劉家溝水庫除險加固工程泄水建筑物加固研究

徐曉莉

（湖北承天水利勘察設計院有限公司，湖北 荊門 431900）

泄水建筑物是水利工程建設過程中的重要組成部分，具有安全排洪、放空水庫的功能，對于水庫、江河、渠道或前池等的運行十分重要[1-3]。吳小平[4]針對高虎腦水庫溢洪道存在的險情，對加固后的溢洪道進行水力和結構復核計算；林浩祥[5]結合碗窯水庫工程實際，提出泄水建筑物加固施工的要點；唐楊等[6]采用Midas FEA 建立有限元模型，比選最適宜的擋水墻結構形式；王曉琪[7]采用SPC聚合物水泥砂漿方案處理混凝土表面缺陷，并提出2 種方案進行比選分析；韋鵬舉[8]分析了朝太溝骨干壩溢洪道設計的方法；趙明[2]以遼寧北票冰溝水庫為例，通過方案比選分析了溢洪道拓寬治理措施；馬妍博等[9]以某水庫除險加固工程為例，對水庫的病害特點進行了分析；張力鵬[10]以田家灣水庫除險加固工程溢洪道陡槽續建為例，對溢洪道彎道段增加導流墻的優勢進行總結。還有部分學者對泄洪建筑物永久加固方案和溢洪道增設設計進行了分析[11，12]。

劉家溝水庫是一座以灌溉為主兼有防洪等綜合利用的小（2）型水庫，加固后大壩溢洪道未完建，進口段、控制段、泄槽段水毀嚴重，泄洪不安全直接威脅到水庫的大壩安全及正常運行，因此對大壩泄水建筑物進行重新加固設計十分重要。本文以該工程為例，分析了溢洪道水力、泄槽水面線及邊墻高度計算方法，并研究了溢洪道消能計算方案，研究成果可為相關工程提供參考。

1 工程概況

劉家溝水庫位于鐘祥市長灘鎮付巷村，承雨面積2.98 km2，總庫容26.12 萬m3（本次復核），是一座以灌溉為主兼有防洪等綜合利用的小（2）型水庫。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水管等建筑物組成。上游壩坡整坡后新建混凝土護坡、混凝土腳槽及踏步，壩頂新建防浪墻及混凝土路肩，壩頂鋪設砂礫石路面，壩體采用劈裂灌漿防滲處理。加固后大壩存在如下問題：大壩壩頂路面坑洼不平，溢洪道未完建，進口段、控制段、泄槽段水毀嚴重，泄洪不安全；輸水管進口為斜臥管，放水采用人工啟閉，出口消力池邊墻有裂縫；大壩安全監測設施不完善，無表面變形及視頻監測設施。這些問題直接威脅到水庫的大壩安全及正常運行，急需整險加固。

2 泄水建筑物加固設計

2.1 溢洪道加固方案分析

溢洪道位于大壩右端，型式為寬頂堰，進口底高程98.80 m，進口寬12.2 m，由進口段、控制段、泄槽段組成。針對溢洪道目前的運行狀況及存在的問題，進行如下加固設計。

（1）樁號0+000—0+004 段為進口段，進口底寬16.75 m，底板采用C25 鋼筋混凝土襯砌，邊墻采用C20 混凝土擋土墻。

（2）樁號0+030—0+034 段為控制段，新建機耕橋，寬13.42 m，長5 m 底板采用C25 鋼筋混凝土襯砌，邊墻采用C30 鋼筋混凝土襯砌。

（3）樁號0+009—0+026 為泄槽段，坡比1∶4，長17 m，設計底寬11.71 m，底板厚30 cm采用C25鋼筋混凝土襯砌，邊墻采用C20混凝土擋土墻。

（4）樁號0+026—0+039.8為消力池段，長13.80 m，設計底寬10 m，底板厚40 cm 采用C25 鋼筋混凝土襯砌，底板下設三級反濾，邊墻采用C20 混凝土擋土墻。

（5）樁號0+039.8—0+044.8為海漫段，長5 m，設計底寬10 m，底板采用干砌塊石襯砌。

（6）樁號0+044.8—0+119段，開展清障及疏挖。

2.2 溢洪道水利計算

2.2.1 溢洪道泄流能力復核

溢洪道屬5 級建筑物，防洪標準為10 a 一遇洪水設計、50 a一遇洪水校核，消能防沖按10 a一遇洪水設計。本次設計對溢洪道加固后進行洪水調節計算。溢洪道為寬頂堰式，矩形斷面，本次采用寬頂堰計算結果。泄流能力按下式計算：

式中：Q為流量（m3∕s）；σs為淹沒系數，自由出流時取1；ε1為側收縮系數；m為流量系數，取0.376；H0為堰上水頭（m）；b為溢洪道寬度（m），進口寬13.42 m（凈寬12.8 m）；g為重力加速度（m∕s2），取9.8 m∕s2。

水位泄量關系，詳見表1。

表1 水位泄量關系

由表1 可知，溢洪道的泄流能力能滿足各洪水標準下所需的泄量。

2.2.2 溢洪道泄槽水面線及邊墻高度計算

（1）泄槽起點臨界水深hk的計算公式如下：

式中：hk為寬頂堰與泄槽相交斷面臨界水深（m）；Q為溢洪道過流量（m3∕s），取63.93 m3∕s；B為相交斷面處凈寬（m），取12.8 m；g為重力加速度（m∕s2），取9.8 m∕s2。

經計算，得臨界水深hk=1.229 m。

（2）根據能量方程，按分段求和法計算泄槽內水深，繪制泄槽水面線，其計算公式如下：

式中：ΔL1-2為分段長度（m）；h1、h2為分段始、末斷面水深（m）；v1、v2為分段始、末斷面平均流速（m∕s）；α1、α2為流速分布不均勻系數，取1.05；θ為泄槽底坡角度（°）；i為泄槽底坡；-J為分段內平均摩阻坡降；g為重力加速度（m∕s2），取9.8 m∕s2。

（3）摻氣水深計算公式如下：

式中：h、hb為泄槽計算斷面的水深及摻氣后的水深（m）；v為不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速（m∕s）；ξ為修正系數，可取1.0～1.4，流速大者取大值。

泄槽段邊墻高度，根據摻氣后的水面線再加上0.5～1.5 m的超高確定。泄槽沿程水深，詳見表2。

表2 泄槽沿程水深

2.2.3 邊墻穩定及應力計算

樁號0+009 斷面墻高2.1 m、頂寬0.4 m，底板總寬度13.42 m。荷載組合采用墻前無水，墻后排水不暢的情況。按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數計算公式如下：

式中：Kc為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f為邊墻混凝土與基巖接觸面的抗剪摩擦系數，取0.3；ΣW為作用于邊墻上的全部荷載對計算滑動面的法向分量（kN）；ΣP為作用于邊墻上的全部荷載對計算滑動面的切向分量（kN）。

抗傾穩定安全系數計算公式如下：

式中：K0為抗傾穩定安全系數；ΣMy為作用于墻體的荷載對墻前趾產生的穩定力矩（kN·m）；ΣM0為作用于墻體的荷載對墻前趾產生的傾覆力矩（kN·m）。

邊墻基底應力的最大值或最小值按下式計算：

邊墻（導墻）穩定與應力計算成果，詳見表3。

表3 邊墻穩定與應力計算成果

由表3可知，泄槽邊墻的抗滑、抗傾穩定安全系數均滿足相關規范要求；基底應力均小于地基允許承載力，基底未產生拉應力，故上述各邊墻基底應力均滿足相關規范要求。

2.2.4 溢洪道消能計算

等寬矩形斷面下挖式消力池池深、池長按下列公式計算：

式中：d為池深（m）；σ為水躍淹沒度，取1.05；h2為池中發生臨界水躍時的躍后水深（m）；ht為消力池出口下游水深（m）；ΔZ為消力池尾部出口水面跌落（m）；φ為消力池出口段流速系數，可取0.95；L為自由水躍的長度（m）；g為重力加速度（m∕s2），取9.8 m∕s2；Lk為消力池長度（m）；q為流量（m3∕s）。

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（Sl252-2017），山區、丘陵區水利水電工程永久性泄水建筑物消能防沖設計的洪水標準可低于泄水建筑物的洪水標準。該水庫溢洪道為5 級建筑物，消力池洪水標準為10 a洪水重現期。根據防洪復核結果，洪水頻率10%對應的下泄量為43.88 m3∕s。

經計算，本次加固設計消力池深0.5 m、長13.8 m、底高程94.55 m、寬10 m。

2.2.5 消力池護坦抗浮計算

消力池護坦抗浮采用下式計算：

式中：Kf為護坦穩定系數；P1為護坦自重（kN），按混凝土厚度計算；P2為護坦頂面上的時均壓力（kN）；P3為采用錨固措施時地基的有效重量（kN）；Q1為護坦頂面上的脈動壓力（kN）；Q2為護坦底面上的揚壓力（kN）。

經計算，得Kf=1.85＞1.2，滿足相關規范要求。

3 結語

本文以劉家溝水庫工程為例，分析了溢洪道水力、泄槽水面線及邊墻高度計算方法，并研究了溢洪道消能計算方案。研究成果表明，溢洪道的泄流能力能滿足各洪水標準下所需的泄量，同時泄槽邊墻的抗滑、抗傾穩定安全系數均滿足相關規范要求，基底應力均小于地基允許承載力，基底未產生拉應力，滿足相關規范要求。經計算，本次加固設計消力池深0.5 m、長13.8 m、底高程94.55 m、寬10 m。經消力池護坦抗浮計算，得Kf=1.85＞1.2，滿足相關規范要求。