沂南縣寨子水庫輸水洞除險加固設計探析

杜以芳

（沂南縣張莊鎮水利站，山東 沂南 276309）

沂南寨子水庫位于臨沂市沂南縣沂河支流的銅井河上游，壩址座落于沂南縣銅井鎮張家莊子村西北0.50 km。寨子水庫流域面積25.45 km2，流域形狀為多支流闊葉型，平均寬度3 km，壩址以上平均坡度0.02%，有挑峪、三山溝等3條支流，呈枝狀分布。寨子水庫是一座具有防洪、灌溉、養殖等多功能的中型水庫，灌區設計灌溉面積1 606.67 hm2，目前有效灌溉面積133.45 hm2。

寨子水庫工程主要包括大壩、溢洪道、輸水洞3部分，水庫輸水洞為直徑1.50 m的有壓隧洞，進口洞底高程535.85 m，洞長86.0 m，出口高程532.81 m。輸水洞進口有啟閉塔1座，其斷面4 m×4 m，安裝工作閘門1扇，并配有螺桿啟閉機。

1 存在的問題

運行周期較長以及工程建設初期不合理設計都會導致水庫存在一定的問題，寨子水庫建于1970年，運行至今，輸水洞存在很多問題，具體如下：

1）輸水洞出口沒有消力措施，沖坑越來越深，沖坑面積越來越大。輸水洞泄洪渠沒有保護措施，不斷吞噬耕地，且威脅左側居民住宅。

2）輸水洞金屬結構通過現場檢查發現如下問題：一是沒有檢修閘門，在實際運行中，對工作閘門的檢修很困難；二是啟閉塔工作閘門橡皮止水變型，漏水，已不能正常發揮作用；三是輸水洞出口鋼閥門啟閉不靈，漏水、銹蝕。進口啟閉不靈，主絲桿銹蝕現象嚴重。

2 除險加固措施

根據對輸水洞存在問題的分析，確定輸水洞的除險加固方案主要為：在輸水洞的出口處設置消力池，從泄洪建筑物中流出的湍急水流具有極大的動能，將產生巨大的破壞作用力，設置消力池能將急流轉變成緩流，降低甚至避免水流造成的危害。經過多年運行，水庫輸水洞進口閘門及啟閉機均已不能正常運行，已經嚴重影響到整個水庫的功效發揮，因此，應對輸水洞進口閘門及啟閉機進行重新安裝更換。

2.1 輸水洞工程布置

消力池除險加固工程主要包括：銜接段擋土墻、消力池及海漫。輸水洞總長度為86 m，直徑1.5 m，進口洞底高程535.85 m，洞長86.0 m，出口底高程532.81 m。

1）銜接段翼墻。輸水洞出口處有一平臺，需要修建鋼筋混凝土翼墻。

2）消力池。輸水洞下游修建消力池，為鋼筋混凝土結構。消力池底板高程為525.05 m，寬度為10 m，長度22 m，消力池兩側修建5.6 m高擋土墻，并需要對河道進行土方回填，并對翼墻以上土體按1∶1.5進行削坡。

3）消力池下游需要修建海漫，海漫底板高程為526.65 m，寬度為10 m，長度31 m，海漫兩側前段5 m鋼筋混凝土翼墻，墻高由4 m降至2 m，后段長26 m，為漿砌石結構。對海漫兩岸進行土方回填，并對翼墻以上土體按1∶1.5進行削坡。

2.2 輸水洞出口消能設計

1）消能建筑物標準確定。據水庫洪水調節計算結果，300年一遇輸水洞最大泄量17.0 m3/s，30年一遇泄流量 16.89 m3/s，10年一遇泄流量15.95 m3/s。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》SL252-2000的規定，消能設施采用10年一遇標準設計，相應庫水位為551.6 m。

2）消能型式的選擇。水庫輸水洞為有壓式隧洞，單寬流量、流速及設計水頭較大，為選擇較為經濟合理的消能型式，布置了消力檻與消力池2個方案進行比較，主要工程量及投資情況見表1。

表1 消力檻與消力池方案對比表

由表1可知，消力檻方案混凝土量較大，投資亦較消力池方案多10.35萬元，故采用消力池的消能型式。

3）銜接段翼墻。輸水洞出口處有一平臺，需要修建鋼筋混凝土翼墻。墻高為1.5 m，上頂寬為0.3 m，下底寬為0.5 m。

4）消力池消能計算。鼻坎距閘下水流收縮斷面的距離據公式計算為11.69 m。為了保護兩岸的居民房屋和耕地，消力池兩側需要修建5.6 m高翼墻，上頂寬為0.3 m，下底寬為1.2 m，墻后進行土方回填，并對翼墻以上土體按1∶1.5進行削坡。

5）海漫。由海漫長度公式計算得海漫長度為31 m。由于海漫兩側的擋土墻高度需要從4 m漸變到2 m，漸變段采用C20鋼筋混凝土結構，長度為5 m，上頂寬0.3 m，下底寬由0.9 m漸變到0.6 m；海漫的其余部分采用漿砌石結構，長度為26 m，上頂寬0.5 m，下底寬1.5 m。為使兩岸的邊坡穩定，需要對海漫兩岸進行土方回填，并對翼墻以上土體按1∶1.5進行削坡。

2.3 電氣與金屬結構設計

本工程金屬結構部分包括：輸水洞工作閘門、檢修閘門、閘門啟閉設備。

1）設計條件：輸水洞進口檢修閘門及其啟閉設備的設計條件如下，設計水位：552.45 m，校核水位：553.90 m，底坎高程：535.25 m，孔口尺寸：1.50 m×1.50 m，孔口數量：1，閘門數量：1。 閘門結構：進口檢修閘門采用鑄鐵閘門，閘門靜水啟閉。

2）啟閉設備計算。當閘門下游無水時：啟門力 P1=K[0.5γbf（h12-h32）+G]；當閘門上下游都有水時：閉門力 P1=K[0.5γbf（h12-h22-h32）+W-G]。 式中：K為安全系數，采用1.35；γ為水的容重，10 kN/m3；b為閘孔凈寬度，m；f為閘門與閘槽間的摩擦系數，取0.5；h1為上游水深，m；h2為上下游水頭差，m；h3為下游水位，m；G為閘門自重，kN；W為水對閘門的浮托力，kN。

表2 啟閉設備計算結果表 kN

3）設備選擇。通過計算選用啟閉機性能如下：型式：LQ-500 螺桿式啟閉機， 容量：1×500 kN，揚程：20 m，啟門力：500 kN，閉門力：250 kN，電機功率：7.50 kW。

4）金屬結構工程量。金屬結構工程量：閘門啟閉機配備2座閘門，2臺啟閉機。

5）電氣設備。工作閘門與檢修閘門交替使用，按一臺啟閉機容量進行計算。為防止斷電而造成啟閉機無法工作，在啟閉機室安裝一臺10 kW柴油發電機，在停電時供閘門開啟使用。

3 結語

1）在除險加固工程結束后，要做好輸水洞養護工作：當輸水洞出現分縫滲漏、內外力所引起的各種裂縫時，及時用洞內修補、補強、襯砌、套管及灌漿等措施進行處理，避免裂縫進一步擴張，減輕危害。

2）水庫輸水洞除險加固后，可以有力地解決水庫因工程老化產生的閘門漏水、輸水洞進口啟閉機啟閉困難等問題，可以最大限度地解除水患，為農業生產帶來便利，提高水庫抵抗水旱災害的能力，保證了水庫周邊居民的安全，有力地促進農民增收和農業發展，為當地政治、經濟發展提供了保障。