馬嶺水庫除險加固工程設計

張奕池

(江門市科禹水利規劃設計咨詢有限公司,廣東 江門 529000)

1 工程概況

馬嶺水庫位于陽東區新洲鎮，壩址距新洲鎮約7 km，距陽江市約40 km。水庫壩址以上控制集雨面積為1.695 km2，總庫容為150×104m3。水庫設計灌溉面積為253 hm2，是一座以灌溉、防洪為主的綜合利用的小(1)型水庫。水庫設計洪水標準為30年一遇，校核洪水標準為500年一遇，溢洪道消能防沖為20年一遇。經調洪演算，水庫正常蓄水位49.10 m，相應庫容99×104m3；設計洪水位50.91 m(p=3.33%)，相應庫容134×104m3，校核洪水位51.61 m(p=0.2%)。該水庫是1956年建成并投入運行，至今已有60余年，由于當時施工條件有限，設計標準低，施工技術水平不高，屬于邊規劃、邊設計、邊施工的“三邊”工程，經過多年運行使用，部分建筑物及設施存在不同程度的安全隱患，已嚴重危及水庫的安全，亟須對水庫除險加固。

2 主要問題

根據馬嶺水庫安全鑒定結果得知，目前水庫的溢洪道、輸水涵管均存在諸多安全問題[1]。

2.1 大壩

大壩上游混凝土壩坡出現裂縫，局部有雜草；大壩浸潤線出逸點高，校核洪水位工況滲透比降大于壩體填筑土允許水力比降；大壩的實際抗洪能力不滿足國家現行規范的要求；大壩填筑土滲透系數不滿足規范要求。

2.2 溢洪道

水庫溢洪道橋面高程及泄槽段安全超高不滿足現行規范要求；大壩下游壩腳與溢洪道右側擋墻交接處出現滲水的現象；溢洪道混凝土底板出現多處開裂、表面砂漿脫落的現象，側墻局部也已經損毀。

2.3 輸水涵管

輸水涵管經多年運行，出現滲水現象；啟閉房破舊不堪，啟閉設備也已生銹。

3 除險加固設計

3.1 大壩加固設計

3.1.1 壩坡及護坡設計

上游壩坡高程45.00 m和47.80 m均修建C25混凝土齒墻，45.00 m齒墻以上坡度為1∶3.5，47.80 m齒墻以上坡度為1∶2.5；護坡高程范圍從壩頂路面52.10 m至高程47.80 m，先鑿毛原混凝土護坡和修整壩坡后，現澆C25混凝土護坡厚0.12 m；護坡高程范圍從47.80 m至高程45.00 m，先修整壩坡后鋪設砂石混合料墊層厚0.10 m，再現澆C25混凝土護坡厚0.12 m。大壩下游壩坡修整后重新植草皮護坡[2]，并在下游壩坡修建C20上壩步級。

上游壩坡坡腳設C25混凝土護腳，寬×高=0.5 m×1.0 m。上游混凝土護坡采用4 m×4 m板塊并錯縫布置，縫下設1.0 m寬反濾土工布，并在每個板塊中間設φ75排水孔，孔底鋪土工布。

3.1.2 新建下游壩腳排水棱體

本次設計拆除原壩腳貼坡排水，新建棱體排水，棱體排水頂高程取38.76 m，頂部設C20混凝土壓頂厚0.15 m，從內向外分別為粗砂厚0.2 m，10～20 mm碎石厚0.2 m，20～40碎石厚0.2 m。

完善壩面排水系統包括縱向排水溝、壩腳排水溝。排水溝均采用C20混凝土現澆矩形斷面，側墻和底板厚度均為0.15 m，排水溝尺寸為0.4 m×0.4 m(寬×深)，壩腳排水溝尺寸為0.5 m×0.5 m(寬×深)，側墻為M7.5漿砌石厚0.4 m，底板為干砌石厚0.4 m。

3.1.3 大壩防滲設計

由于壩體土多由二長花崗巖的殘積土或全風化土填筑而成，呈硬塑狀態，土中風化砂礫、碎石含量較多。填筑土滲透系數k=6.47×10-4cm/s，大于規范要求的1×10-4cm/s，滲透系數偏大。為此，本次設計主要對大壩進行灌漿以提高壩體防滲性能。

灌漿在現有壩體進行，兩側壩肩沿距原壩軸線上、下游1.0 m處各布置一排充填灌漿孔，排距2.0 m，孔距2.0 m，按梅花型布孔，上游共布18個孔，編號Ⅰc1～Ⅰc18，下游共布18個孔，編號Ⅱc1～Ⅱc18；中間壩段沿原壩軸線布置1排劈裂灌漿，孔距5 m，共布孔10個，編號P1～P10，灌漿底部高程均以進入壩基殘積土層2 m控制。大壩共計鉆孔46個，充填灌漿深度192.04 m，劈裂灌漿深度151.38 m。

3.1.4 大壩滲流計算

加固后的大壩滲流穩定性計算主要選擇大壩最大壩高斷面進行滲流分析。

由于大壩無監測數據，為此，在進行大壩滲流分析時，滲透系數采用現場注水試驗推求的滲透系數，具體計算參數見表1。

表1 滲透系數的選取

根據水庫的實際運用情況以及相關規定，本次滲流計算工況如表2。

表2 有限元滲流穩定計算工況

本次滲流計算方法采用有限元法進行計算，各工況計算結果見表3。

表3 大壩加固后滲流計算成果

經計算，大壩加固后，各工況出逸點均位于下游反濾排水棱體范圍內，浸潤線正常。

3.1.5 壩坡穩定計算

壩坡在加固后還需要進行穩定計算，本次計算采用最大壩高斷面處進行壩坡穩定分析。

本次壩體抗滑穩定復核采用簡化畢肖普法。經計算，大壩壩坡穩定計算成果見表4。

從表4結果可以看出，大壩在各種工況下，壩坡抗滑穩定安全系數均滿足現行設計規范的要求。

表4 大壩壩坡穩定安全系數成果

3.2 溢洪道加固設計

本次溢洪道加固內容為：對溢洪道進行拆除重建。重建后，進口段長12.22 m，為C25混凝土底板，厚0.20 m，兩側為C20混凝土擋土墻，墻高平均1.55 m；進口段后接控制段，長6.0 m，控制段為箱涵式結構，堰頂高程為49.10 m，共分3孔，每孔4.6 m，中墩厚0.8 m，控制段過水總凈寬為13.80 m，總寬度為15.40 m，控制段交通橋面高程為52.71 m，橋面寬為4.6 m，兩側設有C25防撞墩；控制段后接泄槽段，泄槽段共分為兩段，第一段長為67.28 m，上口寬為15.0 m，出口寬為5.30 m，坡度為1/57，為C25混凝土底板，厚0.20 m，兩側為C20混凝土擋土墻，墻高為2.20～3.11 m；第二段長62.26 m，寬為5.30 m，坡度為1/6，為C25混凝土底板，厚0.30 m，兩側為C20混凝土擋土墻，墻高為1.96～2.20 m；溢洪道出水段為挑流型式，挑流鼻坎高程為37.72 m，挑角為20°

3.2.1 泄槽段水面線和側墻高度計算

馬嶺水庫溢洪道為開敞式無坎寬頂堰，設計標準按30年一遇設計下泄流量31.10 m3/s，上游水位50.91 m；500年一遇校核下泄流量50.20 m3/s，上游水位51.61 m。根據《溢洪道設計規范》(SL253—2018)要求來選取最大流量計算，具體見表5。

表5 溢洪道水面線計算參數

本次泄槽水面線應根據能量方程，用分段求和法計算，計算公式(1)如下：

(1)

(1)首先判別陡槽段內水流流態。臨界水深hk見式(2)：

(2)

式中：hk為臨界水深，m；α為動能修正系數，取1；Q為下泄流量，取50.2 m3/s；b為渠道底寬，取5.3 m。計算得hk為2.09 m。

(2)確定起始計算斷面位置及其水深。本溢洪道堰頂后接了2段泄槽段，第2段比第1段陡，為此，應該分段確定起始計算斷面位置及其水深，并按泄漕上游段型式分別選取：

第1段陡坡段：根據相關要求泄槽上游接寬頂堰、緩坡明渠或過渡段時，起始計算斷面定在泄槽首部，水深h1取用泄槽首端斷面計算的臨界水深hk，即h1=hk=2.09 m。

第2段陡坡段：根據規定要求，泄槽上游接陡坡段時，起始計算斷面定在泄槽首端以下3hk處，起始計算斷面水深h2

(3)

式中：q為起始計算斷面單寬流量，取9.47 m3/(s·m)；φ為起始計算斷面流速系數，取0.95；H0為起始計算斷面渠底以上總水頭，取5.77 m；θ為泄槽底坡坡角；取9°。

(3)考慮摻氣對水深的影響。摻氣及波動水深按式(4)進行計算：

hb=(1+ζv/100)h

(4)

式中：hb為計入摻氣及波動的水深，m；ζ為修正系數，取1.2 s/m；v為斷面計算流速，m/s；h為不計入摻氣及波動的水深，m。計算成果見表6。

表6 陡坡段水面線計算成果

從表6可以看出，加固后墻高H均比計算的陡坡段水面線hb大，且安全超高滿足規范要求。

3.2.2 消能計算

馬嶺水庫溢洪道下游消能方式為挑流消能，下泄流量為27.7 m3/s。陡槽平均寬度為5.3 m，單寬流量q為5.23 m3/(s.m)，溢洪道堰頂高程49.10 m，堰上水位為50.77 m，挑流鼻坎高程為37.72 m，下游河床底高程35.19 m。采用“理正巖土工程水力學計算軟件6.5”進行計算，計算結果見表7。

表7 溢洪道挑流消能計算結果

經計算，當挑角為20°時，沖刷坑深度T=4.46 m，總拋距L′=32.13 m，則T/L′=0.14<1/4，滿足要求。

3.2.3 邊墻穩定計算

根據規范SL 253—2018，本次溢洪道邊墻抗滑穩定按式(5)進行計算：

(5)

式中：Kc為按抗剪強度計算的抗滑安全系數；f為邊墻與基巖接觸的抗滑摩擦系數；∑W為作用于邊墻上的全部荷載對計算滑動面的法向分量；∑P為作用于邊墻上的全部荷載對計算滑動面的切向分量。

抗傾覆穩定按式(6)進行計算：

(6)

式中：K0為抗傾穩定安全系數；∑My為作用于墻體的荷載對前趾產生的穩定力矩，kN·N；∑M0為作用于墻體的荷載對前趾產生的傾覆力矩，kN·N。 計算時，采用溢洪道邊墻最高斷面進行計算。最高斷面為控制段即溢洪道堰頂處兩邊邊墻，最大墻高為3.11 m，墻頂寬度為0.5 m，迎水面為垂直面，墻后坡比為1∶0.4，其余尺寸參數見圖2，計算結果見表8。

圖2 溢洪道邊墻計算(單位：mm)

表8 邊墻穩定計算結果

經計算，邊墻穩定滿足規范要求。

3.3 輸水涵管加固設計

本次加固措施為拆除重建進水口和出水口，進水口采用平面鋼閘門控制水流，配LQ 20 t手電兩用螺桿式啟閉機啟閉。而重建大壩輸水涵管進水口包括進水渠段、進水口段、閘室段[3]。

(1)進水渠段。進水渠段長8.0 m，為梯形土坡，兩側邊坡1∶1.5，渠底高程39.00 m，渠底寬3.0 m，渠頂高程由42.00 m漸變至40.75 m。

(2)進水口段。進水口段長4 m，采用C25鋼筋混凝土U型結構，前端渠寬3.0 m，后端渠寬2. 0 m，底板及側墻厚均為0.4 m，底板下鋪設C15素混凝土墊層厚0.1 m，兩側邊墻高程由43.00 m漸變至42.00 m。

(3)閘室段。閘室段長8.5 m，為塔式進水口，底板頂高程39.00 m，閘墩頂高程43.00 m，閘墩厚0.70～1.42 m，底板厚0.7 m，頂板厚0.3 m或0.5 m。閘室段從上游到下游共分為4段，分別為攔污柵段、進口漸變段、閘門段和方圓漸變段，攔污柵段長2.0 m，過水斷面凈寬2.0 m，凈高2.6 m，本段設有檢修門槽和攔污柵；進口漸變段長1.8 m，過水斷面凈寬由2.0 m漸變為0.5 m，凈高由4.0 m漸變為0.5 m，頂板為橢圓曲線；閘門段長2.4 m，過水斷面為正方形，邊長0.5 m，本段設有鋼閘門，門后設有通氣孔；方圓漸變段長2.0 m，過水斷面由方形漸變為圓形，方形斷面邊長和圓形斷面直徑均為0.5 m。

閘室段采用一扇平面鋼閘門控制水流，閘門尺寸為1.0 m×1.0 m，采用LQ20 t手電兩用螺桿式啟閉機啟閉，啟閉運行最高控制水位為51.61 m。

啟閉室與壩頂由人行橋連接，人行橋長38.00 m，橋面總寬度2.2 m，4跨。橋上部為現澆T形梁板結構，橋板厚度0.15 m，主梁高800 mm，梁寬250 mm，每跨布2根主梁，梁間距1.55 m；次梁高550 mm，梁寬200 mm，每跨布3根次梁，梁間距4.1 m。T形梁板用C30混凝土現澆。

輸水涵管管身內套DN500鋼管，在管身兩側進行充填灌漿，灌漿孔共22個，進尺總深度為297.68 m。

輸水涵管出水口拆除重建，出水口接消力池，采用C25鋼筋混凝土U型結構，池寬1.5 m，底板及側墻厚均為0.4 m，底板下鋪設C15素混凝土墊層厚0.1 m，兩側邊墻高為3.0 m；消力池后接磚砌排水渠，凈尺寸為1.5 m×1.0 m(寬×高)。

4 結 語

馬嶺水庫除險加固工程實施后，不僅能消除水庫安全隱患，提高水庫防汛防洪能力。同時，還保障了水庫下游村鎮人民的生命財產安全。這對促進當地經濟發展，發揮水庫效益都具有十分重要的意義。