某水庫除險加固溢洪道下游消能防沖段加固處理

李 華，唐 宏

(1.江西省大余縣水利局，江西 大余 341500；2.江西省大余縣水庫工程管理局，江西 大余 341500)

1 工程概況

某水庫是一座以灌溉為主兼有發電、防洪、養殖等綜合利用的中型水庫[1]。工程由水庫樞紐和灌區兩大部分組成，水庫現狀總庫容1552.2萬m3，其中興利庫容1206萬m3，為年調節中型水庫。水庫現狀設計洪水標準為50 a一遇設計，1000 a一遇校核，校核洪水位為363.24 m，水庫正常蓄水位為360.00 m。水庫設計灌溉面積1.02萬畝，灌溉保證率90%。保護下游人口0.96萬人，耕地1.7萬畝。水庫于1980年6月建成開始蓄水運行，至今已運行30余年，發揮了巨大的工程效益。2015年6月8日以來，水庫內連降大雨和暴雨，6月11日因大量洪水沖刷導致水庫溢洪道底部靠廠房側山體產生大面積滑坡，嚴重影響了大壩和電站的安全。為確保水庫的安全運行，充分發揮水庫的灌溉、防洪、發電等綜合效益，對水庫進行應急除險加固。本文主要進行溢洪道存在的問題、工程地質條件分析以及溢洪道消能防沖復核，并進行溢洪道下游消能段除險加固。

2 溢洪道存在的問題

水庫溢洪道位于大壩南側，與壩肩相鄰，溢洪道沿左岸渾厚的山體斜坡布置，溢洪道全長176 m。溢洪道目前存在的主要問題有：(1)溢洪道陡坡段末端右岸山體出現滑坡(1#滑坡)，面積約250 m2。陡坡段末端左岸出現滑坡(2#滑坡)，面積約600 m2；(2)溢洪道樁號0+105～0+113 m樁號處為F1斷層，斷層寬6 m～8 m，與溢洪道呈大角度相交，經多次泄洪沖刷，現狀已形成深3.5 m的沖刷坑；(3)溢洪道陡坡段末端右側邊坡沿F1斷層方向完全被沖毀，并在北西側形成5 m～6 m深的沖刷坑。

3 工程地質條件及評價

水庫庫區屬構造侵蝕的中低山坡陡地貌，地面呈波狀起伏，溝谷發育，地表高程一般在300 m～600 m之間。庫周兩岸山坡坡度一般為25°～35°，靠近大壩地段岸坡坡度約30°，水庫區河床較窄，河谷呈“U”字型，庫盆較平緩，庫前地形開闊。庫區內出露的地層巖性主要有：晚侏羅世下渡組(Jxd)紫紅色流紋質熔結凝灰巖，第四系沖洪積砂礫卵石層(Qal+pl)、第四系含碎石坡殘積層(Qdl+el)粘土等。庫區內地質構造較簡單，以斷層和節理裂隙為主，無區域性大斷裂構造帶通過。庫區巖體風化作用強烈，地表巖石多為強至全風化，全風化層厚度一般為0.8 m～3.5 m，局部達到4 m以上。第四系殘坡積層遍布庫周山體，其厚度一般為0.6 m～1.5 m，最厚可達2 m以上。庫區水文地質條件簡單，地下水主要來源于大氣降水，根據含水層性質、地下水埋藏條件，本區地下水含水層為：孔隙性含水層和裂隙含水層。工程區場地類型屬堅硬～中硬，場地穩定性較好，測區地震動峰值加速度小于0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，相應地震基本烈度小于6度。

溢洪道下游段0+105 m～0+113 m底板為F1斷層，斷層被弱至全風化輝綠玢巖脈(βμ)充填，全風化輝綠玢巖脈浸水易軟化、崩解，抗沖刷能力差，經多次泄洪沖刷，該地段已形成深3.5 m的沖刷坑，并導致溢洪道右側邊墻失穩坍塌，且有進一步加深沖刷的趨勢，該段溢洪道存在地基穩定性差的工程地質特性，巖體基本質量等級屬Ⅴ類，物理力學性能差。

4 溢洪道消能防沖段加固處理

4.1 溢洪道消能防沖復核

陡槽段末端采用挑流鼻坎進行消能，鼻坎頂高程348.37 m，挑射角25°。挑流計算采用《溢洪道設計規范》規定的計算公式，即：

(1)

式中：L為自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距，m；θ為挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角25°；h1為挑流鼻坎末端法向水深，m；h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差，m；V1為鼻坎坎頂水面流速，m/s，可按鼻坎處平均流速V的1.1倍計，以上參數值見表1。

沖刷坑最大水墊深度計算公式：

T=Kq0.5Z0.25

(2)

ts=T-z

(3)

式中：T為自下游水面至坑底最大水墊深度，m；ts為沖坑深度，m；q為鼻坎末端斷面單寬流量，m3/s·m；Z為上下游水位差，m；z為下游水深，m；k為綜合沖刷系數，選用k=1.40。

挑流計算復核根據規范要求采用30 a一遇洪水復核，計算成果見表1。

表1 挑流消能復核成果表

根據《混凝土重力壩設計規范》中有關挑流消能的安全挑距的規定，應不影響壩趾基巖穩定，沖坑最低點距壩趾的距離應大于2.5倍的坑深。水舌入水寬度應不影響沖坑兩側岸坡或其他建筑物的穩定。從表1可知水庫的消能防沖滿足要求。

據現場踏勘和工程地質評價，在溢洪道樁號0+105 m～0+113 m(挑流沖坑位置)斷層位置，溢洪道存在地基穩定性差的工程地質特性，因此需對沖刷坑進行處理。

4.2 消能防沖段加固方案比選

本次溢洪道消能防沖段加固依據泄水消能后行洪線路，擬選用兩種方案進行比較分析。

(1)方案一

恢復原溢洪道行洪線路方案，新建溢洪道右側墻，對沖刷坑進行回填、護砌，拓寬修整溢洪道出水渠，具體建設內容為：

對1#沖刷坑采用C25埋石砼填筑，并在面層設C25鋼筋砼護坦，護坦長10 m，寬14.5 m～16 m，厚1 m，面層設φ14鋼筋網，間距200 mm。護坦設DN100PVC排水管，間距2 m×2 m，梅花型布置。

對2#沖刷坑由下至上分三級填筑。第一級為2#沖刷坑回填，填筑材料為C25埋石砼，填筑最低高程319.6 m，頂部高程324.5 m～326.0 m。第二級為新建側墻基礎，采用C25埋石砼填筑，高程326.0 m～333.0 m。呈臺階狀，每級臺階寬0.5 m，高1 m。第三級為C25埋石砼側墻填筑。側墻頂寬0.8 m，底寬2.6 m～3 m，高4 m～5 m，擋墻內側坡比1∶0.05，外側坡比1∶0.45，擋墻設置范圍為溢洪道樁號0+103.5～0+131.5，總長28 m。

樁號溢0+96.5～0+103.5，新建右側導墻，導墻高2.5 m，頂寬0.5 m為C25鋼筋砼結構。導墻基礎采用臺階式開挖，每階寬1 m。設有一排Φ25錨筋與墻身鏈接，錨筋長2 m，間距1 m，深入巖基1.5 m。

樁號溢0+131.5～0+176.0，對出口段巖體進行開挖平整拓寬，開挖平整后底高程為333.0 m，左側開挖邊坡為1∶0.5。

(2)方案二

維持現有溢洪道行洪線路，在2#沖刷坑區域新建消力池，并對沿線岸坡進行護砌，出水渠段突出的阻礙行洪的巖體進行挖除。具體建設內容為：

對1#沖刷坑采用C25埋石砼填筑。并在面層設C25鋼筋砼護坦，護坦頂高程332.0 m，厚1 m，面層設一層φ14鋼筋網，間距200 mm。護坦設DN100PVC排水管，間距1 m×1 m，梅花型布置。

對2#沖刷坑采用C25埋石砼回填，填平至324.5 m，上部新建C25鋼筋砼消力池，消力池長10.5 m，寬10 m～12 m，厚0.8 m。池底高程325.5 m，設雙層φ16鋼筋網，間距200 mm。池底底設φ100PVC排水管，間距2 m×2 m，梅花型布置。消力池后設有C25鋼筋砼消力坎，坎頂高程327 m，消力坎后是布置10 m長的海漫。

新建C20埋石砼擋墻56.5 m，擋墻布置在行洪渠道兩側受洪水沖刷嚴重的區域。擋墻高3 m～4 m，頂寬0.5 m，外坡坡比1∶0.05，內坡坡比1∶0.3.5。

對溢洪道沖刷坑后樁號0+131.5～0+176.0處，突出阻礙行洪的巖體進行拓寬平整處理。

(3)對比分析

分別對兩種方案的地形地質條件、工程布置、施工條件、主要工程量、施工進度、工程投資等進行分析整理，綜合匯總兩方案技術經濟條件進行比較，見表2。

從表2看出，兩種加固方案均能起到消能防沖效果，對溢洪道末端及兩側岸坡均能起到較好的保護作用，施工工藝與施工條件均較為成熟方便。方案一投資較高，巖體開挖方量較多，但溢洪道保持原有的行洪線路，不會生產新的沖刷隱患。方案二投資較小，較好利用了現有的地形條件，減少巖體開挖量。但因其改動了原來的泄洪渠道，會對兩岸產生新的沖刷安全隱患，并對下游產生一定的影響。

表2 加固方案技術經濟條件比較表

綜合比選，方案一工程投資略高于方案二，但該方案治理效果較好，滿足溢洪道泄洪消能的要求，同時不會產生新的安全隱患，因此本次溢洪道消能防沖段加固擬采用方案一。

4.3 滑坡體治理加固方案

4.3.1 滑坡成因分析

從總體上來看，造成滑坡的成因主要有以下幾點：

(1)在F1斷層處，溢洪道邊坡受斷層影響，邊坡穩定性差，曾沿F1斷層方向發生滑坡，目前該邊坡已基本穩定；

(2)連續暴雨是滑坡產生的直接誘因；

(3)溢洪道的邊坡開挖改變了坡體的原始地形，對坡體前緣卸荷，減小了滑體阻滑力，從而降低滑坡的穩定性，是形成滑坡的另一重要因素。

4.3.2 滑坡治理方案確定

(1)1#滑坡體

現場檢查1#滑坡體滑移面裸露，為巖質邊坡，坡面基本穩定。1#滑坡體位于陡坡段末端左側山上，其位置對下游溢洪道泄洪安全影響較小。因此，本次應急加固不對其進行加固處理，僅在邊坡坡頂設截水溝，加以襯砌，以防止地表水注入滑坡體，影響滑體穩定性，截、排水溝采用梯形截面，C20砼結構。

(2)2#滑坡體

2#滑坡體滑移面裸露，為巖質邊坡，坡面平順光滑，已處穩定狀態，本次應急加固對坡面殘余滑坡體進行清除，沿滑坡體后緣設置截水溝，截水溝結構形式同上。

5 結論及建議

該水庫于1980年6竣工投入運營，至今已運行30余年，工程效益顯著，為發展該地的地區經濟，提高人民的生活水平和質量發揮了重要作用。除險加固為水庫的正常運營，地區經濟持續發展，下游人民群眾的生命財產安全提供了安全保障。工程于2018年完成除險加固，除險加固后水庫正常運行，建議水庫溢洪道除險加固后在運行中要加強管護和觀測，防微杜漸，避免造成損失。