芻議高虎腦水庫除險加固工程溢洪道設計

吳小平

(永豐縣白水門水庫管理所,江西 吉安 331500)

1 工程概況

高虎腦水庫位于永豐縣石馬鄉龍源村，距永豐縣城約70 km，水庫集雨面積24 km2，正常蓄水位222.50 m(黃海高程，下同)，總庫容1630×104m3，設計灌溉面積0.17萬hm2，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發電、養殖等綜合效益的中型水庫。

高虎腦水庫于1968年動工興建，1973年基本建成，后經多次加高加固方達現有規模。主要建筑物有大壩、正常溢洪道、非常溢洪道、壩下涵管及電站等。

水庫現有兩個溢洪道，分別設置在大壩左、右岸。左岸溢洪道為正常泄洪設施，始建于1978年，為開敞式，由進口段、控制段、泄槽組成，全長130.4 m。進口段為明渠，進口底高程222.2 m，底寬18.6 m(末端漸變為16.20 m)，長約53 m，縱坡0.012；控制段為漿砌塊石駝峰堰(水泥砂漿抹面)，堰頂高程222.5 m，溢流凈寬16.2 m，堰長8.32 m；泄槽分兩級，一級泄槽長16.38 m，寬16.2～12.0 m，縱坡0.116，二級泄槽長42.67 m，寬12 m，縱坡0.42，底板采用150#混凝土襯砌，厚0.3 m；泄槽末端為挑流鼻坎，挑射角20°，末端底高程201 m。溢洪道兩側為漿砌石邊墻，其中進口至一級泄槽墻頂高程為228 m，墻高7～10 m，二級泄槽邊墻高度1.74～2.77 m。泄槽上方架設漿砌石拱橋，橋長18 m，寬4.5 m。

右岸溢洪道原為開敞式明渠，凈寬11.7 m，1987年冬封堵為自潰式土壩，作為非常溢洪道，現頂高程225.33 m，頂寬4.65 m，低于校核洪水位，為防洪缺口。

目前，左岸溢洪道進口段邊墻局部破損、坍塌，墻頂部與壩頂連接處見有一水平方向裂縫，墻體向溢洪道內傾斜，墻面存在較多裂縫；控制段漿砌塊石駝峰堰水泥砂漿抹面老化、破損，裂縫眾多，堰體局部存在空洞，邊墻見有一條豎直方向裂縫，最大縫寬約1 cm；泄槽及挑流鼻坎混凝土底板總體情況較好，局部存在老化、蜂窩麻面和龜裂現象。

高虎腦水庫地理位置重要，下游有石馬、藤田和陶塘3個鄉鎮中的43個村莊、人口3.1萬人、農田2000 hm2，有永豐～中村公路等重要交通設施。高虎腦水庫工程經40多年的運行，水庫各建筑物均出現不同程度的病險及隱患，水庫一旦失事，將給下游人民生命財產和國家重要設施造成重大損失。

2 正常溢洪道加固設計

根據現狀溢洪道存在的問題，設計擬對其進行原址原規模新建。加固設計項目有：堰前進口段清淤達設計高程后，新澆混凝土底板；控制段拆除重建；泄槽底板拆除新澆C25混凝土、邊墻拆除重建；拆除重建C25挑流鼻坎；新建下游進電站交通橋。加固后溢洪道由進口段、控制段、泄槽段、挑流消能設施等部分組成。

2.1 進口段加固設計

現狀進水口底板未襯護，底板出露地層為第四系殘坡積層、強風化基巖；泄洪時進水段流速為2～3 m/s，大于其允許流速0.9～1.2 m/s；進口段邊墻破損、存有裂縫，墻體向溢洪道內傾斜。

本次設計進水口設C20混凝土底板，厚30 cm，每隔8.8 m設一橫向伸縮縫，襯砌后底高程為221.5 m，總長53 m；右側擋墻拆除重建，采用C15混凝土衡重式擋墻，頂寬0.8 m，左側新建C15混凝土貼坡式邊墻，墻厚0.3 m，墻頂高程228 m；進口段與堰首段連接分縫處設橡皮止水。

2.2 控制段加固設計

現狀駝峰堰水泥砂漿抹面破損、裂縫眾多，且內部存在架空等質量缺陷。本次加固將其拆除重建，堰體形式維持現狀不變，堰體材料采用C25混凝土，表層設φ12@200的鋼筋網。左右兩側擋墻拆除重建，采用C15混凝土衡重式擋墻，墻頂寬0.8 m，墻頂高程228 m。

2.3 泄槽加固設計

溢洪道混凝土底板下部原設計布置了2條縱向排水溝，現狀只有1條縱向排水溝，且運行多年，局部堵塞，排水不暢；在宣泄校核洪水時，二級泄槽段的邊墻高度不滿足要求；二級泄槽和鼻坎反弧段呈高速水流狀態，其抗沖刷耐磨性不能滿足要求；混凝土底板表面存在沖刷剝蝕、龜裂現象。

根據現狀地形及溢洪道泄槽存在的主要問題，本次加固方案為：將原泄槽底板拆除，重新澆筑厚30 cm C25混凝土泄槽底板，襯砌表面沿縱橫向配置設φ8@200的溫度筋；考慮到二級泄槽縱坡較陡、流速大，在二級泄槽段加設φ25錨筋，錨筋間距1.5 m，梅花形布置，伸入基巖1.5 m，頂部與新澆筑的底板表層鋼筋網焊接；底板與擋墻連接處設置縱向伸縮縫，一級、二級泄槽底板各設2條、4條橫向伸縮縫，縱、橫伸縮縫內均設置橡皮止水；底板下設置2條縱向排水溝，每條橫向伸縮縫下均設一條橫向排水溝，排水溝尺寸0.3 m×0.3 m，溝內回填砂礫石料。

左、右擋墻拆除重建。根據現場地形條件確定：一級泄槽前段采用C15混凝土衡重式擋墻，頂寬0.8 m，后段采用C15混凝土重力式擋墻，墻頂寬0.6 m，墻高3.5 m；二級泄槽兩側均采用C15混凝土重力式擋墻，墻頂寬0.6 m；墻頂高程按本次復核計算高程確定，分縫長度與混凝土底板的分縫一致。

泄槽底板寬度、縱坡仍與原設計保持一致。

2.4 拋物線連接段設計

按規范要求，當泄槽段底坡由緩變陡時，可采用拋物線連接，拋物線按式(1)、式(2)計算：

y=xtanθ+(x2)/K(4H0cos2θ)

(1)

H0=h+αv2/(2g)

(2)

式中：x、y為以緩坡泄槽段末端為原點的拋物線橫、縱坐標，m；θ為緩坡泄槽底坡坡角，tanθ=0.116；K為系數，對于落差較大的重要工程，取1.5；H0為拋物線起始斷面比能，取7.072 m；h為拋物線起始斷面水深，取2.202 m；v為拋物線起始斷面流速，取9.775 m/s。

拋物線各點坐標見表1。

表1 拋物線各點坐標

2.5 挑流消能設計

本工程消能防沖設計標準采用P=3.3%，最大下泄流量為120.7 m3/s。

末端仍采用挑流鼻坎消能，將原鼻坎拆除后，澆筑厚50 cm C25鋼筋混凝土，坎頂高程201.16 m，反孤半徑9 m，挑射角為20°，鼻坎坎頂至下游河床高差取5.29 m。

鼻坎下游約有25 m長的弱風化凝灰質變質砂岸夾千枚巖，抗沖刷能力較好，基本能滿足鼻坎的穩定和跌流消能要求。對左側山坡進行修整，右側原擋墻進行加固。

2.6 泄洪渠加固處理

溢洪道下游泄洪渠寬窄不一、淤堵嚴重，擋墻破損、裂縫，墻基已外露，影響洪水安全下泄。本次加固對泄洪渠統一規整至底寬15 m，底面清淤后澆筑厚0.3 m的C25混凝土，底板縱坡為0.01，兩側擋墻拆除重建C15混凝土重力式擋墻，墻頂寬0.5 m。

2.7 交通橋設計

進電站道路橫穿溢洪道泄洪渠，一旦泄洪將中斷交通，對防汛搶險和運行管理造成重大影響。

現狀進電站人行橋標準低，基礎沖刷外露，嚴重影響水庫防汛搶險。本次加固需重建進電站交通橋，交通橋防洪標準按30年一遇設計，橋梁按汽-15等級荷載設計。交通橋全長20 m，共3跨，橋面寬4 m，為現澆“T”形梁橋，梁、板等采用C25鋼筋混凝土。

3 正常溢洪道加固設計計算

3.1 水力計算

(1)泄洪能力計算。溢洪道控制段為a型駝峰堰[1]，堰頂高程222.5 m，上游堰高1 m，溢流凈寬16.2 m。經計算，庫水位與泄流量關系見表2。

通過調洪演算得到水庫各種頻率的洪峰流量，各種洪水標準的溢洪道下泄流量見表3。

表2 庫水位～泄量關系

表3 調洪計算成果(推理公式法)

(2)泄槽水面線及邊墻高度計算。根據《溢洪道設計規范》(SL 253—2018)，用分段求和法計算溢洪道泄槽水面線，再考慮摻氣影響及安全加高，可算出需要的邊墻高度。現取校核洪水位227.1 m，相應泄量為273.1 m3/s，進行水面線計算。計算結果見表4。

表4 泄槽段水面曲線及邊墻高度計算

由上表可知，現狀二級泄槽的擋墻高度不滿足要求；加固后，擋墻高度均滿足規范要求。

(3)溢洪道消能復核。消能方式為挑流消能，鼻坎坎頂至下游河床高差取5.29 m。經計算，自挑流鼻坎末端算起至沖刷坑最深點距離：Lt=41.32 m；沖刷坑最大水墊深度：T=8.13 m。

為了確保鼻坎基礎的安全，沖刷坑上游坡度一般在1∶3～1∶6選用，根據地質情況確定沖刷坑上游坡度為1∶4。

Lt/T=5.08>4，滿足要求。

3.2 堰體抗滑穩定計算

溢流堰為a型駝峰堰，上游堰高1 m，堰體為C25混凝土，堰基為強風化凝灰質變質砂巖夾千枚巖。

其抗滑穩定安全系數按抗剪斷強度計算,見式(3)(取單位寬度)：

K=∑(f′W+c′A)/∑P

(3)

式中：K為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f′為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數，取0.36；c′為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力，取0.08 MPa；A為堰體與基巖接觸面的截面積；W為作用于堰體上的荷載對計算滑動面的法向分量，kN；∑P為作用于堰體上的荷載對計算滑動面的切向分量，kN。

計算結果詳見表5。

表5 溢洪道單位寬度堰體抗滑穩定安全系數計算成果

從上表的計算結果可知，溢洪道堰體抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

4 非常溢洪道加固設計

右岸溢洪道為非常溢洪道，為開敞式明渠。因左岸溢洪道的泄流能力滿足要求，在1987年冬對右岸溢洪道進行了封堵，建成自潰式土壩，作為非常泄洪設施。目前，該溢洪道頂高程為225.33 m，低于校核洪水位，為防洪缺口。

恢復非常溢洪道的泄洪能力，降低正常蓄水位以上的水頭。因受地形限制，非常溢洪道控制段只能改建成無坎寬頂堰，堰頂高程222.5 m，溢流凈寬規整至15 m。當庫水位高于正常蓄水位222.5 m時，經過對正常溢洪道泄洪、兩個溢洪道同時泄洪兩種工況進行調洪演算結果分析可得：如恢復非常溢洪道的泄洪能力，設計洪水位能降低0.65 m，校核洪水位能降低1.04 m。

對非常溢洪道加固采取兩種方案進行比較分析：

方案一：對其進行加固，恢復其泄流功能。控制段為寬頂堰，溢流凈寬15 m；泄槽段底板拆除重建；兩側邊墻拆除重建C15混凝土擋墻[2-3]。

方案二：將其封堵，回填成一均質土壩。兩個溢洪道同時泄洪時下游壩坡抗滑穩定最小安全系數仍不滿足規范要求，為方便日常運行管理，故將其封堵，軸線、上下游坡比、壩頂寬及壩頂高程等均與大壩一致。

經過對兩種方案進行比較可得：方案一的投資較大，運行管理不方便，還需在堰頂增設一交通橋；方案二的投資較小，利用壩頂作為交通公路。故設計加固采用方案二，具體加固措施為：將原土壩、閘墩等拆除，重新填筑成一均質土壩。為整體美觀，其軸線與大壩軸線一致，上游坡比填筑至1∶3.03，采用C20混凝土預制塊護坡；下游坡比為1∶2.6，采用C15混凝土網格草皮護坡；壩頂寬6 m，頂高程為228.4 m。

(1)壩體防滲。最大壩高僅為5.72 m，故壩型采用均質土壩，填筑土料要求，滲透系數不大于1×10-4cm/s，水溶鹽含量不大于3%，有機質含量不大于5%，有較好的塑性和滲透穩定性，浸水與失水時體積變化小，壓實度不小于96%。與兩岸的連接采用黏土刺墻，深入兩岸基巖1.5 m，墻厚3 m。

(2)壩基及壩肩防滲。壩基底高程為222.3 m，壩基(肩)上部巖體仍呈中等透水性，存在壩基及繞壩滲漏問題，故本次設計在壩基設帷幕灌漿，與大壩的灌漿帷幕連成一體。

(3)壩頂加固。壩頂高程228.4 m，采用C25混凝土路面，混凝土路面寬6 m，路面向兩游側傾斜，坡度為1%，并在上游側增設照明燈具。

(4)護坡加固。上游壩坡采用C20混凝土預制塊護坡，厚10 cm，下設砂礫石墊層厚15 cm；下游壩坡采用C15混凝土網格草皮護坡。因壩前水頭不大，故壩腳不設排水體。

(5)壩面排水。在上、下游壩坡與岸坡連接處增設岸坡排水溝，排水溝均采用矩形斷面，尺寸為300 mm×300 mm，采用C15混凝土澆筑，澆筑厚15 cm。

5 結 語

文章對高虎腦水庫左岸正常溢洪道采取原址原規模拆除重建方案，重建后溢洪道由進口段、控制段、一級泄槽、二級泄槽、挑流消能設施、泄洪渠組成，并重建跨泄洪渠進電站交通橋，經過復核計算，溢洪道泄流能力、泄槽邊墻高度、堰體穩定計算結果等均滿足規范要求。經過方案比選對右岸非常溢洪道進行封堵回填，按照大壩設計標準進行加固；高虎腦水庫溢洪道除險加固工程實施后，可以確保水庫在遇到較大洪水時，能夠正常泄洪，保障水庫大壩安全以及下游人民群眾生命財產安全。