海龍川水庫溢洪道加固設計與計算分析

張艷麗

(海城市水利工程建設質量安全監督站，遼寧海城 114200)

1 工程概況

海龍川水庫位于海城市南部，壩址位于岔溝鎮海龍川村，水庫集雨面積2.94km2，屬于山區小型水庫。水庫主要由攔河大壩、輸水洞、開敞式溢洪道組成。水庫原設計總庫容20.6萬m3，防洪庫容為10.2萬m3，興利庫容9.9萬m3，屬于小(二)型水庫，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級。

2 安全鑒定與除險加固方案

根據水庫大壩安全鑒定評價結論，海龍川水庫屬三類壩，為病險水庫，不能滿足水庫工程安全運行。依據《碾壓土石壩設計規范》(SL274-2001)及水利部和省水利廳關于病險水庫除險加固實施方案等規定，鑒于海龍川水庫存在諸多嚴重的問題，尤其溢洪道右側山體局部脫坡，底板年久失修。經鑒定為病險水庫，必須進行除險加固處理。因此，對水庫溢洪道右側山體加固，進行削坡清除風化層，使坡度達到穩定。拆除重建溢洪道底板及邊墻。

3 工程布設與計算分析

3.1 布置設計

海龍川水庫原來溢洪道為開敞式寬頂堰，無閘門控制，堰頂高程264.50m，凈寬20.00m。現在將溢洪道除險加固為開敞式河岸溢洪道，無閘門控制。溢洪道由引水渠，控制段，泄槽段，消能段，尾水渠組成。

3.2 進口寬頂堰泄流能力計算

泄流能力按《水力工程設計計算手冊》無底坎寬頂堰泄流進行計算:

式中:

Q——流量，m3/s;

B——總凈寬，m;

H0——計入流速水頭的堰上總水頭，m;

m——寬頂堰流量系數，取0.385;

ε——側收縮系數，取1.0。

水庫20年一遇設計洪水位266.16m，相應庫容14.63×104m3，最大泄量63.02m3/s;200年一遇校核洪水位267.00m，相應庫容17.7×104m3，最大泄量117m3/s。

3.3 泄槽水面線計算

泄槽水面線根據能量方程，用分段求和法計算，根據《溢洪道設計規范》(SL253-2000)附A.3公式:

式中:△l1－2——分段長度，m;

h1、h2——分段始、末斷面水深，m;

v1、v2——分段始、末斷面平均流速，m/s;

α1、α2——流速分布不均勻系數，取1.05;

θ——泄槽底坡角度，(°);

i——泄槽底坡，i=tgθ;

n——泄槽槽身糙率系數;

根據《水力計算手冊》要求，當水流通過泄水建筑物時的斷面平均流速大于6～7m/s時，則需要考慮摻氣影響。泄槽的摻氣水深可按下式估算:

式中:

h、hb——泄槽計算斷面的水深及摻氣后的水深，m;

v——不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速，m/s;

ζ——修正系數，可取1.0～1.4s/m，流速大者取大值。

3.4 泄槽擋土墻頂高程計算

根據規范要求，泄槽擋土墻頂高度=校核水位泄槽水面線+A;式中A為安全超高，規范要求安全超高為0.5～1.5m，取0.5m。

泄槽水面線及擋土墻頂高度計算結果如下:當斷面樁號0+020時，水深1.57m，過水斷面面積ω為31.31m2，流速V為3.74m/s，摻氣高度HB為0.06m，摻氣水深h+HB為1.62m，安全超高為0.50m，計算墻高為2.12m，選用左墻高為2.20m，選用右墻高為2.20m。當斷面樁號0+077時，水深0.44m，過水斷面面積ω為8.78m2，流速V為13.33m/s，摻氣高度HB為0.06m，摻氣水深h+HB為0.50m，安全超高為0.50m，計算墻高為1.00m，選用左墻高為 1.20m，選用右墻高為1.20m。

3.5 消能復核

現有消力池為突檻式消力池，首端與陡槽末端直接連接，末端與泄水渠連接。消力池長度16m，寬度15m，檻高0.70m，下游泄水渠斷面處水位249.56m。根據復核結果，消力池產生遠離式水躍，消力坎高度不能滿足要求，消力池長不滿足消能要求。該設計只對原消力池進行加固處理，對消力池下游兩側擋墻拆除重建，對尾渠段做海漫防護，不修建二級消力坎。

3.6 加固結構設計和穩定計算

原溢洪道漿砌石擋墻及混凝土底板全部拆除重建。引水渠段重建漿砌石擋土墻;控制段邊墻采用重力式混凝土擋土墻，左側邊墻與大壩連接處新建7m長鋼筋混凝土刺墻插入粘土心墻中。泄槽段底板進行鋼筋混凝土襯砌，重建泄槽段漿砌石邊墻。原消力池拆除，重建鋼筋混凝土消力池長16.0m，底板厚0.5m。

3.6.1 引水渠段

引水渠進口為喇叭口型式，進口寬22m，末端與堰體寬度相同為20.00m，兩側邊墻采用M10漿砌石擋土墻，墻頂高程267.6m，墻頂寬0.50m，墻背坡比1∶0.5，墻凈高2.70m，基礎埋置深度1.20m，墻基用C20混凝土作為墊層0.5m。漿砌石材強度不小于MU30。

3.6.2 控制段

(1)結構設計。控制段采用鋼筋混凝土結構，重建后的溢洪道堰面仍采用無底坎寬頂堰，堰頂高程為264.5m，溢流堰長度20m，寬度20m。原底板拆除，重建鋼筋混凝土底板，厚度0.5m，前后端設置齒墻，齒深1.0m。底板表層布置鋼筋網，采用 HRB335φ16@200網狀布置，雙向排列。控制段底板混凝土標號為C25，F200。控制段兩側邊墻采用重力式混凝土擋土墻，墻頂高程267.6m，墻頂寬度50cm，底板高程以上墻高3.10m。基礎埋置深度1.20m，左右墻全高4.30m，為了防止溢洪道左擋墻與右壩肩結合處產生滲流，因此回填黏土時心墻斷面適當加大并夯實。底板共分6塊，每塊底板10m×10m。分縫材料為瀝青木板。控制段邊墻分縫位置與底板相對應，每10m一道。

(2)刺墻滲徑計算。根據《水工建筑物》，L=CH，式中:L為刺墻防滲長度，m;H為上、下游水位差，m;H=267－264.5+1.2=3.7m;C為滲徑系數。

粘土取4;L=14.8(m)，取15m，刺墻長度取7.5m。

在左側壩頂處擋墻后部增加7m長鋼筋混凝土刺墻，插入心墻中，回填粘土并夯實。刺墻斷面尺寸，高3.90m，頂寬0.5m，底寬1.0m，與溢洪道控制段左邊墻連成一體。邊墻及刺墻混凝土標號為C25，F200。

3.6.3 泄槽段

(1)結構設計。泄槽段控制段泄槽底板采取0.3m厚鋼筋混凝土襯砌，φ12鋼筋網布置在表層。采用HRB335φ12@200網狀布置，雙向排列。襯砌與基巖連接設置錨筋，深度2m，間距2m，直徑φ20，上部與鋼筋網相連接。底板伸縮縫處設縱橫排水體。泄槽底板分塊:縱縫二道，邊墻與底板連接處各一道，橫縫與邊墻相同，縫內設瀝青木板。泄槽段底板混凝土標號為C25，F200。泄槽段邊墻為重力式漿砌石擋土墻結構。泄槽段漿砌石擋墻底板以上凈高度2.2～1.2m，左、右墻總高3.40～2.40m，墻基用C20混凝土作為墊層0.5m，擋土墻頂寬0.5m，墻背坡比1∶0.5。擋土墻每10m設1處分縫，位置與泄槽底板分縫相同。水泥砂漿標號M10。漿砌石材強度不小于MU30。

(2)泄槽漿砌石邊墻穩定計算。

重力式擋土墻(最大墻高3.4m)，擋土墻的抗滑穩定計算公式如下:

式中:Kc——抗滑穩定安全系數;

∑W——作用于墻體上的全部垂直力總和(kN);

∑P——作用于墻體上的全部水平力的總和(kN);

f——墻底摩擦系數。

擋土墻的抗傾穩定計算公式如下:

式中:KO——抗傾穩定安全系數;∑MV——抗傾覆力距總和(kN·m);∑MH——傾覆力距總和(kN·m)。

擋土墻基底壓應力計算公式如下:

式中:σmax、σmin——基底的最大和最小壓應力(kPa);

∑G——垂直荷載(kN);

A——底板面積(m2);

∑M——荷載對底板形心軸的力矩(kN·M);

W——底板的截面系數(m3)。

通過對該邊墻的穩定計算，得出:在一般工況情況下，Kc=1.877＞1.300，K0=3.404＞1.500，地基平均承載壓應力62.720＜=500.000(kPa)，壓應力 =128.483＜=2100.000(kPa)，拉應力 =3.043＜=150.000(kPa)，剪應力 =－8.379＜=110.000(kPa)。在地震工況情況下，Kc=1.709＞1.100，K0=3.085＞1.200，地基平均承載壓應力63.365＜=625.000(kPa)，壓應力=134.373＜=3150.000(kPa)，拉應力 =7.644＜=150.000(kPa)，剪應力=－6.807＜=110.000(kPa)。

3.6.4 消力池

出口下游消力池拆除重建。拆除兩側擋墻重建重力式混凝土擋墻;拆除消力池跌坎及前檻重建鋼筋混凝土(前檻埋深1.5m);拆除消力池底板(厚度0.5m)。重建鋼筋混凝土底板。消力池底板長16m，寬15m，厚度0.5m，底板頂面高程跌坎處為250.40m，前檻處為249.47m，下設10cm素混凝土墊層，底板下鋪設排水孔，順水流方向間距為2m，垂直水流方向的間距為3m，各排孔交錯布置;重建兩側鋼筋混凝土邊墻，消力池深1.2m，墻頂高程為262.4m。混凝土標號為C25，F200。

3.6.5 出口海漫

消力池下游采用鉛絲石籠海漫，長20m，寬15m，厚0.6m，石籠結構為5m×1m×0.6m。

3.6.6 溢洪道山體削坡

溢洪道右側擋墻上方邊坡相對略陡，巖基裸露，風化強烈，巖體破碎，邊坡表層碎、塊石穩定性差，隨時都會產生掉塊或大面積滑落，容易損壞溢洪道擋墻和底板。溢洪道右側擋墻上方山體坡比在1∶1.2左右，坡比穩定，此次設計清除山體邊坡表層碎石及強風化層。山體進行表層清除，清除厚度0.3m，采用爆破清除，自卸汽車外運。

4 結語

通過對海龍川水庫溢洪道的除險加固設計與計算分析，可以得出:工程設計符合相關規范要求，滿足水庫的安全運行與管理。

［1］陳建中．小型水庫溢洪道除險加固工程設計［J］．城市建設理論研究，2012(34)．

［2］馬丹．水庫溢洪道除險加固工程設計思路［J］．水利科技與經濟，2010(02):157-158．

［3］陳皓，朱曉玲，吳益．浙江省東陽市東方紅水庫溢洪道除險加固工程設計［J］．水利水電工程設計，2012(01)．