興隆崗水庫大壩穩(wěn)定分析計算研究

陳廣華

(朝陽縣水利勘測設(shè)計隊，遼寧朝陽122000)

興隆崗水庫大壩穩(wěn)定分析計算研究

陳廣華

(朝陽縣水利勘測設(shè)計隊，遼寧朝陽122000)

興隆崗水庫工程于70年代建成，水庫當時的設(shè)計標準是20 a一遇，校核標準是100 a一遇，工程規(guī)模屬于小(2)型。文章通過對其水庫大壩的穩(wěn)定性進行計算研究，最終得出為了保護當?shù)剞r(nóng)業(yè)的增產(chǎn)增收，亟待對興隆崗水庫進行除險加固任務(wù)的結(jié)論。

興隆崗水庫;水庫大壩;穩(wěn)定性分析;除險加固;計算

1 工程概要

興隆崗水庫位于朝陽縣二十家子鎮(zhèn)境內(nèi)，屬小凌河支流，地貌類型屬低山丘陵區(qū)，壩址處為一“V”字型河谷，河谷寬約150 m。壩址以上流域全長1.81km，水庫集雨面積1.48 km2，河道平均比降69.1‰，屬小(2)型水庫。水庫樞紐工程由攔河壩、輸水洞、溢洪道組成。攔河壩類型為黏土心墻壩，壩高21.8 m，壩頂高程215.9～217 m，大壩全長150 m，壩頂平均寬3.0 m，總庫容37.31萬 m3。輸水洞位于大壩左端，其結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土涵管，洞徑0.4 m，洞長70 m，洞底最大泄量0.2 m3/s，無閘門控制。溢洪道位于大壩左岸，為開敞式，全長95 m，現(xiàn)狀堰頂高程213.92 m，堰頂凈寬3.65 m，溢洪道最大寬度3.65 m，兩側(cè)無邊墻，基礎(chǔ)和兩側(cè)均為自然土體。

2 水庫大壩穩(wěn)定分析

2.1 設(shè)計分析

興隆崗水庫主要建筑物包括大壩、溢洪道、輸水洞3部分，其中大壩長150 m，壩頂高程217 m，壩頂寬3 m，最大壩高21.8 m。前壩坡坡比為1∶2.8，后壩坡坡比為1∶2，壩后無排水設(shè)備。黏土心墻頂高程215 m，頂寬0.6 m。

溢洪道屬于開敞式，無規(guī)則形式，只是為防洪要求臨時挖的溝槽，基礎(chǔ)為土基，兩側(cè)無邊墻，本次除險加固設(shè)計為寬頂堰，溢洪道底寬由3.5拓寬到6.5 m，做成1∶2的梯形斷面，由進口堰體段、陡坡段后直接入溝，全長95 m，堰頂高程212.5 m，凈寬6.5 m，陡坡段比降i=0.03，200 a一遇洪水最大泄流量56.42 m3/s。由于溢洪道尾端處有一村級路，所以需要在村級路處設(shè)農(nóng)橋及消能措施，農(nóng)橋?qū)? m，長度為8 m，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋面為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以滿足交通要求。興隆崗水庫為黏土心墻土石壩，水庫運行30多a無人管理，前壩坡塊石不存在，壩體已全部裸露在外，壩體有被淘涮的危險，如果溢洪道保存現(xiàn)現(xiàn)狀，壩后無排水體，由于水庫一直是空庫運行，所以未發(fā)現(xiàn)有管涌、滲漏等現(xiàn)象。大壩后壩坡無碎石護坡，雜草及灌木雜生［1］。

2.2 水庫病險情況復(fù)核

2007年6月對興隆崗水庫進行了安全鑒定，鑒定結(jié)果為3類壩:①前后壩坡不滿足防洪要求;②溢洪道無邊墻，底板為土基;③輸水洞進口淤積，無啟閉設(shè)備。因興隆崗壩下建筑物是按現(xiàn)在壩頂高程設(shè)防，所以本次設(shè)計從實際情況出發(fā)，壩頂高程保持不變，壩頂寬3 m不變，上游坡比1∶2.8，不足2.8部分進行培厚，前壩坡塊石護坡和反濾層重新襯砌。下游坡雜草及灌木清除，重新鋪設(shè)10 cm厚碎石，后坡比由1∶2變?yōu)?∶2.5，新建貼坡排水體，溢洪道寬度由原來的3.65 m拓寬到6.5 m，溢洪道斷面有2種方案，分為矩形漿砌石斷面及梯形混凝土板斷面。方案Ⅰ，采用矩形漿砌石斷面，土方開挖5 578 m3，共需14.3萬元。漿砌石共1 167 m3，共需25.2萬元，總造價為39.5萬元。方案Ⅱ，采用梯形混凝土斷面，土方開挖5 000 m3，共需 12.8萬元。混凝土共513 m3，共需16.4萬元，總造價為29.2萬元。比較以上兩種方案，梯形混凝土板斷面造價較低，混凝土斷面得過水能力又優(yōu)于漿砌石段面，所以確定本次溢洪道采用梯形混凝土板這種形式。溢洪道進口高堰頂高程挖到212.5 m，溢洪道底板襯砌，兩側(cè)新建混凝土板邊墻;輸水洞啟閉設(shè)備更換，進口清淤，出口設(shè)消力池［3］。

2.3 大壩穩(wěn)定設(shè)計

大壩前壩坡坡比填筑到1∶2.8，新建30 cm干砌塊石和30 cm反濾層，后壩坡坡比為1∶2.5，壩頂設(shè)20 cm厚混凝土路面，以2%的坡度坡向下游，大壩設(shè)漿砌磚縱向排水溝及上壩臺階，在前后壩肩處設(shè)路緣石，高0.5 m，寬0.2 m，每隔10～15 m設(shè)排水孔。溢洪道為敞開式寬頂堰，大壩與溢洪道之間需要墻體與大壩連接，以保護壩體不受沖刷。新建貼坡排水體，頂寬1.5 m，高3 m，底寬3 m。

壩頂高程計算按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，(SL274—2001)進行，分別計算兩種運用情況，取其中最大值，復(fù)核壩頂高程。

1)設(shè)計洪水位加正常運用情況的壩頂超高。

2)校核洪水位加非正常運用情況的壩頂超高。

計算公式為:

式中:Y為壩頂超高，m;R為最大風(fēng)浪在壩頂上的爬高，m;e為最大風(fēng)壅水面高度，m;A為安全加高，m，根據(jù)規(guī)范要求，設(shè)計運用情況理A=0.5 m，校核運用情況A=0.3 m。

2.3.1 為計算風(fēng)速的確定

收集朝陽氣象站1981年—1997年17 a的風(fēng)速觀測統(tǒng)計資料，17 a的平均年最大風(fēng)速為16.12 m/s，傳感器高度為15.2 m，高度修正系數(shù)為0.958，則修正到距地面10 m高度的平均年最大風(fēng)速W為15.44 m，設(shè)計風(fēng)速W設(shè)為年均最大風(fēng)速的1.5倍，W設(shè)為23.16 m/s，校核情況下風(fēng)速W校仍為15.44 m/s。

2.3.2 風(fēng)區(qū)長度

在1∶2 000庫區(qū)地形圖上按垂直壩軸線量得設(shè)計運行情況下的風(fēng)區(qū)長度D設(shè)=436 m，校核非正常運用條件下風(fēng)區(qū)長度D校=470 m。

2.3.3 水域平均水深

根據(jù)計算的特征水位及庫內(nèi)淤積高程計算出(P=5%)設(shè)計洪水位213.819 m時的平均水深10.82 m，(P=0.5%)校核洪水位214.83 m時的平均水深11.83 m。根據(jù)以上條件計算風(fēng)浪高度。

最大風(fēng)壅水面高度計算公式為:

式中:e為計算點處的風(fēng)壅水面高度，m;K為綜合摩阻系數(shù)取3.6×10-6;W為計算風(fēng)速 W設(shè)=23.16 m/s，W校=15.44 m/s;D為風(fēng)區(qū)長度D設(shè)=436 m，D校=470 m;Hm為水域平均水深為Hm設(shè)=10.82 m，Hm校=11.83 m;β為計算風(fēng)向與壩軸線法線夾角 β =0°，則:

e5%=0.0039 m;e0.5%=0.0017 m。

計算波浪爬高Rm及Rp，按莆田實驗站公式進行計算，m=2.8。

式中:Rm為平均波浪爬高，m;m為單坡的坡度系數(shù);K△為斜坡的糙率滲透性系數(shù)，查表求得，K△取0.80;KW為經(jīng)驗系數(shù)，由風(fēng)速W、坡前水深H、重力加速度所組成的無維量按規(guī)范《SL274—2001》表 A.1.12—2查得。

設(shè)計洪水位時，計算公式為:

查得KW=1.10。

校核洪水位時，計算公式為:

查得KW=1.01。

2.3.3.1 設(shè)計運用情況(采用莆田公式)

1)計算平均波高:

2)計算平均波周期

Tm=4.438 hm0.5=2.21 s

3)計算平均波長:

4)計算平均波浪爬高:

5)計算頻率為5%的波浪爬高RP:

設(shè)計運用情況下的壩頂超高為:

2.3.3.2 校核運用情況(采用莆田公式)

1)計算平均波高:

2)計算平均波周期:

3)計算平均波長:

4)計算平均波浪爬高:

5)計算頻率為5%的波浪爬高RP:

設(shè)計運用情況下的壩頂超高為:

以上計算結(jié)果匯總見表1。

表1 壩頂超高計算成果表

2.3.4 壩頂高程復(fù)核

以上復(fù)核計算成果，設(shè)計防洪標準P=5%的壩頂高程215.0828 m，校核防洪標準P=0.5%的壩頂高程215.5895 m，取其大值，該壩頂最低點高程215.985，說明現(xiàn)壩高滿足規(guī)范要求。

3 除險加固的必要性分析

興隆崗水庫自建庫以來由于資金等原因都未經(jīng)過除險加固，通過水庫安全鑒定可知:現(xiàn)狀壩坡不滿足計算要求，由于經(jīng)過30多a的運行，前壩坡塊石已風(fēng)化，對現(xiàn)場觀察可知，前壩坡也無塊石，壩體裸露在外，即使遇到正常洪水都不能抵擋，如果長期運行下去，很可能有潰壩的危險，后壩坡雜草叢生，有的樹直徑達到15 cm有余，溢洪道底板為土基，兩側(cè)無邊墻，只是為了防洪要求臨時開個豁口，輸水洞洞身沒有漏水問題，但進口淤積，沒有閘門等啟閉設(shè)備，后壩出口處管道破損。水庫安全隱患較多，急需除險加固［4-5］。

水庫壩址附近流域比較狹窄，植被稀疏，且降水年內(nèi)分配多集中于汛期、較易發(fā)生洪水，水庫的存在，可以使洪峰流量得到一定的調(diào)節(jié)、降低，從而減少下游的洪水災(zāi)害，水庫下游有興隆崗村150戶400人，水庫初建時是農(nóng)民義務(wù)勞動，施工質(zhì)量得不到保證，一直是帶險運行，一直未能正常蓄水，因而也一直未達到設(shè)計灌溉面積，由于朝陽素有“十年九旱”之稱，所以水庫通過攔截地表及地下徑流蓄水達到灌溉要求，可以緩解用水危機，保證農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收，所以興隆崗水庫除險加固任務(wù)成為當務(wù)之急［6-7］。

［1］劉瑞杰.十里河水庫大壩穩(wěn)定分析［J］.山西水利科技，2008(02):65-66.

［2］袁勇福.東郊河水庫大壩穩(wěn)定分析應(yīng)力計算［J］.山西水利科技，2013(03):50-52.

［3］婁健康，李慧，張玉輝.小型水庫大壩穩(wěn)定分析計算［J］.山西建筑，2014，40(06):231-232.

［4］高勝利.尚希莊水庫大壩穩(wěn)定分析［J］.山西水利科技，2009(02):40-42.

［5］胡明英.繼光水庫大壩穩(wěn)定分析［J］.四川水利，2007(06):39-41.

［6］許朝友.思南縣道溝屯水庫大壩穩(wěn)定分析及除險加固設(shè)計［J］.河南水利與南水北調(diào)，2012(18):79-80.

［7］于秀閣.小型水庫大壩穩(wěn)定分析計算［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2012(14):72.

TV64

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1007-7596(2014)07-0077-03

2013-08-16

陳廣華(1975-)，女，遼寧朝陽人，工程師。