護坡厚度采用0.30m，下設0.20m碎石墊層和100mm混合砂。

2.4 大壩上游護坡拆除重建范圍

大壩上游塊石護坡由于壩體沉降，水位變動及風浪淘刷，塊石護坡凹凸不平，在正常蓄水位以上常有塊石翻起，墊層被淘空，塊石風化嚴重，本次加固設計將壩坡上風化嚴重的塊石揀出來，在水庫死水位以上重新鋪設3 00m m厚塊石，下設200mm碎石和100mm混合砂。

2.5 下游草皮護坡

下游壩坡無護坡，現(xiàn)狀為土坡，本次加固設計下游護坡鋪設草皮護坡。

2.6 防浪墻設計

原防浪墻為磚砌結(jié)構(gòu)，頂高程為340.00m，底高程為337.70m，結(jié)構(gòu)形式為 L型擋墻，墻厚400mm。本次設計將原防浪墻全部拆除，重新修建混凝土防浪墻，墻頂高程為340.24m，底高程為337.70m，墻厚250mm, 防浪墻結(jié)構(gòu)形式為 L型擋墻。

［1]李煒.水力計算手冊（第二版）.中國水利水電出版社,2006,06

［2]SL274-2001碾壓式土石壩設計規(guī)范.中國水利水電出版社,2004,07

Designing for Donggou Reservoir Reinforcement

Li Xiaodong1Li Yang21.Shenyang Agricultural university, Shenyang 110866, Liaoning, Chi；na2.Water Resource Investigation and Design Institute of Fushun City，F(xiàn)ushun 113000, Liaoning, China

This paper determined the Reservoir reinforcement scheme, form embankment, spillway, water conveyance tunnel and metal structure, etc.Then, the design indicated arrangement of multi-purpose project.And this article separately conducted the reservoir reinforcement design, from dam design, dam crest elevation and embankment stability reviewing, upstream and downstream crushed-stone side-slope stability calculation, etc.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.023