吳小平

(永豐縣白水門水庫(kù)管理所,江西 吉安 331500)

1 工程概況

高虎腦水庫(kù)位于永豐縣石馬鄉(xiāng)龍?jiān)创澹嘤镭S縣城約70 km，水庫(kù)集雨面積24 km2，正常蓄水位222.50 m(黃海高程，下同)，總庫(kù)容1630×104m3，設(shè)計(jì)灌溉面積0.17萬(wàn)hm2，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水庫(kù)。

高虎腦水庫(kù)于1968年動(dòng)工興建，1973年基本建成，后經(jīng)多次加高加固方達(dá)現(xiàn)有規(guī)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(kù)現(xiàn)有兩個(gè)溢洪道，分別設(shè)置在大壩左、右岸。左岸溢洪道為正常泄洪設(shè)施，始建于1978年，為開敞式，由進(jìn)口段、控制段、泄槽組成，全長(zhǎng)130.4 m。進(jìn)口段為明渠，進(jìn)口底高程222.2 m，底寬18.6 m(末端漸變?yōu)?6.20 m)，長(zhǎng)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(zhǎng)8.32 m；泄槽分兩級(jí)，一級(jí)泄槽長(zhǎng)16.38 m，寬16.2～12.0 m，縱坡0.116，二級(jí)泄槽長(zhǎng)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(cè)為漿砌石邊墻，其中進(jìn)口至一級(jí)泄槽墻頂高程為228 m，墻高7～10 m，二級(jí)泄槽邊墻高度1.74～2.77 m。泄槽上方架設(shè)漿砌石拱橋，橋長(zhǎng)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(xiàn)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(jìn)口段邊墻局部破損、坍塌，墻頂部與壩頂連接處見(jiàn)有一水平方向裂縫，墻體向溢洪道內(nèi)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(jiàn)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(xiàn)象。

高虎腦水庫(kù)地理位置重要，下游有石馬、藤田和陶塘3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中的43個(gè)村莊、人口3.1萬(wàn)人、農(nóng)田2000 hm2，有永豐～中村公路等重要交通設(shè)施。高虎腦水庫(kù)工程經(jīng)40多年的運(yùn)行，水庫(kù)各建筑物均出現(xiàn)不同程度的病險(xiǎn)及隱患，水庫(kù)一旦失事，將給下游人民生命財(cái)產(chǎn)和國(guó)家重要設(shè)施造成重大損失。

2 正常溢洪道加固設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)狀溢洪道存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)擬對(duì)其進(jìn)行原址原規(guī)模新建。加固設(shè)計(jì)項(xiàng)目有：堰前進(jìn)口段清淤達(dá)設(shè)計(jì)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(jìn)電站交通橋。加固后溢洪道由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、挑流消能設(shè)施等部分組成。

2.1 進(jìn)口段加固設(shè)計(jì)

現(xiàn)狀進(jìn)水口底板未襯護(hù)，底板出露地層為第四系殘坡積層、強(qiáng)風(fēng)化基巖；泄洪時(shí)進(jìn)水段流速為2～3 m/s，大于其允許流速0.9～1.2 m/s；進(jìn)口段邊墻破損、存有裂縫，墻體向溢洪道內(nèi)傾斜。

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

2.2 控制段加固設(shè)計(jì)

現(xiàn)狀駝峰堰水泥砂漿抹面破損、裂縫眾多，且內(nèi)部存在架空等質(zhì)量缺陷。本次加固將其拆除重建，堰體形式維持現(xiàn)狀不變，堰體材料采用C25混凝土，表層設(shè)φ12@200的鋼筋網(wǎng)。左右兩側(cè)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(shè)計(jì)

溢洪道混凝土底板下部原設(shè)計(jì)布置了2條縱向排水溝，現(xiàn)狀只有1條縱向排水溝，且運(yùn)行多年，局部堵塞，排水不暢；在宣泄校核洪水時(shí)，二級(jí)泄槽段的邊墻高度不滿足要求；二級(jí)泄槽和鼻坎反弧段呈高速水流狀態(tài)，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(xiàn)象。

根據(jù)現(xiàn)狀地形及溢洪道泄槽存在的主要問(wèn)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(shè)φ8@200的溫度筋；考慮到二級(jí)泄槽縱坡較陡、流速大，在二級(jí)泄槽段加設(shè)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(wǎng)焊接；底板與擋墻連接處設(shè)置縱向伸縮縫，一級(jí)、二級(jí)泄槽底板各設(shè)2條、4條橫向伸縮縫，縱、橫伸縮縫內(nèi)均設(shè)置橡皮止水；底板下設(shè)置2條縱向排水溝，每條橫向伸縮縫下均設(shè)一條橫向排水溝，排水溝尺寸0.3 m×0.3 m，溝內(nèi)回填砂礫石料。

左、右擋墻拆除重建。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件確定：一級(jí)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(jí)泄槽兩側(cè)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(fù)核計(jì)算高程確定，分縫長(zhǎng)度與混凝土底板的分縫一致。

泄槽底板寬度、縱坡仍與原設(shè)計(jì)保持一致。

2.4 拋物線連接段設(shè)計(jì)

按規(guī)范要求，當(dāng)泄槽段底坡由緩變陡時(shí)，可采用拋物線連接，拋物線按式(1)、式(2)計(jì)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(diǎn)的拋物線橫、縱坐標(biāo)，m；θ為緩坡泄槽底坡坡角，tanθ=0.116；K為系數(shù)，對(duì)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(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 拋物線各點(diǎn)坐標(biāo)

2.5 挑流消能設(shè)計(jì)

本工程消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)的弱風(fēng)化凝灰質(zhì)變質(zhì)砂岸夾千枚巖，抗沖刷能力較好，基本能滿足鼻坎的穩(wěn)定和跌流消能要求。對(duì)左側(cè)山坡進(jìn)行修整，右側(cè)原擋墻進(jìn)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(yán)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(duì)泄洪渠統(tǒng)一規(guī)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(cè)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(shè)計(jì)

進(jìn)電站道路橫穿溢洪道泄洪渠，一旦泄洪將中斷交通，對(duì)防汛搶險(xiǎn)和運(yùn)行管理造成重大影響。

現(xiàn)狀進(jìn)電站人行橋標(biāo)準(zhǔn)低，基礎(chǔ)沖刷外露，嚴(yán)重影響水庫(kù)防汛搶險(xiǎn)。本次加固需重建進(jìn)電站交通橋，交通橋防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇設(shè)計(jì)，橋梁按汽-15等級(jí)荷載設(shè)計(jì)。交通橋全長(zhǎng)20 m，共3跨，橋面寬4 m，為現(xiàn)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(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 水力計(jì)算

(1)泄洪能力計(jì)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(jīng)計(jì)算，庫(kù)水位與泄流量關(guān)系見(jiàn)表2。

通過(guò)調(diào)洪演算得到水庫(kù)各種頻率的洪峰流量，各種洪水標(biāo)準(zhǔn)的溢洪道下泄流量見(jiàn)表3。

表2 庫(kù)水位～泄量關(guān)系

表3 調(diào)洪計(jì)算成果(推理公式法)

(2)泄槽水面線及邊墻高度計(jì)算。根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253—2018)，用分段求和法計(jì)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(xiàn)取校核洪水位227.1 m，相應(yīng)泄量為273.1 m3/s，進(jìn)行水面線計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 泄槽段水面曲線及邊墻高度計(jì)算

由上表可知，現(xiàn)狀二級(jí)泄槽的擋墻高度不滿足要求；加固后，擋墻高度均滿足規(guī)范要求。

(3)溢洪道消能復(fù)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(jīng)計(jì)算，自挑流鼻坎末端算起至沖刷坑最深點(diǎn)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(chǔ)的安全，沖刷坑上游坡度一般在1∶3～1∶6選用，根據(jù)地質(zhì)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(wěn)定計(jì)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(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)變質(zhì)砂巖夾千枚巖。

其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算,見(jiàn)式(3)(取單位寬度)：

K=∑(f′W+c′A)/∑P

(3)

式中：K為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，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(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的法向分量，kN；∑P為作用于堰體上的荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的切向分量，kN。

計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表5。

表5 溢洪道單位寬度堰體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果

從上表的計(jì)算結(jié)果可知，溢洪道堰體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4 非常溢洪道加固設(shè)計(jì)

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(duì)右岸溢洪道進(jìn)行了封堵，建成自潰式土壩，作為非常泄洪設(shè)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(fù)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(wú)坎寬頂堰，堰頂高程222.5 m，溢流凈寬規(guī)整至15 m。當(dāng)庫(kù)水位高于正常蓄水位222.5 m時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)正常溢洪道泄洪、兩個(gè)溢洪道同時(shí)泄洪兩種工況進(jìn)行調(diào)洪演算結(jié)果分析可得：如恢復(fù)非常溢洪道的泄洪能力，設(shè)計(jì)洪水位能降低0.65 m，校核洪水位能降低1.04 m。

對(duì)非常溢洪道加固采取兩種方案進(jìn)行比較分析：

方案一：對(duì)其進(jìn)行加固，恢復(fù)其泄流功能?？刂贫螢閷掜斞撸缌鲀魧?5 m；泄槽段底板拆除重建；兩側(cè)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(zhì)土壩。兩個(gè)溢洪道同時(shí)泄洪時(shí)下游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)仍不滿足規(guī)范要求，為方便日常運(yùn)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(jīng)過(guò)對(duì)兩種方案進(jìn)行比較可得：方案一的投資較大，運(yùn)行管理不方便，還需在堰頂增設(shè)一交通橋；方案二的投資較小，利用壩頂作為交通公路。故設(shè)計(jì)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(zhì)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(yù)制塊護(hù)坡；下游坡比為1∶2.6，采用C15混凝土網(wǎng)格草皮護(hù)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(zhì)土壩，填筑土料要求，滲透系數(shù)不大于1×10-4cm/s，水溶鹽含量不大于3%，有機(jī)質(zhì)含量不大于5%，有較好的塑性和滲透穩(wěn)定性，浸水與失水時(shí)體積變化小，壓實(shí)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(wèn)題，故本次設(shè)計(jì)在壩基設(shè)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(cè)傾斜，坡度為1%，并在上游側(cè)增設(shè)照明燈具。

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

(5)壩面排水。在上、下游壩坡與岸坡連接處增設(shè)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(jié) 語(yǔ)

文章對(duì)高虎腦水庫(kù)左岸正常溢洪道采取原址原規(guī)模拆除重建方案，重建后溢洪道由進(jìn)口段、控制段、一級(jí)泄槽、二級(jí)泄槽、挑流消能設(shè)施、泄洪渠組成，并重建跨泄洪渠進(jìn)電站交通橋，經(jīng)過(guò)復(fù)核計(jì)算，溢洪道泄流能力、泄槽邊墻高度、堰體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果等均滿足規(guī)范要求。經(jīng)過(guò)方案比選對(duì)右岸非常溢洪道進(jìn)行封堵回填，按照大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加固；高虎腦水庫(kù)溢洪道除險(xiǎn)加固工程實(shí)施后，可以確保水庫(kù)在遇到較大洪水時(shí)，能夠正常泄洪，保障水庫(kù)大壩安全以及下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。