密云水庫溢洪道除險加固技術方案優選研究

李嬋娟

(北京市密云水庫管理處，北京 101500)

密云水庫溢洪道位于大壩右岸，全段已襯砌加固。八字形進口引水段長14.2 m。控制段堰型為開敞式寬頂堰，寬度為10.0 m，長度為7.0 m，堰頂高程229.0 m。堰后接10.0 m等寬泄槽，坡比為1∶5，斜長58.5 m。泄槽末端設鼻坎挑流消能，反弧段長5.0 m。溢洪道全長84.7 m,進口段局部無擋墻襯砌，挑流鼻坎下游被占用為菜地和人行交通路面，路面和菜地高程與鼻坎基本持平，洪水不能安全下泄，溢洪道下游河道雜樹叢生，影響洪水歸槽，控制段人行橋欄桿銹蝕嚴重等問題，為此亟須對密云水庫溢洪道進行除險加固。溢洪道是水庫工程重要的組成部分，在水庫除險加固工程中，溢洪道的加固質量直接影響水庫工程總體的加固效果[1-5]。

因此，本文以密云水庫溢洪道除險加固工程為例，通過對溢洪道存在問題的分析，提出了加固技術方案，并對溢洪道設計方案進行了計算，保障了結構穩定性，確保了整體水庫工程的設計工作[6-8]。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[9-10]。

1 工程概況

密云水庫位于北京市密云區城北13 km處，位于燕山群山丘陵之中，面積180 km2，環密云水庫有200 km。密云水庫庫容40億m3，平均水深30 m。密云水庫有兩大入庫河流，分別是白河和潮河。壩址以上集雨面積15 505 km2，主河道長5.5 km，河道平均坡降23.6‰。庫區雨量充沛，流域兩岸一帶，山高嶺峻，草深林茂，土壤植被良好，水土保持完善。

水庫自建成以來，為灌區內農田的灌溉和灌渠沿岸的經濟作物灌溉提供了可靠的水源保證，直接捍衛了下游2800多人口以及1500多間房屋、200多公頃耕地、村鎮路道和大批供電、通信等重要設施的安全。水庫一旦出險，將直接威脅沿岸各鎮的安全。由于水庫存在著安全隱患，天然來水不能得到很好的利用，使水庫無法充分發揮其灌溉效益。因此，為了充分發揮水庫的綜合效益，特別是避免水庫可能的出事風險，本水庫除險加固刻不容緩。經現場踏勘，溢洪道右側巖土層為山體，左側為壩體填土，兩側均已修建擋墻，穩定性較好。消能方式為挑流消能。溢洪道全段已襯砌，結構完好。溢洪道現有側墻批蕩脫落嚴重，漿砌石水泥砂漿標號較低，強度不夠，墻體部分除險裂隙。溢洪道進口段首端未完善，沒有側墻。現有溢洪道底板為漿砌石護面底板，已出現裂縫、松動。原人行道從溢洪道進口底經過到壩頂。

2 溢洪道加固技術方案分析

2.1 消能防沖方案比選

如圖1所示，密云水庫溢洪道原設計采用挑流消能方式，現狀挑流鼻坎結構完好。鼻坎下游側河道已被填至坎頂高程，現狀為菜地和化糞池，村民在菜地旁修建1條3.5 m寬混凝土道路連接兩岸。溢洪道已無法正常挑泄，洪水無法歸槽。

圖1 溢洪道挑流鼻坎現狀

為保證洪水安全下泄，保證水庫運行安全，須對溢洪道現狀消能防沖段進行除險加固。根據工程現狀，本次溢洪道除險加固擬對挑流消能和底流消能方案進行比選。

方案一：挑流消能方案(比選方案)本方案保留原設計挑流消能，挖除下游侵占泄洪斷面內的道路、菜地等構筑物，恢復鼻坎挑流下泄功能，兩岸新建擋墻閉合。在下游27 m河道處新建跨河橋梁，供居民出行。本方案消能防沖布置按現狀，只對影響泄洪構筑物進行清理、拆除，施工難度低，造價低。但下游新建跨河橋梁布置困難，兩岸為農田，需進行征地，實施困難。且下游河道多為砂卵石層，采用鼻坎挑流下泄洪水，將對河床產生較大沖刷，危及河道邊坡及農田。

方案二：底流二級消能方案(推薦方案)本方案將原設計挑流鼻坎拆除，重建底流消能方式。為二級消能，矩形等寬斷面，寬度為10 m。第一級消力池長16.93 m(含斜坡段長度)，底高程為215.29 m。在第一級池內布設兩排消力墩，梅花形布置。第二級消力池長25.18 m(含斜坡段長度)，底高程為211.50 m，為突檻式消力池，池深1.6 m。后接漿砌石海漫，長10 m。人行橋布設在第一級消力池，為2孔鋼筋混凝土橋涵結構。

方案三：底流消能方案(比選方案)本方案將原設計挑流鼻坎拆除，重建底流消能方式。矩形等寬斷面，寬度為10 m。斜坡段長19.84 m，坡比1∶3.3。消力池采用突檻式，長20 m，檻高1.6 m，底高程為211.50 m。后接漿砌石海漫，長10 m。人行橋布設在消力池內，為1跨×10 m鋼筋混凝土橋梁結構。

2.2 方案比選分析

方案一為挑流消能，按原溢洪道布置，但人行橋布置需占用農田。

方案二為底流二級消能型式，基本按現狀進行布置，底板高程適中，開挖深度不大，不會產生深基坑，無占地。

方案三為底流消能，斜坡段出現2.87～6.53 m臨空面，開挖深度大，出現深基坑，危及兩岸邊坡和房屋，且人行橋布置需占用農田。故方案二較優。

工程施工的比較：方案一原址布置，僅需挖除侵占構筑物，容易實施。方案二、三消能防沖在原址拆除重建。現狀兩側為房屋，其中左側房屋邊線距離側墻邊線1.8～4.7 m(水流方向)。方案二為二級消能布設，第一級池底離岸頂高約2.84～3.51 m，最大開挖深度3.0 m，施工時用鋼板樁支護，容易實施。方案三斜坡段按坡比1∶3.3 布置，后接消力池底部。斜坡段底高程離岸頂高約2.87～6.53 m，最大開挖深度達6.0 m，施工時需排樁支護，施工困難，極容易擾動左側房屋基礎。故方案一、方案二較優。

工程占地的比較：方案二消能設施和橋涵在原址布置，無須進行征地拆遷，容易實施。方案一和方案三人行橋布置需占用基本農田，實施困難。故方案二較優。綜上所述，考慮溢洪道左側房屋邊線離側墻近，為確保不擾動現狀房屋安全，選擇開挖深度不大，施工容易實施，且不涉及征地補償的方案是合適的。因此，本次溢洪道除險加固消能防沖選取方案二消能方式。

2.3 溢洪道布置

本溢洪道為2級建筑物，開敞式寬頂堰型式，斷面為矩形，堰頂凈寬10 m。溢洪道全段已襯砌加固，結構完好，本次僅對消能防沖段進行加固。通過上述加固方案加固后，溢洪道達到如下標準：

(1)進口段。進口段斷面為喇叭口狀，底板高程為229.0 m。兩側擋墻和底板維持現狀，清除進口段行洪斷面內的障礙物。

(2)控制段。控制段堰頂高程為229.0 m，堰頂凈寬10.0 m，兩側擋墻和底板維持現狀。

(3)泄槽段。原設計泄槽段斷面采用矩形斷面，寬度為10.0 m，長58.50 m。泄槽段坡比為 1∶5。本次加固泄槽段側墻和底板均維持現狀。

(4)消防防沖段。消能防沖段采用矩形斷面，寬度為10.0 m。原挑流消能拆除，重建為底流消能方式，為二級消能型式，第一級長16.93 m，第二級長25.18 m，全長42.11 m，池深1.6 m。

3 溢洪道加固設計計算分析

3.1 進口段和控制段

現狀進口段為喇叭口形式，梯形斷面，進口渠底寬17～10 m，堰頂高程為229.0 m，墻頂高程232.74 m，墻高3.74 m。在下泄各頻率流量時，近似地將進口段水位與水庫水位相等。現狀墻頂高程滿足計算要求的高度值。本次設計不改變水庫的運行水位，斷面為矩形，加固整平后堰頂高程仍然保持為229.0 m，堰頂寬10.0 m。經調洪演算得：50 a一遇設計洪水位231.15 m，相應下泄流量為52.48 m3/s；500 a一遇校核洪水位231.81 m，相應下泄流量為78.30 m3/s。本次設計溢洪道型式為開敞式寬頂堰，凈寬10.0 m，堰頂高程229.0 m，進行過流能力復核。溢洪道泄量計算采用堰流公式(1)：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；m為流量系數，取0.385；B為堰凈寬，取10.0 m；H0為堰上總水頭，m；ε為堰墩側收縮系數；σs為淹沒系數，本工程堰后接泄槽，取1。根據上述公式計算，溢洪道水位泄量成果見表1。

表1 溢洪道水位泄量成果表

根據表1的水位(H)～流量(Q)關系繪制H～Q曲線經調洪演算，計得各頻率的水庫水位和相應的下泄流量成果列于表2。

表2 各頻率水庫水位與相應下泄流量

3.2 泄槽段

泄槽水面線計算如式(2)～式(3)，確定臨界水深：

(2)

(3)

式中：hk為泄槽的臨界水深，m；α為動能修正系數，取1.0；q為泄槽的單寬流量，m3/(s·m)；g為重力加速度，取9.81 m/s2；b為底寬，m。將相關數據代入上式，計算結果如表3所示。

表3 各頻率相應的臨界水深hk

4 溢洪道結構設計穩定計算

本工程需進行驗算的下游河道擋墻。擋墻采用C20混凝土，基礎高0.50 m，底寬2.02 m。迎水面垂直，背水面坡度為1∶0.4的斜坡，墻體容重γ=23 kN/m3。計算斷面見圖2。

圖2 擋墻計算簡圖(單位：cm)

計算參數如下：墻后填土內摩擦角12.0°；墻后填土黏聚力13.2 kPa；墻后填土容重18.00 kN/m3；墻背與墻后填土摩擦角9.0°；地基土容重18.00 kN/m3；地基承載力特征值120.0 kPa；墻底摩擦系數0.38。

擋土墻穩定計算分二種工況：①完建工況；②洪水降落期工況。同時計算擋墻在各種工況下的應力及穩定情況。取1 m單寬長度作單元進行計算。擋土墻后的土壓力按朗肯公式計算主動土壓力。計算結果如表4所示。

表4 擋墻穩定驗算成果

由計算結果可知：擋墻各工況下抗滑穩定及抗傾覆穩定均滿足規范要求；擋墻基底最大應力均小于地基容許承載力(120 kPa)。

5 結 論

溢洪道是水庫工程重要的組成部分，在水庫除險加固工程中，溢洪道的加固質量直接影響水庫工程總體的加固效果。以密云水庫溢洪道除險加固工程為例，通過對溢洪道存在問題的分析，提出了加固技術方案，并對溢洪道設計方案進行了計算，保障了結構穩定性，確保了整體水庫工程的設計工作。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。密云水庫溢洪道除險加固工程實施完成后，可恢復下游水田灌溉133 hm2有余，徹底解決水庫存在的病險問題，水庫能正常防洪和灌溉，促進水利事業更好的發展，結果可為類似工程提供參考。