探討泄洪與消能建筑物加固改造設計

楊娟

（貴州省岑鞏縣水務局，貴州 岑鞏 557801）

1 標子塘水庫工程概述

標子塘水庫建于1976 年10 月，于1978 年9 月建成蓄水。總庫容39.3 萬m3，是一座V 等小（2）型水庫工程。水庫樞紐由大壩、泄洪表孔和放水涵管等主要建筑物組成，主要建筑物級別為5 級，水庫正常蓄水位597.90m。大壩為漿砌石圓弧單曲拱壩，兩端設推力墩，壩頂寬度為1.25m，壩頂弧長43.5m，左壩端推力墩長9m 左右，右壩端推力墩長5.2m 左右。壩頂高程598.38m，建基面高程585.0m，壩底寬1.9m，最大壩高13.38m。溢流表孔布置于大壩偏右壩段，為單孔凈寬12m 的自由溢流表孔，堰型為寬頂堰形狀的壩頂溢流堰，兩端無導墻，堰頂高程597.9m，堰頂和堰壁破損嚴重，放水涵管布置于588.125m 高程右壩端，鋼管穿壩體引至下游渠道，管徑25cm，出口設閘閥和閘閥室。各頻率洪水及水位成果如表1 所示。

表1 各頻率洪水及水位成果

2 標子塘水庫存在的問題

大壩存在的主要問題就是大壩壩體上游面防滲層脫落和破損嚴重，防滲層在蓄水位以下部位局部出現裂縫，壩體未見錯動及裂縫等異常跡象，大壩壩面較平整，壩基巖體透水率大，左、右岸山體存在繞壩滲漏現象，在大壩下游壩腳放水涵出口存在約5.0L/s 的滲漏流量。堰頂和堰壁破損嚴重，溢流堰過流能力嚴重不足。下游設有消力池，拱冠梁斷面位置池身長7.5m，底板高程586.5m 左右，表面堆積物較多，平整度較差。放水涵管鋼管穿壩體引至下游渠道，管徑25cm，出口設閘閥和閘閥室，鋼管和閘閥銹蝕嚴重，閘閥已不能正常工作，閘閥室破損嚴重。其次是水庫運行管理存在的問題，水庫未設置基本的水情及工程監測設施，缺乏必要的交通、通訊等管理設施，不利于水庫的運行管理和防洪調度。水庫運行管理的規章、制度不齊全。

3 加固改造方案分析

現有溢流表孔的過流能力不足導致大壩的防洪標準偏低，通常可采取3 種處理方案：①方案一：維持現有的溢流表孔現狀，加高大壩。②方案二：不加高大壩（或加高大壩但不增加淹沒），加寬溢流表孔過流凈寬，并且改造溢流表孔形狀，提高過流系數。③方案三：維持現有溢流表孔現狀，不加高大壩，增設新的溢流設施。方案一單純從加高大壩來抵御防洪要求，必然會導致校核洪水位和設計洪水位抬高，故壩體承擔的應力水平增加，對基礎的灌漿處理方案要求更加嚴格，并且導致庫區尤其是左岸的部分農田淹沒，此方案不經濟且技術風險較大。方案三需要新增過流建筑物，結合現場的實際情況看，只有新增泄洪隧洞，從過流復核成果看，不足的過流流量并不大，顯然此方案極不經濟。方案二只針對溢流表孔進行改造，適當加高壩體，不新增泄洪設施，從提高表孔自身的過流效率考慮，從技術風險和投資上是最合理的。壩頂整治如圖1 所示。

圖1 壩頂整治

4 泄洪、消能建筑物的加固改造設計

4.1 消力池設計

現有消力池池身最大凈長度（拱冠梁剖面位置）為7.5m，混凝土澆筑，底板高程586.5m，尾部設40cm 厚80cm 高的導墻接兩壩肩巖體，形成小型水墊塘。在右端結合取水管閘閥室，設有混凝土支墩，再靠右部設有過水口，寬30cm 左右。目前消力池導墻質量尚完好，在底板上存留部分雜土雜石和堆積物，此次改造予以清除。考慮到減小消力池底板揚壓力作用，本次除險加固增設底板基礎固結灌漿，深入基巖5m，灌漿孔間距2m，梅花形布置。消力池改造斷面如圖2 所示。

圖2 消力池改造斷面

4.2 溢流表孔設計

為提高溢流堰過流能力，需將現在的寬頂堰形狀的溢流頭改造成過流效率較高的實用堰，將堰頂向上游沿597.9m 高程拱圈平移，以延長溢流堰的吃水長度，加寬溢流堰的溢流凈寬度至15m。施工時，將溢流壩段壩體拆除至596.9m 高程，澆筑C20 溢流頭混凝土，布置φ25 錨筋（植筋的方式植入壩體）以增加實用堰與壩體的連接的穩定性，上、下游面分別形成懸挑，增加溢流面的流程，改善過流條件，同時，增加跌流水舌的射距。為使過流流態更加順暢，在溢流堰兩端的壩體上采取植入錨筋的方式，增設C20 混凝土導墻，厚0.5m，流向長度2.95m，使得下泄水流進流順暢，出流歸槽。溢流表孔改造斷面如圖3 所示。

圖3 溢流表孔改造斷面

4.3 壩下消能設計

與有利的消能區水利條件相結合，在對壩下消能防護進行設計規劃時，應使用護岸不護底的天然水墊塘進行消能。通過現實實踐的過程成中，可以運用水工試驗的方式進行驗證，在消能洪水工況下，中控的最大的沖坑深設置在4m，中控控制下泄流量控制為700m3/s，沖坑的壩腳與上端的距離應保持在114m，兩側坡比是1:7.7，上游坡比為1:3.75，中孔的挑距設置較遠。因考慮到對沖坑會產生一定的影響，所以對水墊塘消能區域的坡腳設置混凝土鐵坡防護。大壩下游面現狀如圖4所示。

圖4 大壩下游面現狀

4.4 泄洪設計

標子塘水庫工程的泄洪設計主要分為，泄洪中心線與泄洪軸線的選擇和表、中孔的布置兩種。對于泄洪中心線與泄洪軸線的選擇方面，可以根據其下游的地勢情況，可以向拱壩中心線的右岸位置偏移6.5°來作為泄洪的軸線。通過運用模型實驗進行驗證可以得出，水舌入水的寬度都能基本的落在主河床內，不會沖刷到岸坡。對于泄洪軸線的選擇，因為泄洪軸線的直徑的選擇會直接影響到泄洪水流的落點，一般情況下，當半徑的取值越小時下泄水流向心集中的現象越嚴重，在一定程度上造成下河床的沖刷。由于大壩下游的基本情況，可以把表孔堰頂選擇為泄洪軸線，可取半徑為300m，在此選擇的泄洪軸線可以在一定程度上保障水布滿河床，并且還不會對兩岸的岸坡造成沖擊。對于表、中孔的布置，可以與下游到地勢特點相結合，以控制水舌入水的寬度為基本原則，在平面上進行相間布置的措施，把中孔設置在表孔的左右中墩下部的位置，并且還要與泄洪的中心線保持對稱，溢流前緣的寬度應控制在58m 左右。表孔孔口的寬度為12m，堰頂高程為408m。因考慮到消能的需要，表孔出口設置俯角鼻坎或者是挑角，這樣可以進一步促使表孔水舌可以再縱向上分入水，減輕下泄水流所帶來的沖刷。此外，表孔在堰頂設置弧形閘門，但是沒有設置檢修閘門，當在枯水時期，水位下降到地域408m 的高度的時候，可以開展工作閘門檢修的工作。在孔的出口設置尺寸為5m×7m 的弧形工作閘門（這里指的是寬5m，高為7m）。通過運用泄流能力計算，可以得出夏季的防汛水位一般都在403m 左右，中孔泄流量為1673m3/s，可以達到下游防洪調度的要求。在對謝工建筑物進行設計時，應結合樞紐工程防洪調度，做一下調洪演算的工作[1]。

4.5 基坑的排水及清污

圍堰填筑并進行機械碾壓夯實后進行基坑排水，按照基坑水量約10 萬m3計算，配備8 臺排污泵進行排水。在對基坑進行排水的過程中，應采用緩慢降低水位的方式，并在排水的過程中加強對堰體的變形檢測和巡視檢查的工作，從而確保圍堰的安全性。為進一步對新舊混凝土面和地板基礎免得粘結性進行加強，需要對消力戽地板的基巖面的松動塊及淤積的東西進行清理，可以采用切割機、煤氣噴槍、沖擊鉆等設施對原始的河床進行人工鑿毛處理。引水管及控制閘閥室設計斷面如圖5 所示。

圖5 引水管及控制閘閥室設計斷面

4.6 溢流面常態混凝土缺陷處理

在施工的過程中，可以運用基面處理、噴涂底膠、填筑彈性環氧砂漿、壓平處理等施工方式進行處理。在對溢流面常態混凝土缺陷處理的過程中，首先可以使用切割機對修補邊界切割規整，然后再使用手釬對混凝土基面的松土部分進行鑿除，這里值得注意的是對于深度不足0.5cm 的區域可以鑿到0.5cm 即可，可以清楚混凝土基面的松散顆粒、薄弱層等，用高壓水進行反復的沖洗，然后使用煤氣烤槍進行烘干處理。等到表面干燥后，就可以對基面涂上涂一道環氧樹脂底膠，等表面干燥后再填筑彈性環氧砂漿[2]。當深度在超過5cm 的混凝土蜂窩，可以使用拌制的環氧樹脂細石混凝土分層填入坑槽，這里的每一層都不能超過5cm 厚，特殊情況下可以將表面設置模板，修補邊緣用角向磨光機打磨深5mm 的連接槽，用彈性環氧砂漿將周邊和表面修補密實平順。

5 結語

綜上所述，本文通過對標子塘水庫泄洪消能設置加固處理，進一步增大了溢流面預制塊間和預制塊與碾壓混凝與之間的連結作用，加強了大壩的底部及壩趾的防護結構，大壩泄洪消能設施整體的沖刷性也得到了顯著的提高。本次通過對其加固采用的方法也是多種多樣的，比如對泄洪進行改造設計以及溢流表面補強加固等方式進行泄洪消能。且此次改造的結果也表明了這些方法的優點也很多，比如施工質量易于控制、施展性好等，為以后對此類工程的補強加固積累了豐富的實踐經驗，為以后工程的施工提供借鑒。