民主水庫除險加固優(yōu)化設(shè)計分析

于巍巍，姜 麗

（本溪市水利電力勘測設(shè)計研究院，遼寧本溪117000）

民主水庫除險加固優(yōu)化設(shè)計分析

于巍巍，姜 麗

（本溪市水利電力勘測設(shè)計研究院，遼寧本溪117000）

以民主水庫設(shè)計除險加固方案為例，首先分析了該水庫主要存在的問題，在此基礎(chǔ)上對水庫的調(diào)洪演算、壩頂超高、壩頂高程等進(jìn)行了驗算，選擇合適壩頂高程，并采用帷幕注漿技術(shù)對壩體進(jìn)行了加固，采用軟件對其穩(wěn)定性進(jìn)行了驗算，然后對輸水洞、溢洪道等關(guān)鍵部位進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，取得了良好的加固效果。

民主水庫；除險加固；優(yōu)化設(shè)計

1 工程概況

民主水庫位于本溪縣堿石鎮(zhèn)民主村太子河支流上。水庫以上控制面積2.28km2，河道長度3.3km，河道平均比降124‰。攔河壩壩型為粘土心墻砂殼壩，壩頂高程24.72m，壩頂寬4.1m，大壩上游壩坡∶高程在20.38m以上，壩坡為1∶2.5，高程在20.38以下壩坡為1∶3.0，下游壩坡為1∶2.4，大壩全長124.51m；溢洪道位于右岸，為開敞式溢洪道，由進(jìn)口側(cè)堰、陡坡段、消能工等組成，全長87.29m，堰頂高程22.7m，側(cè)堰長16.28m，采用挑流式消能形式；輸水洞設(shè)在大壩右端，進(jìn)水口采用分級臥管方式，輸水洞采用漿砌石渠槽鋼筋混凝土拱涵結(jié)構(gòu)。

2 工程主要問題

2.1大壩壩體

（1）壩坡局部破壞變形。上游壩坡變形，存在局部破壞及沉陷現(xiàn)象。通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，大壩上游壩坡局部塌陷，迎水坡底部（水面以下）下沉比較明顯，下游壩坡坡面參差不齊［1］。

（2）護坡。上游護坡干砌石嚴(yán)重破壞。下游無護坡、排水設(shè)施，壩體產(chǎn)生破壞。

（3）壩頂防浪墻。防浪墻有十多處開裂，并向庫區(qū)傾斜。

（4）壩頂路面無防護措施，對大壩防汛、交通不利。

2.2大壩壩基

壩基滲漏，壩下形成沼澤，集水井附近有涌水現(xiàn)象，個別時段涌黃濁水［2］。

2.3溢洪道

（1）溢洪道右側(cè)山體巖石風(fēng)化嚴(yán)重易塌落。

（2）溢洪道左右岸邊墻的混凝土護面部分出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。

（3）溢洪道控制段、陡槽段巖石裸露，風(fēng)化嚴(yán)重。

3 水庫加固措施優(yōu)化設(shè)計

3.1調(diào)洪演算

民主水庫為開敞式溢洪道，起調(diào)水位按溢洪道堰頂高程22.7m開始起調(diào)，輸水洞不參與調(diào)洪。因所求設(shè)計洪水過程線形狀系數(shù)rp＜0.05，則采用以設(shè)計洪峰流量QP為最大流量，按式W調(diào)p＝0.67W24P＋0.12QP*τ計算出的W調(diào)p為洪水總量，洪水歷時為T＝5.56W調(diào)p/QP的簡化三角形過程線（過程線不必畫），計算出不同頻率參與調(diào)洪的洪量W調(diào)p代入簡化公式∶qP＝Qp（1-進(jìn)行調(diào)洪計算。各頻率調(diào)洪計算成果見表1、表2。

洪水調(diào)節(jié)成果見表3。

表1 P＝5%調(diào)洪計算成果表Qp＝45.18m3/s W調(diào)P＝27.24萬m3

表2 P＝0.5%調(diào)洪計算成果表Qp＝70.98m3/s W調(diào)P＝45.01萬m3

表3 民主水庫調(diào)洪演算成果

經(jīng)過水庫調(diào)洪計算后得∶

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)P＝5%時，設(shè)計洪水位為23.91m，相應(yīng)下泄流量36.10m3/s。

校核標(biāo)準(zhǔn)P＝0.5%時，校核洪水位為24.37m，相應(yīng)下泄流量58.38m3/s。

3.2壩頂高程復(fù)核

3.2.1 計算風(fēng)速的確定

多年平均年最大風(fēng)速為16.0m/s，風(fēng)向南風(fēng)。各種特征水位在經(jīng)過大壩洪水標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核之后，按照相關(guān)規(guī)定，再對壩頂?shù)母叱踢M(jìn)行復(fù)核。

3.2.2 計算壩頂超高

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，對于壩頂超高，分別進(jìn)行兩種情況的計算，并取其最大值∶

第一種，壩頂超高的計算是在設(shè)計洪水水位加正常運用的情況下；第二種，壩頂超高的計算是在校核洪水水位加非常運用的情況下。其具體公式如下∶

上式中，y代表壩頂超高，m；R代表壩坡上最大波浪的爬高，m；e代表最大風(fēng)壅水面高度，m；A是安全加高，m。

（1）波浪爬高的計算

采用莆田試驗站的公式來分析和計算本次壩頂超高復(fù)核風(fēng)浪要素。

①平均波長λ的計算∶

其中，T代表平均波周期，并按照T＝4.438h0.5來進(jìn)行計算，而H則代表水域平均深度。

②平均波高h(yuǎn)的計算∶

其中g(shù)代表重力加速度，g＝9.81m/s2；H代表水域平均深度；D是吹程（對岸到計算點逆風(fēng)向量的距離），m；W則代表最大風(fēng)速，即設(shè)計洪水位為1.5倍的多年平均最大風(fēng)速，校核洪水位取多年平均最大風(fēng)速。

③波浪爬高RP的計算∶

其中，KΔ代表護面類型為砌石護坡的斜坡糙率系數(shù)，KΔ＝0.8；Kw代表經(jīng)驗系數(shù)；h-則為平均波高（坡前波浪），m；m代表土壩斜坡的坡率，其值為2.5；λ為波長（壩前波浪），m。

按照爬高分布，設(shè)計波浪爬高RP，并進(jìn)行換算，則可以確定該工程屬于5級建筑物，且是一個P＝5%，即波高累計頻率為5%的建筑物。

（2）風(fēng)壅水面高度e的計算

其中K＝3.6×10-6，代表綜合摩阻系數(shù)；W代表風(fēng)速（距離水面10m處風(fēng)速），m/s；D為吹程，是對岸交點到計算點與壩軸中線的平行線的距離，m；β＝8°，代表水域中線與風(fēng)向的夾角；H為平均水深，m；g代表重力加速度。

（3）安全加高A的計算∶

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)校核水位時，安全加高為0.3m；當(dāng)設(shè)計水位時，安全加高為0.5m。

因此，壩頂超高計算可根據(jù)上述所列計算參數(shù)、公式計算，其結(jié)果如表4∶

表4 壩頂超高計算成果表

3.2.3 壩頂高程復(fù)核

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，壩頂高程在土壩各種運用情況下的計算結(jié)果如表5所示∶

表5 壩頂高程計算成果表

由表5看出，復(fù)核后壩頂高程取設(shè)計水位的壩頂高程25.28m為民主水庫的壩頂高程。目前民主水庫實際壩頂高程為24.56m，漿砌石防浪墻高0.96m，防浪墻頂高程25.52m，因民主水庫校核洪水位24.37m低于現(xiàn)狀壩頂高程24.56m，即現(xiàn)狀壩頂高程滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

4 加固方案設(shè)計

4.1防浪墻

根據(jù)壩頂高程計算結(jié)果，現(xiàn)狀壩頂高程24.56m，設(shè)計水位的壩頂高程25.28m，漿砌石防浪墻高0.96m，防浪墻頂高程25.52m，因民主水庫的防浪墻為漿砌塊石，比較堅固與壩體防滲體結(jié)合較好，且水庫校核洪水位24.37m低于現(xiàn)狀壩頂高程24.56m，所以防浪墻頂高程25.52m代替壩頂高程是可行的。

4.2護坡及壩坡整理

4.2.1 上游壩坡

大壩上游壩坡，高程在20.38以上，壩坡為1∶2.5，高程在20.38以下壩坡為1∶3.0，從死水位13.1m以上設(shè)置干砌石護坡，死水位以下為拋石體護坡。其加固處理內(nèi)容為∶

（1）從13.1m高程起始向上，原干砌石護坡因損壞嚴(yán)重和壩坡整理需清挖并重新砌筑，具體護坡形式由上往下為300m m厚的干砌塊石護坡、200m m碎石墊層、100m m粗砂墊層。

（2）從13.1m高程起始向下，利用原干砌石護坡及碎石墊層（總厚50c m）進(jìn)行拋石護坡。

4.2.2 下游壩坡

大壩下游面邊坡為1∶2.4，選用的加固處理方案為∶

（1）對現(xiàn)狀邊坡進(jìn)行壩坡整理。

（2）壩頂至13.79m高程設(shè)置草皮護坡；水庫在正常高水位時下游逸出點高程為12.64m，故在13.79m高程至壩腳地面加設(shè)干砌塊石貼坡排水。排水體自下而上的砂礫料粒徑與厚度分別為（d＝1～5m m）厚150m m、（d＝5～20m m）厚250m m和（d＝300m m）厚300m m。

4.3壩基防滲處理

壩后出現(xiàn)沼澤化，并有3處涌水現(xiàn)象，主要集中在輸水洞附近。采取帷幕灌漿進(jìn)行壩基防滲處理。帷幕灌漿共62個孔，平均深19m，由下至上∶基巖灌漿6m，其余為心墻鉆孔回填混凝土。

4.4溢洪道工程設(shè)計

加固工程在溢洪道原位進(jìn)行，其主要結(jié)構(gòu)形式特性∶為開敞式溢洪道，由進(jìn)口溢流堰、陡坡段、消能工等組成，全長87.29m，堰頂高程22.7m，側(cè)堰長16.28m，陡坡段長度79.75m，下接挑流鼻坎消能。主要加固內(nèi)容∶

（1）溢洪道右側(cè)山體風(fēng)化嚴(yán)重，一旦在泄洪時坍塌，容易堵塞溢洪道，影響溢洪道泄洪，對右側(cè)山體進(jìn)行掛網(wǎng)襯砌，右側(cè)山體襯砌高度與左側(cè)邊墻等高，襯砌高度以上為噴錨，襯砌厚度為200m m，噴錨厚度為100m m。

（2）溢洪道左右岸邊墻為混凝土護面結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場檢查部分出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，拆除原混凝土護面，對邊墻進(jìn)行掛網(wǎng)襯砌，襯砌厚度為200m m。

（3）控制段、陡槽段底板襯砌300m m鋼筋混凝土。

4.5輸水洞優(yōu)化設(shè)計

4.5.1 進(jìn)水口

新建工作橋及啟閉平臺，工作橋的結(jié)構(gòu)形式為1.5m寬鋼混結(jié)構(gòu)人行橋，啟閉平臺尺寸為2.5m* 2.5m，上設(shè)啟閉機室一座。進(jìn)水口設(shè)一扇SF Z 800方閘門，配備一臺Q D A-60式啟閉機。

4.5.2 輸水洞

試算輸水洞過流量∶

式中∶Q—通過管道的流量，m3/s；

μc—管道系統(tǒng)的流量系數(shù)；

∑ζ—局部水頭損失系數(shù)和，取1.5；

λ—沿程主力系數(shù)，取0.018；

d—管徑，m；

A—過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

H—管道出口斷面中心與上游水位的高差，m。

經(jīng)試算，當(dāng)管徑D＝0.6m時，μ c＝0.44，Q＝0.56m3/s，原輸水洞過流量為0.5m3/s，新建φ 630P E管輸水，滿足流量要求。

4.5.3 回填混凝土

輸水洞存在嚴(yán)重滲漏，影響輸水洞安全運行。原輸水洞為矩形洞，凈寬0.8m，高0.8m，現(xiàn)新建φ 630P E管，對P E管周邊進(jìn)行混凝土填充。

4.6滲透穩(wěn)定復(fù)核計算

利用大壩最高斷面，采用有限元法，作為典型斷面分析計算大壩的滲流問題。滲透穩(wěn)定復(fù)核計算假設(shè)下游的水位剛好淹沒地面一點，而上游為正常蓄水位。這樣采用水泥帷幕灌漿的壩基、粘土充填式灌漿的壩體以及加固下游邊坡之后，就會滿足大壩對于滲流穩(wěn)定的要求。

穩(wěn)定計算方法根據(jù)規(guī)范（SL 274-2001）規(guī)定，采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法計算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。穩(wěn)定計算成果見表6。

表6 土壩穩(wěn)定計算成果表

5 結(jié)論

通過分析民主水庫大量資料的基礎(chǔ)之上，優(yōu)化設(shè)計了民主水庫大壩除險加固方案，水庫調(diào)洪演算、壩頂超高、壩頂高程的驗算，以及采用帷幕灌漿加固技術(shù)，最終選出最佳防滲加固設(shè)計方案。通過對民主水庫除險加固工程實施后，不僅提高了水庫的經(jīng)濟效益，而且還擴大了水庫的調(diào)洪能力，降低了下游的洪水災(zāi)害。希望可以通過對民主水庫除險加固工程優(yōu)化設(shè)計方案的總結(jié)，為我國其它水庫除險加固工程提供一定的參考。

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：B

：1672-2469（2016）05-0116-04

D0I∶10.3969/j.i s s n.1672-2469.2016.05.041

2015-10-13

于巍巍（1983年—），男，工程師。