關(guān)于水庫(kù)輸水洞維修加固設(shè)計(jì)初步分析

王 錚

(遼寧江寧招標(biāo)咨詢(xún)服務(wù)有限公司，沈陽(yáng)110000)

1 工程概況

拉馬章水庫(kù)位于法庫(kù)縣包家屯鎮(zhèn)拉馬章村，座落在遼河二級(jí)支流拉馬章河上。流域重心為E 123°56'15"，N42°30'54"。由發(fā)源地至水庫(kù)壩址，總河長(zhǎng)14.12 km，總平均坡度為4‰，流域面積為46 km2。庫(kù)容1 087 萬(wàn)m3。防洪庫(kù)容587 萬(wàn)m3，興利庫(kù)容486 萬(wàn)m3，死庫(kù)容14 萬(wàn)m3。最高水位69.3 m，興利水位67.23 m，死水位64.44 m。

水庫(kù)樞紐工程包括:大壩、輸水洞、溢洪道3 部分。土壩為均質(zhì)土壩，壩長(zhǎng)300 m，壩頂寬度5 m，迎水坡為1∶3 ～1∶4(在68.46 m高程以下為1∶4.0，以上為1∶3.0)，背水坡為1∶2.5，最大壩高5.7 m，壩頂高程70.20 m。輸水洞:為壩內(nèi)混凝土涵管式。位于土壩左端，進(jìn)口高程64.44 m，涵管為單孔，洞徑為0.8 m，洞長(zhǎng)36 m。鋼板閘門(mén)規(guī)格1.2 m×1.0 m。溢洪道:包括正常溢洪道和非常溢洪道。正常溢洪道位于土壩左端，堰底寬8.0 m，堰體與陡槽段直接銜接，共計(jì)長(zhǎng)度77.0 m。堰頂高程67.23 m，溢洪道坡降1/30，沒(méi)有消能設(shè)施，泄流直入下游河道。溢洪道(陡槽、堰體段)兩側(cè)為弱風(fēng)華巖，開(kāi)挖后沒(méi)有襯砌。非常溢洪道為天然豁口，堰頂高程68.32 m，寬度130 m，進(jìn)口底板高程80.5 m，出口底板高程80.28 m。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 工程現(xiàn)狀

2.1.1 大壩現(xiàn)狀

土壩為均質(zhì)土壩，壩長(zhǎng)267 m，壩頂寬度7 m，迎水坡為1∶3 ～1∶4(在68.46 m高程以下為1∶4.0，以上為1∶3.0)，背水坡為1∶2.5，最大壩高5.7 m，壩頂高程70.20 m。

2.1.2 輸水洞現(xiàn)狀

輸水洞為1 m×0.8 m 矩形鋼筋混凝土涵洞，洞長(zhǎng)69.6 m，進(jìn)口高程64.44 m，出口高程64.07 m。輸水洞進(jìn)口設(shè)有啟閉塔，塔與山坡之間用交通橋連接，塔高15 m，外輪廓2.5 m ×2.5 m。原輸水洞最大輸水量為1.51 m3/s。

由現(xiàn)場(chǎng)檢查和運(yùn)行情況分析，輸水洞存在以下主要問(wèn)題:①輸水洞靠近大壩左岸，左岸山體為風(fēng)化巖，經(jīng)常脫落，滾到輸水洞入口，影響出流。左岸部分山體的漿砌石護(hù)坡已有多處裂縫;②輸水洞工作及檢修閘門(mén)的操作室破損嚴(yán)重，屋頂漏水，門(mén)窗損壞;啟閉機(jī)電動(dòng)部分丟失，無(wú)電源;工作門(mén)槽及檢修門(mén)槽間隔墻漏水點(diǎn)多處;工作及檢修閘門(mén)漏水嚴(yán)重，多年不用，在兩道閘門(mén)之間用黏土封堵止水;③通往輸水洞豎井的棧橋無(wú)護(hù)攔，橋下混凝土面出現(xiàn)多處裂縫，且有多處漏出鋼筋，表面混凝土風(fēng)化嚴(yán)重，用手可掰掉［1］。

2.1.3 管理所現(xiàn)狀

管理所院內(nèi)地面雜草叢生，且易積水，不利于防汛車(chē)輛的停靠和防汛資料的管理，管理所房屋老舊，屋面漏水嚴(yán)重，雨季到來(lái)時(shí)，外面下大雨，屋內(nèi)下小雨。

2.1.4 防汛路現(xiàn)狀

水庫(kù)防汛路從管理所大門(mén)起，向南與村級(jí)路連接，總長(zhǎng)600 m。坑洼不平，遇雨雪天氣泥濘難行，不利于防汛車(chē)輛通行。

2.2 工程設(shè)計(jì)

2.2.1 堤頂瀝青路面設(shè)計(jì)

根據(jù)2007年安全鑒定成果，現(xiàn)狀實(shí)測(cè)壩頂高程70.2 ～70.28 m，滿(mǎn)足壩頂高程要求，本次維修加固大壩壩頂高程取70.20 m，寬7 m，采用瀝青混凝土路面(路基下層為20 cm 厚碎石墊層，上層為10 cm厚水泥穩(wěn)定砂礫石，面層為10 cm厚瀝青混凝土)，長(zhǎng)267 m，為了方便車(chē)輛上下壩，將瀝青路面兩端各延長(zhǎng)50 m，因此瀝青路面總長(zhǎng)為367 m。由于大壩左側(cè)下壩路面變窄，因此大壩左端50 m 段瀝青路寬采用4 m 寬。瀝青路全線(xiàn)兩側(cè)采用花崗巖路緣石。

2.2.2 大壩迎水坡設(shè)計(jì)

大壩迎水坡護(hù)坡形式有多種，有干砌石護(hù)坡，漿砌石護(hù)坡，現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡等，塊石護(hù)坡與混凝土板護(hù)坡相比較，混凝土板護(hù)坡抗凍性能比塊石護(hù)坡差，拉馬章周邊有滿(mǎn)足水庫(kù)護(hù)坡要求的石塊，因此本工程不采用混凝土板護(hù)坡，干砌石護(hù)坡與漿砌石護(hù)坡相比較，同樣護(hù)坡厚度情況下，干砌石護(hù)坡造價(jià)為142.22 元/m3，漿砌石護(hù)坡造價(jià)為175.45 元m3，干砌石護(hù)坡造價(jià)比漿砌石造價(jià)低。另外，法庫(kù)縣近幾年中型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中，牛其堡水庫(kù)、獾子洞水庫(kù)、尚屯水庫(kù)、三合成水庫(kù)等，都采用了干砌石護(hù)坡形式，運(yùn)行的非常好，因此本工程采用干砌石護(hù)坡形式。大壩迎水坡護(hù)坡總長(zhǎng)267 m，由樁號(hào)0 +000 －0.267，坡比1∶4.5;采用40 cm 厚干砌石護(hù)坡，下設(shè)20 cm 碎石墊層及20 cm 砂墊層。護(hù)腳長(zhǎng)6 m，厚度40 cm，下設(shè)20 cm 砂石墊層。

2.2.3 輸水洞維修加固設(shè)計(jì)

2.2.3.1 輸水洞現(xiàn)狀

拉馬章水庫(kù)輸水洞是水庫(kù)唯一的輸水建筑物。輸水洞位于左岸，方涵形式。輸水洞為0.8 m ×1 m矩形鋼筋混凝土涵洞，進(jìn)口高程64.44 m。啟閉塔位于壩前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，啟閉室為混凝土結(jié)構(gòu)，啟閉塔與壩頂有工作橋連接，寬1 m，啟閉室內(nèi)有啟閉機(jī)一臺(tái)，已無(wú)法正常使用。閘門(mén)已銹蝕嚴(yán)重，正常水位67.23 m 時(shí)，原最大輸水量為1.51 m3/s。

2.2.3.2 輸水洞維修加固方案

拉馬章水庫(kù)屬于中型水庫(kù)，工程等別為Ⅲ等，輸水洞承擔(dān)灌溉任務(wù)，是主要的永久建筑物，其工程級(jí)別為3 級(jí)。輸水洞進(jìn)口翼墻處出現(xiàn)多處裂縫，混凝土脫落現(xiàn)象嚴(yán)重。根據(jù)輸水洞現(xiàn)狀、泄量及運(yùn)行情況，經(jīng)過(guò)分析確定:對(duì)進(jìn)口段、進(jìn)水塔、工作橋、出口段進(jìn)行重建，對(duì)洞身的前后兩端設(shè)置止水環(huán)，更換閘門(mén)和啟閉機(jī)設(shè)備。

1)輸水洞進(jìn)口段:進(jìn)口段拆除重建，進(jìn)口段為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)18 m，厚0.5 m，擋墻高2.8 m。

2)進(jìn)水塔:進(jìn)水塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)水塔設(shè)置在壩的上游，長(zhǎng)4.8 m，寬2.2 m，閘底板高程為死水位64.44 m，單孔閘門(mén)，閘門(mén)尺寸1.0 m×0.8 m，邊墩高1.2 m，并設(shè)有啟閉室，工作橋與上游壩肩連接，啟閉室地面和工作橋面高程為70.20 m，啟閉室結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)，其建筑面積11.52 m2，地面高程為70.20 m，周?chē)O(shè)有1.0 m 寬的挑出平臺(tái)板及混凝土仿木欄桿，平臺(tái)下游側(cè)設(shè)寬1.0 m 引橋與壩頂?shù)缆废嘟印?/p>

3)洞身:輸水洞的洞身段則利用原有結(jié)構(gòu)，在進(jìn)出口處設(shè)置止水環(huán)，做好輸水洞進(jìn)出口混凝土結(jié)構(gòu)連接。

4)消力池:輸水洞消力池水平段長(zhǎng)10 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池深0.5 m。

5)海漫:干砌石結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)18 m，厚0.5 m。

2.2.3.3 水力計(jì)算

泄流能力計(jì)算:水庫(kù)興利水位為67.23 m，輸水洞底板高程64.44 m，洞高0.8 m，H = 67.23 －64.44，H =2.79 m，D =0.8 m，H ＞1.5D，因此為有壓流，根據(jù)工作情況，h ＜D，為自由出流，其計(jì)算公式如下:

有壓洞自由出流:

式中:Q 為設(shè)計(jì)流量;σ 為淹沒(méi)系數(shù)，自由出流時(shí)為1;μ 為流量系數(shù);∑ξ 為從進(jìn)口到出口前(不包括出口)的各種局部水頭損失系數(shù)之和，取0.3。L 為輸水洞長(zhǎng);C 為謝才系數(shù)。

式中:n 為糙率，取0.014;R 為水力半徑;ω 為過(guò)水面積;x 為濕周;a 為洞高;β 為勢(shì)能修正系數(shù)，取0.85;i 為洞底坡;H 為上游總水頭。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，輸水洞水位流量關(guān)系見(jiàn)表1。

根據(jù)輸水洞的工作情況，輸水洞不參加調(diào)洪，輸水洞滿(mǎn)足下游灌溉的需要即可，要求給水能力為0.93 m3/s，當(dāng)輸水洞在正常高水位67.23 m 時(shí)，流量為3.23 m3/s，輸水能力能夠滿(mǎn)足供水需求。

2.2.3.4 消能防沖計(jì)算

消力池采用矩形斷面消力池。

表1 輸水洞水位～流量表

共軛水深按下式計(jì)算:

式中:h2為水躍后水深，m;h1為收縮斷面水深，m;Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù);v1為收縮斷面流速，m/s;φ 為收縮斷面流速系數(shù);φ =0.95;E0為堰前斷面總能頭，m;

查表得:α0= q2/2gφ2;h2= ηh1

因h2＞hs，因此需要修建消力池。

消力池長(zhǎng)度計(jì)算見(jiàn)表2。

水躍長(zhǎng)度L 按下式計(jì)算:

表2 消力池長(zhǎng)度計(jì)算

消力池水平段長(zhǎng)度取8 m。

消力池池深計(jì)算:

式中:d 為池深，m;σ 為水躍淹沒(méi)度，σ =1.05;h2為池中發(fā)生臨界水躍的躍后水深，m;ht為消力池出口下游水深，m，采用護(hù)坦內(nèi)的臨界水深;ΔZ 為消力池出口水面跌落，m;Q 為流量，m3/s;b 為消力池寬度，m;φ 為消力池出口段流速系數(shù)，φ =0.95;Lk為消力池池長(zhǎng)，m。

經(jīng)計(jì)算，d =0.5 m;確定消力池池深0.5 m。海漫長(zhǎng)度確定:

式中:Ks為海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)，取10;qs為消力池出口單寬流量，1.0;△H 為水位差，3.16 m;經(jīng)計(jì)算:LP=13.32 m，海漫長(zhǎng)度取14 m。

2.2.3.5 閘門(mén)與啟閉設(shè)備

本工程更換閘門(mén)一個(gè)，更換啟閉機(jī)一個(gè)，閘門(mén)選用0.8 m×1 m平面鑄鐵閘門(mén)，啟閉機(jī)選用單吊點(diǎn)5 t手電兩用螺桿式啟閉機(jī)。

2.2.4 管理所維修

2.2.4.1 管理所內(nèi)管理房屋頂維修

管理所整個(gè)屋面面積210 m2都需重新做屋面防水。首先鏟除原卷材防水層，再用水泥砂漿找層，在填充材料上用20 mm，SBS 卷材防水，熱熔滿(mǎn)鋪雙層。管理所門(mén)窗破舊損壞嚴(yán)重，需更換窗17 扇，門(mén)11扇;窗換為塑鋼窗，門(mén)換為木門(mén)。

2.2.4.2 院內(nèi)路面維修

管理所場(chǎng)地面積為1 500 m2，長(zhǎng)50 m，寬30 m;鋪透水磚范圍為場(chǎng)地四周，寬3.0 m，長(zhǎng)148 m，進(jìn)門(mén)處有14.0 m 鋪透水磚，寬也為4.0 m;下鋪8 cm 厚三合土，上鋪一層透水磚。在場(chǎng)地四周最外側(cè)種植速生楊40 株，丁香、連翹各200 株。

2.2.5 防汛路維修

管理所門(mén)前600 m防汛路采用砂石路面，寬4 m，下層為0.2 m 厚山皮石，上層為0.2 m 厚砂礫石。總厚0.4 m。

2.2.6 室外照明

室外照明系統(tǒng)指的大壩照明。根據(jù)壩體長(zhǎng)度每隔50 m 設(shè)置一盞太陽(yáng)能照明燈，共需要7 盞。

［1］林耀輝. 小型水庫(kù)輸水涵洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)［J］. 黑龍江水利科技，2013，41(08):146 －147.