水庫工程中溢洪道加固設計

陳永強

(廣東省博羅縣水利水電勘測設計室,廣東 博羅 516100)

光頭水庫位于博羅縣楊村鎮境內,距楊村鎮約9km,水庫控制集雨面積0.96km2,集雨區域位于東江中下游。光頭水庫總庫容48×104m3,為村管的小 (Ⅱ)型水庫,是楊村鎮的主要水利工程之一。

水庫的任務以灌溉為主兼顧防洪,設計灌溉農田面積700畝。

工程樞紐由大壩、溢洪道、灌溉涵管等組成。大壩為均質土壩,其中大壩最大壩高10.1m,壩頂高程39.1m,壩頂寬度1.8m,壩頂長112m。溢洪道位于大壩又壩頭,為開敞式無閘控制自由泄流型式,堰頂高程為35.63m,寬4m。大壩設放水涵一座,是內徑為 500mm的混凝土圓管,進口高程29.8m,涵頭放水設施為斜臥管型式。

1 工程存在的主要問題

光頭水庫始建于1957年,該水庫由于建設期較早,工程建設存在標準低,施工質量差,存在較多問題。水庫經過長年運行,主要建筑物均有不同程度的破壞,其中大壩壩體滲漏較為嚴重,斜臥管漏水嚴重,涵管接頭多處破壞,壩面雜草叢生,壩址沒有設置反濾體排水,溢洪道未完善,不能發揮泄洪功能,無上壩公路,不利于防洪搶險。

1.1 大壩存在的主要問題

經檢查和復核計算,光頭水庫土壩主要存在如下問題。

(1)壩頂。水庫大壩壩頂平均寬度僅為1.8m,為泥土路面,不能通行機械、車輛,不利于水庫的運行管理,不利于水庫的防汛搶險。

(2)壩坡。水庫大壩上游壩坡平均為1︰2.25,下游壩坡平均為1︰2.0,壩前坡坡面無護面,因為年久失管,壩背水坡面雜草叢生,極易滋生白蟻危害,無反濾體,前坡部分地方直接受庫水的沖刷陶蝕嚴重,蜂窩狀沖刷坑隨處可見。

壩后坡管理維護不夠,覆面草種繁雜,壩坡裸露,局部受雨水侵蝕剝落嚴重。

(3)壩體。壩體由于當時的施工工藝落后,填筑質量差,滲流過大,背水坡無反濾體,對壩體的安全及發揮效益是極為不利的。

1.2 溢洪道

經現場檢查和復核計算,溢洪道主要存在如下問題。

(1)溢洪道兩側無擋土墻及護底,無消能設施。

(2)溢洪道局部地方沖刷嚴重,在樁號0+070處有一較大沖坑。

1.3 輸水涵管

經檢查,光頭水庫輸水涵管主要存在如下問題。

(1)原輸水涵管為φ 500mm混凝土圓管,漏水嚴重。

(2)放水涵為斜硪管型式,為磚砌結構,漏水嚴重。

(3)接涵管出口無消力池,水流的常年沖刷使現狀土壩后坡涵管出口處出現局部坍塌,對大壩和輸水涵管的安全都極為不利。

1.4 其他配套設施

(1)防汛公路。光頭水庫防汛公路靠壩址附近2km長路段,路寬約為4m,局部地方較窄,車輛不能通過,路面為泥土路面,無維護,坑坑洼洼、高低不平,水庫無上壩公路,不利于水庫的運行管理通行要求,特別是不利于水庫的防汛搶險交通要求。

(2)其他設施。水庫無管理房、無通訊設施、無管理電源,基本無水庫運行資料,工程管理經費不足。水庫無水位觀測設施,無雨量觀測設施。因資金困難,多年未備防汛砂石料。

2 溢洪道加固設計

2.1 溢洪道存在問題及加固措施

(1)溢洪道現狀。位于大壩右側的山凹上,為開敞式無閘控制自由泄流型式,堰頂高程為35.63m,寬4m。原溢洪道凹凸不平,無圬工襯砌,局部地方沖刷嚴重,不利水庫的正常泄洪。

(2)溢洪道設計標準。光頭水庫溢洪道的級別為5級,根據 《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)的有關規定,確定溢洪道設計洪水標準與大壩相同,設計洪水為30年一遇,校核洪水為300年一遇。下游的消能防沖按10年一遇洪水標準設計。

(3)溢洪道除險加固措施。保持原溢洪道寬4m,全長用M7.5漿砌石護底300mm厚,10mm厚C20混凝土護面,兩側設置M7.5漿砌石重力式擋土墻。新增消力池,消力池根據電算成果消力池底高程為30.63m,池深0.77m,池長5.0m。

2.2 溢洪道陡坡水面線計算和側墻高度計算

陡坡水面線按30年一遇洪水標準設計,300年一遇洪水標準校核,采用省廳推廣使用的微機程序 《陡坡水面線計算DP-3》,詳細計算見電算稿。滲氣水深計算:

式中:h,hb——泄槽計算斷面的水深及滲氣后的水深,m;

V——不滲氣情況下泄槽計算斷面的流速,m/s;

ξ——修整系數,可取1.0到1.4,流速大的取大值計算。

從以上計算可知:在三十年一遇設計洪水標準下,起推水深為0.654m,安全超高為0.5m。在三百年一遇校核洪水標準下,起推水深為0.876m,安全超高為0.3m,取兩者中較大值。計算結果列于表1。

表1 陡坡水面線計算成果表

從陡坡水面線的計算成果可知,陡坡段始端及末端的水深相差不大,故溢洪道陡坡段邊墻的高度按陡坡段始端水深確定。設計工況下溢洪道水深0.654m,校核工況下水深0.876m,根據規范設計工況下安全加高0.8m,校核工況安全加高0.5m,取兩者中較大值,因此陡坡段兩側墻始端控制高度為1.454m,末端控制高度為1.046m,取溢洪道陡坡段兩側墻高度1.5m,控制段兩側邊墻的墻頂應與壩頂同高,取邊墻頂高程為38.00m,即邊墻高為2.37m。

2.3 歸河渠水利計算

新開挖的歸河渠在現有河槽基礎上擴寬清淤,按土渠梯形斷面設計底坡按實際地形取用1︰200,內邊坡1︰1.5,底寬 4m,糙率為 0.02,渠首高程擬定為31.4m。歸河渠水力計算成果列于表2。

表2 歸河渠水力計算成果表

2.4 陡坡消能計算

陡坡消能按10年一遇洪水標準設計,采用省水利廳“XL-1斜坡消力池水利計算程序”。從以上計算可知:在十年一遇洪水標準下,下游歸河渠首端高程為31.4m,水深0.529m。詳細計算見電算稿,根據電算成果消力池底高程為 30.63m,池深0.77m,池長 5.0m。

2.5 結構計算

(1)溢洪道邊墻。溢洪道側墻結構計算采用利部“水利水電工程PC-1500程序集(88版)”的微機程序《G-9擋土墻穩定與應力計算程序》詳細計算見計算書。由于溢洪道測墻為對稱結構,有漿砌石底板相連,故在計算中可忽略抗滑穩定安全系數,僅考慮抗傾穩定安全系數,大于規范規定的最小抗傾穩定安全系數1.5即可。從以上計算成果可知:控制段側墻抗傾穩定系數K2=2.6131,均滿足規范要。擋土墻計算簡圖如圖1。

圖1 擋土墻斷面圖

(2)消力池底板。溢洪道消力池底板厚度可根據抗沖要求,按下面公式計算。

△H′——閘孔泄水時的上、下游水位差(m);

k1——消力池底板計算系數,可采用 0.15～0.20(m);本次計算取0.20;

經過計算:抗沖力t=0.2×[1.275×(34.21-31.93)0.5]0.5=278mm;本工程取400mm厚底板。

3 結 語

水庫除險加固后,能有效保證下游農田灌溉,提高水庫的工程效益。并降低洪災的發生機率,有效保障下游群眾生命財產安全,有效保護下游的生態環境和人群健康,減少水土流失,保護土地資源,工程的綠化及環境美化措施將進一步改善區內的環境面貌。綜上所述,工程具有顯著的經濟效益和社會效益,水庫除險加固設計工程的實施是可行的。

[1]SL180-96,小型水利水電碾壓土石壩設計導則[S]

[2]SDJ342.溢洪道設計規范[S]

[3]沈長松.水工建筑物[M].北京:中國水利水電出版社,2008