嶺湖水庫大壩除險加固工程設計綜述

周靜雯

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510000)

0 引 言

水庫大壩在水利工程中占據舉足輕重的地位，對水利發電、防洪灌溉、景觀建設等工程都具有重要意義。位于廣州市干部療養院內的嶺湖水庫是1962年建成的一座小(2)型水庫，既具備雨洪調蓄的功能又是廣州干部療養院自然景觀。嶺湖水庫總庫容量30.88萬m3，核心建筑物包括一座大壩、一座溢洪道和一條放水涵洞。 嶺湖水庫已經運行了50多年，一直沒有進行過專項修繕。通過相關部門的鑒定，該水庫大壩為三類壩的標準，將其確立為應急搶險救災工程，需要對大壩進行應急搶險加固。

1 土石壩加固設計

1.1 土石壩加固主要任務

加強壩身的防滲功能；將迎水坡護坡上的雜草清除并進行有針對性地修復，修整后護坡采用C20混凝土澆筑，同時清除背水坡雜草和進行平整。

1.2 土石壩防滲灌漿方案布置

對土壩防滲灌漿的設計決定采取霹靂灌漿的方式進行，在軸線上開設灌漿孔，一共16個孔，孔間距離4m，灌漿深度為0.5m處的全風化花崗片麻巖，總共進尺165m。壩體灌漿設計見《壩體灌漿設計圖》(SL2509DT-510-006)。

1.3 土石壩壩頂超高及壩頂高程確定

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)規定，壩頂超高與水庫凈水位之和等于壩頂高程。根據規范的標準確定壩頂超高，然后按照下面公式計算：

Y=R+e+A

(1)

式中：設定A為安全加高，m；常態下設定A=0.5m，非常態下設定A=0.3m；設定e為風雍水面最大高度，m；設定R為壩坡上最大波浪的爬高，m；該計算采用莆田試驗站公式，利用的波浪爬高值一般頻率為5%。壩頂超高與水庫凈水位之和等于壩頂高程，然后按照不同的工況進行計算，獲取其中最大的值。

1.4 壩身結構加固

1.4.1 迎水坡護坡

清除迎水坡上面現有混凝土護坡的雜草，利用碎石和砂進行回填，進行平整后利用C20混凝土澆筑護坡，混凝土厚度為150mm，設定1∶3.1的迎水坡坡比，設置500mm×1000mm的混凝土固腳C20混凝土固腳。

1.4.2 壩頂加固

現有的壩頂路面為5.3m的混凝土路面，呈現較完整路面，沒有很大的損壞和裂縫，加固設計與療養院目前實施的綠道工程相結合，目前不考慮壩頂路面的維護處理，等到該工程完工后在通過綠道工程處理壩頂。

1.4.3 加固處理背水坡

背水坡的坡比為1∶2.4，其加固項目為：修整坡面，除掉雜草。

1.5 土壩加固前后穩定性對比

1.5.1 滲透性比較

可以把土壩加固前的安全鑒定和初步設計加固后的滲流計算成果列入表1。

表1 土壩加固前后滲流計算成果表

根據表1計算的成果顯示：在土壩的正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位的工作情況下，加固土壩前后的總滲流量均相對較小。加固前，在驗算洪水位條件下，土壩溢流面最大坡度大于允許坡度，加固后在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位等工作情況下的溢出面積最大坡降值不超標，確保了壩坡的穩定性。通過比較可得出，加固后的土壩壩體的防滲性顯著提高，無論是在常規的蓄水位。由此可見，加固后土壩壩體的防滲性能得到明顯提高，在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位的不同工作情況下，都能夠滿足滲流穩定性的要求[1]。

1.5.2 邊坡抗滑穩定性比較

將加固前的土壩的安全鑒定和初步設計加固后的抗滑穩定計算成果列入表2。

參照上表2成果不難看出：在正常蓄水位、設計洪水位以及校核洪水位的工作情況下，加固前土壩背水坡的邊坡抗滑穩定系數都沒有超過規范要求值，難以符合抗滑穩定性；在以上三種工作情況下加固后土壩迎水坡及背水坡的邊坡抗滑穩定系數都高于規范要求，可以符合抗滑穩定的要求[1]。

2 溢洪道加固設計

2.1 溢洪道加固任務

1)設計的新溢洪道堰利用單孔、自由開敞式的WES實用堰，將加固前的42.17堰頂高程變更為目前的42.6m，設計堰寬為10.5m。

2)溢流堰后方與下游底板相連接接，利用C25混凝土進行澆筑，其長度為2.58m，厚度為400mm；無需改變原溢洪道下游交通橋。

3)因為原來溢流堰兩側漿砌石擋墻嚴重漏水，所以計劃全部拆除重建。利用總長28m的C20混凝土重力式擋墻，擋墻高3.0m，墻頂部寬0.5m，設定為1∶0.4的擋土側坡比，設計為0的迎水面比。

通過調洪進行演算，洪水位設計設(P=5%)：上游為42.68m，與其對應的下泄流量為24.68m3/s；設定校核洪水位(P=0.5%)：上游43.78m，相對應的下泄流量為39.66m3/s。

2.2 加固后溢洪道水力計算

2.2.1 基本資料

1)設計洪水(P=5%)：上游為44.16m，最大泄流量設計為24.81m3/s。

2)設計校核洪水位為(P=0.5%)上游為43.13m，設計校核下泄流量最大為38.96m3/s。

2.2.2 結構模型

在水庫東側庫尾構筑溢洪道，為單孔的開敞式只有溢流堰，寬度為10.4m，設計43.2m的堰頂高程。設定三圓弧曲線的堰頭：R1=0.550m、R2=0.220m，之后進行曲線接冪：y=x1.850/(2.000×Hd0.850)，設定1:1的陡坡段坡度，設定1米的反弧段反弧半徑。WES堰大樣如圖1所示。

圖1 溢洪道WES堰大樣圖

2.2.3 計算溢洪道泄流能力

選擇計算方式：按照冷湖水庫的設計實際情況，獲取的堰頂的寬度為10.5m，參考堰型根據WES實用堰計算。

1)有效計算開敞式駝峰堰泄流能力：

(1)

(2)

式中：設定流量為Q，m3/s；淹沒系數為σc，以自由流出為形式，取=1；流量系數設定為m，查取溢洪道設計規范表A.2.1-1里面的相關數據；堰高設定為P，0.8米取值；閘墩側收縮系數設定為ε；設定B為溢流堰總凈寬，長度為10.6m；單孔設定寬度為b，單位m：重力加速設定為g，單位為m/s2；設定上游堰坡影響系數為C，如果為鉛直狀的上游堰面，c=1.0；如果是傾斜的上游堰面，就要在規范表A.2.1-2中查求C值；設定邊墩形狀系數為ζk；針對直角矩形的設定，ζk=1.0；針對折線或圓角形的設定，ck=0.7；針對流線形設定，ck=0.4；

設定中墩形狀系數為ζo，與其相關聯的是淹沒度hs/Ho和閘墩頭伸出上游堰面距離Lu；其中H0是行進流速內的堰上總水頭，單位為m，即H0=H+v02/2g，取v0≈0 m/s。

3 放水涵加固設計

3.1 兩種放水涵加固方案比較

1)利用大開挖方式。完成圍堰施工且將圍堰南側庫水放干后，進行壩體開挖，拆除原來的防水涵洞，在這個位置上埋置預制直徑800mm的鋼筋混凝土管，然后將壩體和上下游壩坡恢復原狀。

2)利用將鋼管放置在原涵洞內作為新放水涵管的模式。將內徑為650mm的涵管放置到原涵洞位置，利用細石混凝土回填涵管與原漿砌石涵洞之間空隙。

通過對以上兩個方案的比較，綜合比較以上兩個方案，第二個方案造價相對低，所以選擇第二個方案(套管方案)進行如下的工程設計。

1)拆除原有放水涵的進水口，進行放水涵閘室的新建，設計閘室規格為 4.5m×寬4.5m×高4.7m，設計增設尺寸1000×1200mm的平面鋼閘門；將反坡式進水池設置在閘前，設計進水池長和寬分別為12.3m和8m；在閘后設置長約6m的連接段銜接放水涵。

2)在現有放水涵洞內套長度為62.77m的鋼管，鋼管壁厚為10mm，內徑為650mm。利用細石混凝土填筑鋼管外側。

3)將消力池安裝在放水涵出口段，設置1∶3.0的陡坡段比降，設置4.18m長的水平投影，將高程從原來的33.57m下降到32.16m，底板采用550mm厚的C25混凝土；設置9m長的水平段池，下面的反濾層利用150mm厚粗砂。新增C20混凝土重力式擋土墻在消力池兩側，墻高和頂寬分別是2.9m和0.4m，設定1:0.4的擋土側坡比。

4) 新建啟閉機室與交通橋，可以在閘室上方建啟閉機室，將手動螺旋啟閉機安置其內。與左岸道路相連的交通橋長和寬分別為32m和2.2m。設計交通橋為三跨，跨間距離為11m，設置橋墩兩個，橋墩下的獨立基礎為長×寬為3.4m×2.0m，厚0.6m。

交通橋上橋點可以設計兩個方案，方案一是從壩體上橋，方案二是從壩前左岸的道路上橋。通過兩個方案的比較，第一個方案需要在原來壩體上進行橋墩施工，會對原壩體造成擾動，也不方便回填土壓實的施工。第二個方案是在原來山體上布置橋墩，具備較好的地質情況，不會干擾到原壩體，所以選擇第二個方案[2]。

3.2 進水口整體穩定及基底應力計算

該工程進水口左右側對稱布置，靠自重維持穩定，加之該進水口置于土質地基上，因建基面不允許出現拉應力，可不進行抗傾覆穩定計算。通過對進水口整體抗浮穩定與基底應力計算，以復核其是否滿足規范要求。經計算，該進水口的抗滑穩定系數大于所要求的安全系數，滿足規范要求；各工況的基底應力未出現拉應力，并且都小于進水口段基底承載力(持力層為弱風化花崗片麻巖，fak=500kPa)，因此可認定該工程的進水口為穩定結構。位于壩前左岸岸邊坍塌的擋土墻需要拆除重建，重建長度為50m，都為重力式漿砌石擋墻，高4.2m，頂寬0.7m，迎水側坡比1∶0.4，背水側坡比為0，墻底寬3.70m，底板厚0.7m，基礎埋深1.2m。擋墻開挖后破壞的道路由綠道工程統一修復[3]。

3.3 消力池計算

①放水涵流量計算；②消力池池深、池長計算；計算結果如表3所示。

表3 消力池計算成果表

取池深0.95m，底板厚度0.50m，池長13m。具體設計見《消力池結構圖》(圖號SL2509DT-510-11)。

3.4 漿砌石擋墻穩定計算

采用理正計算軟件中的擋土墻穩定計算進行計算，計算簡圖見圖2。

圖2 漿砌石擋墻穩定計算圖

重力式擋墻計算工況為完建期工況和非常運用工況。計算結果顯示，土質地基基本組合抗滑穩定安全系數≥1.2，特殊組合≥1.05。抗傾覆安全系數基本組合≥1.4，特殊組合≥1.3，最大應力與最小應力之比<2.5(地基持力層為全風化花崗片麻巖)。可見該擋墻斷面穩定滿足規范要求。

4 結 語

綜上所述，水庫是區域內人民生活中重要的水利工程，是涉及到國計民生的大事。而對水庫大壩進行搶險加固是確保水庫運行安全的根本保障，也是影響水庫可持續發展的重要因素。因此，在水庫的整體建設中，設計人員在對水庫大壩進行例行的除險加固的工程設計外，更要對水庫未來幾年內極易發生的安全問題進行科學預估，制定出相對應的處理預案，而且要充分與當前的除險加固工程設計相結合，保證水庫大壩的短期、中期和長期的運行安全。