李銀橋,金奇彪,陸 平

(余姚市姚江水利管理處,浙江 余姚 315400)

1 工程概況[1]

余姚市向家弄水庫位于余姚市梨洲街道三溪村,所在河道為姚江支流,屬甬江流域姚江水系,距余姚鎮(zhèn)最良江約5 km,水庫上游集水面積15.70 km2,主流長度5.48 km,主河道坡降17.47‰。水庫設(shè)計總庫容為569.38萬m3,相應(yīng)水位40.99 m,正常庫容324萬m3,相應(yīng)水位36.93 m,死庫容9.6萬m3,相應(yīng)水位26.13 m。設(shè)計、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)分別為50,500 a,設(shè)計洪水位39.96 m,最大下泄流量為287.5m3/s;校核洪水位40.99 m,最大下泄流量為435.5 m3/s。灌溉面積約133.3 hm2(2 000畝),向水廠供水1.69萬m3/d,是一座以灌溉、供水為主,結(jié)合防洪等綜合利用的小(1)型水庫。

2 泄水建筑物加固設(shè)計

2.1 工程布置

余姚市向家弄水庫泄水建筑物包括進(jìn)口控制段、泄洪洞、泄洪明渠及消力池海漫。進(jìn)口采用有閘實用堰控制,堰頂高程為33.93 m,堰上設(shè)閘門3孔,每孔凈寬2.50 m,門高5m,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),目前閘門啟閉機拉桿及串桿銹蝕嚴(yán)重,啟閉可靠性不強,對安全運行帶來不利影響。根據(jù)向家弄水庫實際,泄水建筑物進(jìn)口設(shè)計采用無閘控制、泄洪洞斷面擴建方案,側(cè)槽式溢流堰頂高程取36.93 m,堰凈寬取20 m,采用WES曲線型實用堰,泄洪洞斷面采用圓拱直墻型,尺寸為6.00m×7.35m,其中直墻高4.35 m,下泄水流在泄洪洞內(nèi)為無壓流。結(jié)合目前泄水建筑物進(jìn)口的布置型式,將溢流堰布置在目前的泄洪閘位置。同時為了使過堰水流的回轉(zhuǎn)空間盡量大,按開挖高程盡量將溢流堰向水庫側(cè)布置。將目前的泄洪閘與溢流堰上部結(jié)構(gòu)拆除至新建工程要求的高程處,在其基礎(chǔ)上新建溢流堰。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 溢流堰體結(jié)構(gòu)設(shè)計

溢流堰設(shè)計寬20 m,堰頂高程為36.93 m。底部坐落在基巖上,其中原泄洪閘部位的建基高程取31 m,溢流堰部位的建基高程取32m,2部分的基礎(chǔ)由1∶1的坡度過渡。溢流堰體采用WES型實用堰,根據(jù)《水力計算手冊》,由水庫的校核洪水位考慮選取不包括行近流速水頭在內(nèi)的設(shè)計水頭為Hd=4.06 m,則溢流堰的曲線方程為 x1.85=2.0×3.600.85×y,溢流堰軸線上游側(cè)的堰面曲線采用三段圓弧的型式,其圓弧半徑分別為:R1=0.155 m,R2=0.72 m,R3=1.8 m,堰面曲線由1∶0.7的斜線相接。溢流堰體采用C25混凝土現(xiàn)場澆筑,堰體表層布置溫度鋼筋。堰體前緣進(jìn)口寬度為20m,順?biāo)鞣较蜷L度為8.034 m。溢流堰左、右側(cè)邊墻厚2 m,墻頂高程為42.50 m,采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),為了安全,在溢流堰邊墻頂設(shè)置不銹鋼欄桿,與大壩左岸的道路相通。

2.2.2 溢流堰基礎(chǔ)設(shè)計

為了使上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)更好地粘結(jié),提高堰體與基巖的整體性和彈性模量,基礎(chǔ)底面設(shè)置φ 25 mm錨筋,長3 m,入巖2 m,排間距1.50 m,梅花型布置。基底采用固結(jié)灌漿,孔深5 m,排間距3 m,梅花型布置。同時對基礎(chǔ)進(jìn)行防滲處理,設(shè)計主要采用帷幕灌漿,帷幕底部深入相對不透水層(≤5 Lu)以下5 m,單排布置,孔距2.0 m,先I序孔,后II序孔,共計26個孔。

2.2.3 泄洪洞斷面擴建設(shè)計

根據(jù)調(diào)洪計算分析,需對泄洪洞的斷面進(jìn)行擴建,泄洪洞的軸線布置在原泄洪洞右側(cè)邊墻向左3 m處,擴建后的泄洪洞右側(cè)邊墻與原洞右側(cè)邊墻重合。擴建后的斷面仍采用圓拱直墻型,尺寸為6.00 m×7.35 m,其中直墻高為4.35 m。為保證擴建洞體的質(zhì)量,運行安全,原泄洪洞襯砌需全面拆除,新增40 cm厚的C25鋼筋混凝土襯砌。為保證洞身與山巖的整體性,洞身進(jìn)行回填灌漿與固結(jié)灌漿處理。在洞頂120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿,回填灌漿孔孔徑50 mm,排距3.0m,伸入圍巖5 cm,梅花型布置,每排2～3個孔。固結(jié)灌漿每排布置7個孔,排距3 m,梅花型布置,孔深伸入圍巖3 m。泄洪洞底進(jìn)口高程29.64 m,出口底高程23.66m,洞長92 m,縱坡i=6.5%。泄洪洞全線布置φ 25 mm錨筋,每排10～11根,排距1m,長3 m,入巖2.65 m,梅花型布置。泄洪洞每隔12 m設(shè)置施工縫,采用652型止水帶,縫內(nèi)設(shè)1層油毛氈涂2層瀝青。

2.2.4 泄水消能建筑物維修加固設(shè)計

溢洪道泄槽段長58.18 m,寬度從6.00 m漸變至14.93 m,起點底高程(即隧洞出口)23.56 m,末端高程20.65 m,平均底坡0.05。泄洪明渠段采用30 cm厚的C25鋼筋混凝土基礎(chǔ),右岸為C20混凝土灌砌石擋墻,20 cm厚的M10漿砌條石護面,頂部為20 cm厚的C25混凝土壓頂,左岸山體采用30 cm的M10漿砌條石護坡。消力池為挖深式,長25.00m,寬15.00 m,深2.50 m,其后為26.65 m長的海漫段。

3 有關(guān)設(shè)計計算

3.1 溢流堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算

3.1.1 計算參數(shù)

混凝土容重:25 kN/m3;

混凝土體與基巖抗剪摩擦系數(shù):f=0.67。

3.1.2 計算工況

工況1:完建期,堰前無水,計算堰上下邊緣的垂直應(yīng)力和主應(yīng)力;

工況2:堰前上游水位40.99 m,下游無水,計算堰上邊緣的垂直應(yīng)力及主應(yīng)力、實用堰的整體抗滑穩(wěn)定性。

3.1.3 計算方法與結(jié)果

采用理正計算軟件擋墻計算模塊對溢流堰進(jìn)行穩(wěn)定與應(yīng)力計算,當(dāng)庫水位為40.99 m,即校核洪水位時,抗滑穩(wěn)定最為不利,故只計算這種情況。計算公式為[2]:

應(yīng)力計算結(jié)果見表1。

表1 溢流堰應(yīng)力計算成果表 kPa

3.2 泄洪洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算

3.2.1 基本資料

洞身采用等厚度襯砌的圓拱直墻型,頂拱為半圓形,洞底采用與側(cè)墻整體連接的平底板,其中洞身凈寬 B=6.00m,洞身凈高H=7.35 m,直墻高yh=4.35m,頂拱內(nèi)半徑R=3.00 m(見圖1),襯砌厚度d=0.40 m,底板厚度與頂拱及側(cè)墻厚度相同。襯砌材料為C25混凝土,E=2.60×107 kN/m2,每延米配4根φ 16 mm鋼筋。

3.2.2 設(shè)計荷載

均布垂直山巖壓力強度 q=0.118×25×8.15=24.04 kN/m;水平山巖壓力強度 e=0.037×25×6.8=6.29 kN/m;襯砌自重g=25×0.4=10 kN/m;設(shè)計洪水時,均勻內(nèi)水壓力為2.50 m;校核洪水時,均勻內(nèi)水壓力為2.50m。

圖1 泄洪洞斷面結(jié)構(gòu)計算圖

3.2.3 計算工況

完建期荷載組合:垂直山巖壓力+襯砌自重+外水壓力;

運行期基本荷載組合:垂直山巖壓力+襯砌自重+設(shè)計洪水位時內(nèi)外水壓力+彈性抗力;

運行期特殊荷載組合:垂直山巖壓力+側(cè)向山巖壓力+襯砌自重+校核洪水時內(nèi)外水壓力。

3.2.4 計算方法與結(jié)果

采用理正計算軟件隧洞襯砌設(shè)計模塊對泄洪洞進(jìn)行應(yīng)力計算,計算成果見表1:

表1 泄洪洞拉應(yīng)力計算成果表 kN/m2

C25混凝土與 26根φ 16 mm鋼筋的允許拉應(yīng)力為2 838.58 kN/m2,從表1的計算成果可以看出,結(jié)構(gòu)抗拉強度滿足要求。

3.3 泄洪明渠堤頂高程計算

根據(jù)規(guī)范要求,泄洪明渠堤頂高程按20 a一遇洪水復(fù)核。由設(shè)計可知,泄洪洞經(jīng)擴建后,洞內(nèi)水流為無壓流,洞寬6 m,底坡0.065。下游泄洪明渠段隧洞出口擴寬至6 m,底坡0.05,分別計算正常水深,計算公式如下[2]:

式中:Q為設(shè)計流量,m3/s;A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;n為糙率,隧洞取0.015,明渠段取0.025(初設(shè)時隧洞取0.02,明渠段取0.03);R為水力半徑,m;i為底坡放坡系數(shù)。

重現(xiàn)期N=20 a對應(yīng)下泄流量為123.94 m3/s(初步設(shè)計為136.65 m3/s),采用試算法分別計算得隧洞正常水深1.3 m,明渠段正常水深2.1 m。根據(jù)以上分析,隧洞出口將發(fā)生水躍,明渠段水面線推求起始斷面從出口后10 m,起始水深近似取正常水深2.1 m。未摻氣水面線推求按下式計算:

式中:Q為設(shè)計流量,m3/s;A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;n為糙率,隧洞取0.015,明渠段取0.025(初設(shè)時隧洞取0.02,明渠段取0.03),R為水力半徑,m;i為底坡放坡系數(shù)。

計算成果見表2。溢洪道泄洪時,按照邊墻安全超高0.50m的要求,其高度基本滿足設(shè)計要求。

表2 20 a一遇洪水泄洪時明渠水面線計算成果表

3.4 消力池消能防沖計算

3.4.1 計算方法

3.4.1.1 消力池長度計算

消力池長度計算:

式中:Lk為消力池長度,m;L為自由水躍長度,m;h2為自由水躍躍后共軛水深,m;h1為收縮斷面水深,m;Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù),,式中:υ1為收縮斷面平均流速,m/s。

3.4.1.2 消力池深度計算

消力池深度計算:S=σ h2-ht-Δ Z

式中:S為水深,m;σ為水躍淹沒度,取1.05;h2為池中發(fā)生臨界水躍的躍后水深,m;ht為下游水深,m;Δ Z為消力池出口水面落差,m;φ為水流自消力池出流的流速系數(shù),取0.95;b為消力池寬度,15 m。

3.4.1.3 海漫長度計算

海漫長度按下游水深的8.5～12.5倍估算。

3.4.2 計算工況

根據(jù)SL 279—2002《溢洪道設(shè)計規(guī)范》,消能防沖設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn),相應(yīng)下泄流量Q=123.94 m3/s。

3.4.3 計算結(jié)果

消力池計算成果見表3。由表3可知,向家弄水庫泄水建筑物消力池消能防沖結(jié)構(gòu)滿足計算要求。

表3 消力池計算成果表

根據(jù)規(guī)范要求,本工程泄水建筑物下游結(jié)構(gòu)的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇,根據(jù)以上分析計算,目前的消能防沖結(jié)構(gòu)能夠滿足20 a一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)。

4 幾點啟示

4.1 參照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計

泄水建筑物加固設(shè)計是水庫除險加固設(shè)計的重要組成部分,一方面確保排除隱患,另一方面也要確保經(jīng)濟合理。根據(jù)實踐,設(shè)計者首先應(yīng)參照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。

4.2 合理確定設(shè)計方案

在設(shè)計時,一定要根據(jù)水庫的現(xiàn)狀,合理確定設(shè)計方案。向家弄水庫設(shè)計時共進(jìn)行了3種方案的比較:①將原有堰閘改成溢流堰,實行無閘控制;②將原有堰閘全部改成閘門,實行有閘控制;③將原有2堰1閘改成1堰1閘。經(jīng)過分析,最終選用第1種方案。該方案的優(yōu)點是堰面出現(xiàn)負(fù)壓,勢能減少,過堰水流的動能和流速增大,過水能力較大等。對于山區(qū)性小型水庫,可推廣運用。

4.3 選用既安全又經(jīng)濟的建筑材料

設(shè)計時,材料的選擇至關(guān)重要,關(guān)系到安全和投資概算。向家弄水庫在溢流堰體結(jié)構(gòu)設(shè)計時,考慮溢流堰混凝土體積較大,為防止混凝土開裂,對堰體內(nèi)部材料的選擇進(jìn)行了大量分析。最后采用C20埋石混凝土,埋石率為10%,符合實際需要。

4.4 注重日常觀測

壩體沉降、位移、滲壓觀測非常重要,做到經(jīng)常觀測并進(jìn)行分析比較,為大壩的運行、蓄水調(diào)度提供可靠依據(jù)。

5 結(jié) 語

根據(jù)余姚市向家弄水庫實際情況,泄水建筑物加固設(shè)計由于充分考慮了施工方法和現(xiàn)場施工條件限制等問題,滿足了施工工期的要求,取得了良好的經(jīng)濟效益。不僅消除了安全隱患,確保水庫防洪等效益的正常發(fā)揮,確保下游廣大群眾的生命財產(chǎn)安全,而且結(jié)合水庫輸水系統(tǒng)的改造,改善了取水環(huán)境,確保了水庫供水、灌溉和下游居民的用水安全,增加了用水人口,同時通過庫區(qū)的環(huán)境建設(shè),美化了周邊居民的生活環(huán)境,使其成為一個休閑觀光的好景點。

[1]余姚市向家弄水庫除險加固工程項目辦公室.余姚市向家弄水庫除險加固工程竣工驗收 (建設(shè)管理工作報告)[R].余姚:余姚市姚江水利管理處,2010.

[2]崔廣柏.湖泊水庫水文學(xué) [M].南京:河海大學(xué)出版社,1990:1-162.