江西新建水庫除險加固工程設計淺析

羅紅兵

（江西省南昌縣象湖聯圩管理站，江西 南昌 330200）

0 引言

水庫作為一項重要的民生措施，其安全性尤為重要[1～2]。上世紀以來，我國修建了較多的水庫，用以解決灌溉、洪澇等問題[3～5]。大多數年代久遠的水庫由于建設時設計不規范等原因，其安全性下降[6～8]。針對這種水庫進行除險加固工程處理是十分必要的[9～10]。本文以新建水庫為例，對小型水庫除險加固工程設計進行研究。

新建水庫建于1959 年，設計灌溉面積1200 畝，是小（2）型水庫工程，建成至今，為保護大壩安全，于2005 年對該水庫大壩進行培土加固并襯砌加固了溢洪道。設計校核洪水位22.75 m，總庫容為24.18×104m3。死水位18.43 m，對應庫容0.19×104m3；正常蓄水位21.99 m，對應庫容18.53×104m3；設計洪水位為22.52 m，相應庫容為22.15×104m3。現狀壩基及兩壩肩存在接觸滲漏，加固前滲流量為1.05 m3/（d·m）。

大壩為均質土壩，壩頂長186.00 m，高程22.93 m～23.71 m，最大壩高5.4 m，壩頂寬3.5 m～5.2 m。上游坡比1∶3～1∶3.8，下游坡比1∶2.5～1∶3.3。無護坡和反濾排水設施。溢洪道在大壩左側山體中開挖而成，控制段為寬頂堰。進口底板高程為21.99 m，明渠寬2.50 m，長21.3 m，底板坡度為0.029。壩下涵管位于大壩右側壩體內，斜臥管坐落在左側壩坡上；涵管型式為砼預制圓管，直徑0.50 m，壁厚0.2 m，壩下涵管全長36.5 m。涵管進、出口底板高程18.43 m、17.93 m，進口設斜臥管控制放水。

由于水庫滲漏情況較為嚴重，壩體缺少護坡及反濾措施，現狀水庫安全系數較低，因此，需要進行加固處理。

1 水庫、流域特征參數

（1）水庫流域特征參數

水庫流域特征參數結果見表1。

表1 水庫流域特征參數復核表

（2）水庫水位～庫容、面積關系復核

繪制庫容曲線圖，見圖1，20.43 m 高程以下采用原有死庫容數據推出，水位～面積曲線列表見表2。

圖1 水位～庫容、面積曲線圖

表2 水庫水位～庫容、面積關系表

2 新建水庫除險加固工程設計

2.1 大壩出險加固設計

2.1.1 高程復核

壩頂高程復核計算結果見表3。

表3 壩頂高程安全復核表

現狀壩頂局部高程基本滿足設計所需的高程要求，加固壩頂高程取23.72 m。

2.1.2 大壩加固方案

（1）壩頂整治設計方案

水庫現狀壩頂均滿足設計所需的高程要求，將壩頂高程修整為23.72 m，寬度修整為4.5 m；壩頂采用C20 砼結構路面。

（2）壩坡整治設計方案

現狀壩坡基本穩定，但壩頂寬度寬窄不均，大壩結合現狀壩坡上游按1∶2.5、下游按1∶2.25 進行草皮護坡。

（3）防滲加固設計方案

大壩為均質壩，現狀壩基、壩腳滲漏嚴重，需進行防滲處理，采用沖抓套井回填黏土心墻對壩體、壩基及兩壩肩進行防滲加固處理。回填土料要求滲透系數小于1×10-5cm/s，并且有較好的塑性和滲透穩定性，含水量控制在20%～30%左右，粘粒含量為35%～50%，粘土的設計干密度要大于土體天然干密度的1.02～1.12 倍并且不小于1.5 g/cm3，粘聚力19 kPa，內摩擦角18°。

沖抓套井鉆孔排數由防滲有效厚度T 確定:

式中：T 為防滲墻有效厚度；H 為設計水頭，H=3 m；J允許為允許滲透比降，取 J允許=5。

則需防滲有效厚度T=0.6 m，選用一排，孔距0.78 m，有效厚度為0.78 m，鉆孔孔深嵌入壩基覆蓋層不小于1.5 m。

根據壩體工程地質條件和險情，采取治理措施后壩體穩定性和水庫滲流計算結果見表4～表5。

表4 穩定性計算結果

表5 滲流數值模擬計算結果

從以上結果可以看出，加固工程前，設計洪水位條件下，水平出逸坡降為0.78，水庫滲漏量達1.05 m3/(d·m)；除險加固工程完成后，水平出逸坡降為0.04，滲漏量為0.30 m3/(d·m)。說明防滲措施可解決大壩滲漏問題。

（4）大壩下游反濾設計方案

原大壩下游壩腳未設排水體，新建貼坡式排水反濾，根據設計導則，貼坡排水體頂高程為19.63 m，用塊石、碎石、中砂分層筑成，中砂層厚0.2 m，碎石層厚0.2 m，上部干砌石厚0.4 m。

（5）上、下游護坡加固設計方案

水庫大壩現狀上、下游均未護坡，上游坡采用砼預制坡護坡，下游采用草皮護坡。

護坡方案采用兩種方案擇優選取：

①干砌塊石護坡（方案Ⅰ）

砌石護坡厚度按下式計算：

式中：D 為石塊換算球形直徑；Kt為與坡率相關系數，查表取值1.3；ρk、ρw為塊石、水密度；m 為坡度；hp為設計波浪高度（累積頻率為5%）；t 為護坡厚度。

計算得D=0.21 m，t=0.15 m，取干砌塊石護坡厚度為0.3 m，護坡下砂礫石墊層厚0.10 m。

②砼預制塊護坡（方案Ⅱ）

方案Ⅱ為C15 砼預制塊（正六邊形，邊長0.3 m）護坡，預制砼護坡板厚為：

式中：η 為系數，取 η=1.1；b 為沿護坡板向長度，取 0.52 m；ρc為板的密度，取 ρc=2.4 t/m3；ρw為水的密度，取 ρw=1.0 t/m3；hp為累積頻率為 0.5%的波高，hp＝0.438 m；Lm為平均波長，Lm＝5.57 m；m 為護坡坡率，m=2.50。

經計算，砼預制塊護坡板厚t=0.06 m，取砼預制塊護坡板厚0.10 m，板下設置0.10 m 厚砂卵石混合墊層。

③方案比較

以面積1 m2進行兩方案工程量及造價比較，結果列于表6。

表6 兩方案工程量及造價比較表

從表6 中比較結果可知，砼預制塊護坡（方案Ⅱ）比干砌塊石護坡（方案Ⅰ）多投資15.23 元/m2。但方案Ⅱ比方案Ⅰ施工干擾少，質量更容易控制，外形美觀，本次加固設計選取方案Ⅱ為大壩上游護坡方案。

④砼預制塊護坡布置

本次設計結合大壩邊坡放緩，使大壩斷面規范平整。設計將壩坡雜草進行全面清除，填土培厚，然后對壩體進行培坡，使其符合設計要求的坡比，并夯實坡面，在護坡坡腳及與兩岸岸坡相接處均設置阻滑齒槽，護坡坡腳齒墻尺寸為頂寬0.5 m、高1.0 m、底寬0.7 m，采用現澆C20 砼結構，待齒砼強度滿足要求后，整個壩面鋪筑0.1 m 厚砂礫石混合墊層，并夯實緊密。然后采用C15 砼預制塊進行護坡，護坡上限至校核洪水位，下限至壩腳，兩側護至兩岸壩肩與岸坡相接。

⑤壩頂構造設計

由于壩頂高低不平，根據壩頂現狀將壩頂高程統一為23.72 m。壩頂寬4.5 m，為改善交通條件，壩頂鋪設C20 砼路面，向上游側設2%的橫坡排水。

2.2 灌溉建筑物除險加固設計

根據涵管現狀存在的問題，灌溉涵管為預制砼圓管，結構強度不滿足要求，管內淤堵嚴重。壩下涵管主要為下游農田灌溉，所以加固涵管是本次除險加固重點項目之一。

本次加固設計對涵管采用開挖重建，斜臥管拆除重建。

為方便與壩下涵管連接，擬定灌溉涵管進口段為矩形斷面，涵管總長36 m，內空尺寸為0.6 m×0.8 m，壁厚25 cm，底部10 cm 厚C15 砼墊層，采用現澆鋼筋砼結構，并設2 道截水環，截水環頂厚取0.4 m，環高取0.5 m。

斜臥管沿壩坡布置，坡度為1∶2.5，頂高程為22.94 m，級差0.4 m，臺階寬1.0 m，放水孔徑?300。

2.3 溢洪道除險加固設計

2.3.1 布置方案

現狀溢洪道進口底板高程為21.99 m，明渠寬2.5 m，長21.3 m，底板坡度為0.023，現狀溢洪道無護砌，兩側邊坡穩定性一般，溢洪道無泄槽段、消力池及尾水渠，控制段砼邊墻、底板均老化；陡槽段砼邊墻、底板均老化，尾部無消能設施。溢洪道除險加固的主要任務是對溢洪道拆除拓寬重建，疏通退水渠。

溢洪道堰頂高程為21.99 m，泄流寬度為3.5 m，長5 m，滿足防洪標準要求。溢流堰為鋼筋砼結構，陡槽段長38.0 m，底坡i=0.05。邊墻、底板分別為C20 砼結構、C25 鋼筋砼結構。

2.3.2 泄流能力計算

采用寬頂堰計算公式，堰頂高程為21.99 m，溢流寬度為3.5 m。按有關計算公式得Q～Z 水位流量關系見表7。

表7 溢洪道水位流量關系表

溢流堰后接長38.0 m，寬3.5 m 的陡槽段，底坡i=0.05，其糙率系數n 均取0.015。

（1）泄槽首端端面計算的臨界水深計算

起始計算斷面定在堰下收縮斷面，h1=0.60 m。

（2）邊墻高度計算

以0 樁號（溢流堰末端）為陡槽起點，相應水深為收縮斷面水深，推算出沿水流方向各斷面的水深。邊墻高度根據計算摻氣水深加0.5 m 超高確定，見表8 中邊墻高。

表8 泄槽邊墻高計算表

由以上計算表可知，陡槽所需最大墻高為1.24 m，最小墻高為0.87 m，為安全起見，陡槽段起點取1.6 m，末端取1.25 m。

2.3.3 消能設計

消力池位于陡槽末端，設計下泄流量按50 年一遇3.8 m3/s。采用底流消能，根據前節所用方法計算出陡槽出口h1=0.35 m，V1=5.43 m/s。

取陡槽出口h1、V1為消力池進口計算水深。則共軛水深h2可用下式：

式中：Fr1為收縮斷面弗氏數；h1為收縮斷面水深，h1=0.35 m；V1為收縮斷面，V1=5.43 m/s。

經計算，h2=1.12 m。

消力池長 Lk=0.8×6.9×（h2-h1）=5.17 m，取 LK=6.5 m。

消力池深：

式中：d 為池深；δ 為水躍淹沒度，δ=1.05；h2為躍后水深，h2=1.12 m；ht為下游水深，ht=0.49 m；ΔZ 為出池落差；Q 為流量，Q=3.8 m3/s；b 為池寬，b=3.5 m；φ 為流速系數，φ=0.95。

經計算d=0.61 m，取d=0.7 m。

3 結論

結合新建水庫特征，研究小型水庫加固工程設計。采用沖抓套井進行壩體防滲處理，采用砼預制塊護坡對壩體邊坡進行加固；采用拆除重建涵管、斜臥管作為灌溉建筑物加固方法；采用拆除拓寬重建溢洪道的方式改善水力條件，并進行消力池設計。