周靜雯

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510000)

0 引 言

水庫大壩在水利工程中占據(jù)舉足輕重的地位，對水利發(fā)電、防洪灌溉、景觀建設(shè)等工程都具有重要意義。位于廣州市干部療養(yǎng)院內(nèi)的嶺湖水庫是1962年建成的一座小(2)型水庫，既具備雨洪調(diào)蓄的功能又是廣州干部療養(yǎng)院自然景觀。嶺湖水庫總庫容量30.88萬m3，核心建筑物包括一座大壩、一座溢洪道和一條放水涵洞。 嶺湖水庫已經(jīng)運(yùn)行了50多年，一直沒有進(jìn)行過專項(xiàng)修繕。通過相關(guān)部門的鑒定，該水庫大壩為三類壩的標(biāo)準(zhǔn)，將其確立為應(yīng)急搶險救災(zāi)工程，需要對大壩進(jìn)行應(yīng)急搶險加固。

1 土石壩加固設(shè)計

1.1 土石壩加固主要任務(wù)

加強(qiáng)壩身的防滲功能；將迎水坡護(hù)坡上的雜草清除并進(jìn)行有針對性地修復(fù)，修整后護(hù)坡采用C20混凝土澆筑，同時清除背水坡雜草和進(jìn)行平整。

1.2 土石壩防滲灌漿方案布置

對土壩防滲灌漿的設(shè)計決定采取霹靂灌漿的方式進(jìn)行，在軸線上開設(shè)灌漿孔，一共16個孔，孔間距離4m，灌漿深度為0.5m處的全風(fēng)化花崗片麻巖，總共進(jìn)尺165m。壩體灌漿設(shè)計見《壩體灌漿設(shè)計圖》(SL2509DT-510-006)。

1.3 土石壩壩頂超高及壩頂高程確定

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)規(guī)定，壩頂超高與水庫凈水位之和等于壩頂高程。根據(jù)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)確定壩頂超高，然后按照下面公式計算：

Y=R+e+A

(1)

式中：設(shè)定A為安全加高，m；常態(tài)下設(shè)定A=0.5m，非常態(tài)下設(shè)定A=0.3m；設(shè)定e為風(fēng)雍水面最大高度，m；設(shè)定R為壩坡上最大波浪的爬高，m；該計算采用莆田試驗(yàn)站公式，利用的波浪爬高值一般頻率為5%。壩頂超高與水庫凈水位之和等于壩頂高程，然后按照不同的工況進(jìn)行計算，獲取其中最大的值。

1.4 壩身結(jié)構(gòu)加固

1.4.1 迎水坡護(hù)坡

清除迎水坡上面現(xiàn)有混凝土護(hù)坡的雜草，利用碎石和砂進(jìn)行回填，進(jìn)行平整后利用C20混凝土澆筑護(hù)坡，混凝土厚度為150mm，設(shè)定1∶3.1的迎水坡坡比，設(shè)置500mm×1000mm的混凝土固腳C20混凝土固腳。

1.4.2 壩頂加固

現(xiàn)有的壩頂路面為5.3m的混凝土路面，呈現(xiàn)較完整路面，沒有很大的損壞和裂縫，加固設(shè)計與療養(yǎng)院目前實(shí)施的綠道工程相結(jié)合，目前不考慮壩頂路面的維護(hù)處理，等到該工程完工后在通過綠道工程處理壩頂。

1.4.3 加固處理背水坡

背水坡的坡比為1∶2.4，其加固項(xiàng)目為：修整坡面，除掉雜草。

1.5 土壩加固前后穩(wěn)定性對比

1.5.1 滲透性比較

可以把土壩加固前的安全鑒定和初步設(shè)計加固后的滲流計算成果列入表1。

表1 土壩加固前后滲流計算成果表

根據(jù)表1計算的成果顯示：在土壩的正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位的工作情況下，加固土壩前后的總滲流量均相對較小。加固前，在驗(yàn)算洪水位條件下，土壩溢流面最大坡度大于允許坡度，加固后在正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位等工作情況下的溢出面積最大坡降值不超標(biāo)，確保了壩坡的穩(wěn)定性。通過比較可得出，加固后的土壩壩體的防滲性顯著提高，無論是在常規(guī)的蓄水位。由此可見，加固后土壩壩體的防滲性能得到明顯提高，在正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位的不同工作情況下，都能夠滿足滲流穩(wěn)定性的要求[1]。

1.5.2 邊坡抗滑穩(wěn)定性比較

將加固前的土壩的安全鑒定和初步設(shè)計加固后的抗滑穩(wěn)定計算成果列入表2。

參照上表2成果不難看出：在正常蓄水位、設(shè)計洪水位以及校核洪水位的工作情況下，加固前土壩背水坡的邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)都沒有超過規(guī)范要求值，難以符合抗滑穩(wěn)定性；在以上三種工作情況下加固后土壩迎水坡及背水坡的邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)都高于規(guī)范要求，可以符合抗滑穩(wěn)定的要求[1]。

2 溢洪道加固設(shè)計

2.1 溢洪道加固任務(wù)

1)設(shè)計的新溢洪道堰利用單孔、自由開敞式的WES實(shí)用堰，將加固前的42.17堰頂高程變更為目前的42.6m，設(shè)計堰寬為10.5m。

2)溢流堰后方與下游底板相連接接，利用C25混凝土進(jìn)行澆筑，其長度為2.58m，厚度為400mm；無需改變原溢洪道下游交通橋。

3)因?yàn)樵瓉硪缌餮邇蓚?cè)漿砌石擋墻嚴(yán)重漏水，所以計劃全部拆除重建。利用總長28m的C20混凝土重力式擋墻，擋墻高3.0m，墻頂部寬0.5m，設(shè)定為1∶0.4的擋土側(cè)坡比，設(shè)計為0的迎水面比。

通過調(diào)洪進(jìn)行演算，洪水位設(shè)計設(shè)(P=5%)：上游為42.68m，與其對應(yīng)的下泄流量為24.68m3/s；設(shè)定校核洪水位(P=0.5%)：上游43.78m，相對應(yīng)的下泄流量為39.66m3/s。

2.2 加固后溢洪道水力計算

2.2.1 基本資料

1)設(shè)計洪水(P=5%)：上游為44.16m，最大泄流量設(shè)計為24.81m3/s。

2)設(shè)計校核洪水位為(P=0.5%)上游為43.13m，設(shè)計校核下泄流量最大為38.96m3/s。

2.2.2 結(jié)構(gòu)模型

在水庫東側(cè)庫尾構(gòu)筑溢洪道，為單孔的開敞式只有溢流堰，寬度為10.4m，設(shè)計43.2m的堰頂高程。設(shè)定三圓弧曲線的堰頭：R1=0.550m、R2=0.220m，之后進(jìn)行曲線接冪：y=x1.850/(2.000×Hd0.850)，設(shè)定1:1的陡坡段坡度，設(shè)定1米的反弧段反弧半徑。WES堰大樣如圖1所示。

圖1 溢洪道WES堰大樣圖

2.2.3 計算溢洪道泄流能力

選擇計算方式：按照冷湖水庫的設(shè)計實(shí)際情況，獲取的堰頂?shù)膶挾葹?0.5m，參考堰型根據(jù)WES實(shí)用堰計算。

1)有效計算開敞式駝峰堰泄流能力：

(1)

(2)

式中：設(shè)定流量為Q，m3/s；淹沒系數(shù)為σc，以自由流出為形式，取=1；流量系數(shù)設(shè)定為m，查取溢洪道設(shè)計規(guī)范表A.2.1-1里面的相關(guān)數(shù)據(jù)；堰高設(shè)定為P，0.8米取值；閘墩側(cè)收縮系數(shù)設(shè)定為ε；設(shè)定B為溢流堰總凈寬，長度為10.6m；單孔設(shè)定寬度為b，單位m：重力加速設(shè)定為g，單位為m/s2；設(shè)定上游堰坡影響系數(shù)為C，如果為鉛直狀的上游堰面，c=1.0；如果是傾斜的上游堰面，就要在規(guī)范表A.2.1-2中查求C值；設(shè)定邊墩形狀系數(shù)為ζk；針對直角矩形的設(shè)定，ζk=1.0；針對折線或圓角形的設(shè)定，ck=0.7；針對流線形設(shè)定，ck=0.4；

設(shè)定中墩形狀系數(shù)為ζo，與其相關(guān)聯(lián)的是淹沒度hs/Ho和閘墩頭伸出上游堰面距離Lu；其中H0是行進(jìn)流速內(nèi)的堰上總水頭，單位為m，即H0=H+v02/2g，取v0≈0 m/s。

3 放水涵加固設(shè)計

3.1 兩種放水涵加固方案比較

1)利用大開挖方式。完成圍堰施工且將圍堰南側(cè)庫水放干后，進(jìn)行壩體開挖，拆除原來的防水涵洞，在這個位置上埋置預(yù)制直徑800mm的鋼筋混凝土管，然后將壩體和上下游壩坡恢復(fù)原狀。

2)利用將鋼管放置在原涵洞內(nèi)作為新放水涵管的模式。將內(nèi)徑為650mm的涵管放置到原涵洞位置，利用細(xì)石混凝土回填涵管與原漿砌石涵洞之間空隙。

通過對以上兩個方案的比較，綜合比較以上兩個方案，第二個方案造價相對低，所以選擇第二個方案(套管方案)進(jìn)行如下的工程設(shè)計。

1)拆除原有放水涵的進(jìn)水口，進(jìn)行放水涵閘室的新建，設(shè)計閘室規(guī)格為 4.5m×寬4.5m×高4.7m，設(shè)計增設(shè)尺寸1000×1200mm的平面鋼閘門；將反坡式進(jìn)水池設(shè)置在閘前，設(shè)計進(jìn)水池長和寬分別為12.3m和8m；在閘后設(shè)置長約6m的連接段銜接放水涵。

2)在現(xiàn)有放水涵洞內(nèi)套長度為62.77m的鋼管，鋼管壁厚為10mm，內(nèi)徑為650mm。利用細(xì)石混凝土填筑鋼管外側(cè)。

3)將消力池安裝在放水涵出口段，設(shè)置1∶3.0的陡坡段比降，設(shè)置4.18m長的水平投影，將高程從原來的33.57m下降到32.16m，底板采用550mm厚的C25混凝土；設(shè)置9m長的水平段池，下面的反濾層利用150mm厚粗砂。新增C20混凝土重力式擋土墻在消力池兩側(cè)，墻高和頂寬分別是2.9m和0.4m，設(shè)定1:0.4的擋土側(cè)坡比。

4) 新建啟閉機(jī)室與交通橋，可以在閘室上方建啟閉機(jī)室，將手動螺旋啟閉機(jī)安置其內(nèi)。與左岸道路相連的交通橋長和寬分別為32m和2.2m。設(shè)計交通橋?yàn)槿纾玳g距離為11m，設(shè)置橋墩兩個，橋墩下的獨(dú)立基礎(chǔ)為長×寬為3.4m×2.0m，厚0.6m。

交通橋上橋點(diǎn)可以設(shè)計兩個方案，方案一是從壩體上橋，方案二是從壩前左岸的道路上橋。通過兩個方案的比較，第一個方案需要在原來壩體上進(jìn)行橋墩施工，會對原壩體造成擾動，也不方便回填土壓實(shí)的施工。第二個方案是在原來山體上布置橋墩，具備較好的地質(zhì)情況，不會干擾到原壩體，所以選擇第二個方案[2]。

3.2 進(jìn)水口整體穩(wěn)定及基底應(yīng)力計算

該工程進(jìn)水口左右側(cè)對稱布置，靠自重維持穩(wěn)定，加之該進(jìn)水口置于土質(zhì)地基上，因建基面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，可不進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定計算。通過對進(jìn)水口整體抗浮穩(wěn)定與基底應(yīng)力計算，以復(fù)核其是否滿足規(guī)范要求。經(jīng)計算，該進(jìn)水口的抗滑穩(wěn)定系數(shù)大于所要求的安全系數(shù)，滿足規(guī)范要求；各工況的基底應(yīng)力未出現(xiàn)拉應(yīng)力，并且都小于進(jìn)水口段基底承載力(持力層為弱風(fēng)化花崗片麻巖，fak=500kPa)，因此可認(rèn)定該工程的進(jìn)水口為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。位于壩前左岸岸邊坍塌的擋土墻需要拆除重建，重建長度為50m，都為重力式漿砌石擋墻，高4.2m，頂寬0.7m，迎水側(cè)坡比1∶0.4，背水側(cè)坡比為0，墻底寬3.70m，底板厚0.7m，基礎(chǔ)埋深1.2m。擋墻開挖后破壞的道路由綠道工程統(tǒng)一修復(fù)[3]。

3.3 消力池計算

①放水涵流量計算；②消力池池深、池長計算；計算結(jié)果如表3所示。

表3 消力池計算成果表

取池深0.95m，底板厚度0.50m，池長13m。具體設(shè)計見《消力池結(jié)構(gòu)圖》(圖號SL2509DT-510-11)。

3.4 漿砌石擋墻穩(wěn)定計算

采用理正計算軟件中的擋土墻穩(wěn)定計算進(jìn)行計算，計算簡圖見圖2。

圖2 漿砌石擋墻穩(wěn)定計算圖

重力式擋墻計算工況為完建期工況和非常運(yùn)用工況。計算結(jié)果顯示，土質(zhì)地基基本組合抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.2，特殊組合≥1.05?？箖A覆安全系數(shù)基本組合≥1.4，特殊組合≥1.3，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之比<2.5(地基持力層為全風(fēng)化花崗片麻巖)?？梢娫摀鯄嗝娣€(wěn)定滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

綜上所述，水庫是區(qū)域內(nèi)人民生活中重要的水利工程，是涉及到國計民生的大事。而對水庫大壩進(jìn)行搶險加固是確保水庫運(yùn)行安全的根本保障，也是影響水庫可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此，在水庫的整體建設(shè)中，設(shè)計人員在對水庫大壩進(jìn)行例行的除險加固的工程設(shè)計外，更要對水庫未來幾年內(nèi)極易發(fā)生的安全問題進(jìn)行科學(xué)預(yù)估，制定出相對應(yīng)的處理預(yù)案，而且要充分與當(dāng)前的除險加固工程設(shè)計相結(jié)合，保證水庫大壩的短期、中期和長期的運(yùn)行安全。