雞鳴寺水庫溢洪道除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)探討

【摘要】雞鳴寺水庫位于丘陵地帶，完工時(shí)間早，隨著幾十年的運(yùn)行使用，雖多次進(jìn)行除險(xiǎn)加固措施，但主要水工建筑物均有不同程度的問題甚至安全隱患，而該水庫具有灌溉、防洪、養(yǎng)殖等功能，須積極做好除險(xiǎn)加固措施，保障水庫功能的發(fā)揮與下游居民安全。本文探討了水庫溢洪道的加固改造設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】溢洪道；除險(xiǎn)加固；設(shè)計(jì)

1、工程背景概況

雞鳴寺水庫位于鐘祥市東橋鎮(zhèn)清明村，地處丘陵地帶，1980年2月完工。水庫控制來水面積4.85km2，設(shè)計(jì)總庫容42.7萬m3，興利庫容20.0萬m3，死庫容1.4萬m3。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)20年一遇洪水位155.10m，校核標(biāo)準(zhǔn)200年一遇洪水位156.05m，正常高水位152.32m，死水位145.00m。該水庫具有灌溉、防洪、養(yǎng)殖等綜合效益，為小（2）型水庫。設(shè)計(jì)灌溉面積500畝（實(shí)際灌溉面積600畝），養(yǎng)殖水面20畝。該水庫防洪保護(hù)下游東橋鎮(zhèn)六個(gè)村民組以及下游水庫的安全，保護(hù)人口有2000多人。

水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水管等組成。溢洪道在大壩的左側(cè)，屬開敞式溢洪道，現(xiàn)狀進(jìn)口底高程152.32m，堰頂寬度10.5m，最大泄量124.32m3/s。溢洪道左側(cè)緊鄰大壩壩體，右側(cè)為山體，溢洪道底部是人工開采的自然石料面，凹凸不平。溢洪道采用底流消能方式，消力池底高程144.5m（自然沖坑），尾水直接進(jìn)入渠道。

2、水庫溢洪道問題的發(fā)現(xiàn)

水庫溢洪道雖經(jīng)歷次除險(xiǎn)加固，但每次都因經(jīng)費(fèi)限制，沒有解決根本性問題。現(xiàn)綜合歷年工程出險(xiǎn)和現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)溢洪道部分的問題如下：

（1）溢洪道位于大壩左壩端，沿山體人工開采而成，凹凸不平，斷面不規(guī)整。

（2）溢洪道堰頂寬10.5m，溢洪道總長85.1m，分為一級(jí)跌水，其中進(jìn)口段長22m，斜坡段長31.9m，尾水直接進(jìn)入渠道。經(jīng)復(fù)核，溢洪道寬度不夠，泄洪能力不足。

（3）溢洪道左側(cè)部分為山體，山體出露巖性為泥質(zhì)白云巖，坡高3.0～5.0m，表層0.5～1.0m屬強(qiáng)風(fēng)化，風(fēng)化裂隙極發(fā)育，影響水庫安全泄洪。

（4）溢洪道右側(cè)緊鄰大壩壩體，邊坡最大高度3.5m，最小高度1.5m。由于水庫運(yùn)行時(shí)間長，水庫泄洪頻率高，多處邊坡出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。

3、溢洪道除險(xiǎn)加固措施的確定

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017），山區(qū)、丘陵區(qū)小（2）型水庫土石壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)：30～20年一遇設(shè)計(jì)，300～200年一遇校核，故雞鳴寺水庫按20年一遇設(shè)計(jì)，200年一遇校核。

由于庫區(qū)無實(shí)測(cè)徑流資料，本次設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算采用△t=0.5小時(shí)，6小時(shí)的瞬時(shí)單位線方法計(jì)算洪水。

在萬分之一地形圖上量得水庫壩址以上集水面積F=4.85km2，流域長度L=3.164 km，河道比降j=45.6‰，流域形狀系數(shù)0.35，屬山區(qū)扇形流域。

根據(jù)《湖北省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》，分別查出1h、6h、24h的均值依次為50mm、80mm，120mm，Cv值為0.50、0.57、0.50，Kp5%為1.99、2.14、1.99， Kp0.5%為3.05、3.45、3.05，計(jì)算各頻率下點(diǎn)雨量值如下。

P=5%時(shí)，H24p=Kp H24=1.99×120=238.8（mm）

P=0.5%時(shí)，H24p=Kp H24=3.05×120=366.0（mm）

根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量，由《湖北省可能最大降雨圖集》提供分區(qū)成果，查1h、6h、24h面深系數(shù)，計(jì)算壩址設(shè)計(jì)面暴雨成果，計(jì)算壩址設(shè)計(jì)面暴雨成果。本次設(shè)計(jì)雨型采用《湖北省暴雨徑流查算圖集》推薦的tc=6h，△t=0.5h雨型，各時(shí)段雨量順次扣除穩(wěn)損fc×△t后的值即為各頻率下的6h凈雨。

匯流計(jì)算采用瞬時(shí)單位線法。本流域位于水文分區(qū)第Ⅵ區(qū)，匯流參數(shù)取《圖表》中第Ⅵ水文分區(qū)的綜合公式：

由參數(shù)n、k值（其中k=m1/n）查《查算圖表》，求得綜合單位線S（t），換算為瞬時(shí)單位線u（t），再求出時(shí)段單位線q（t）=Fh/3.6Δt×u（t）即為地面徑流。地下徑流按下式計(jì)算。

t≤T Qt=Q0+（Qg+Q0）×t/T

t>T Qt=Qg+e-β（t-T）

式中：

β—退水指數(shù) β=0.133F-0.28

T—地面徑流底寬 T=tc+D-Δt

D—時(shí)段Δt之單位線底寬

將各時(shí)段的地面徑流加上相應(yīng)時(shí)段的地下徑流即全部設(shè)計(jì)洪水過程，得出不同頻率的洪峰流量。P=5%時(shí)為122.58 m3/s；P=0.5%時(shí)為189.63m3/s。計(jì)算成果如下表。

水庫6小時(shí)設(shè)計(jì)洪水成果表

根據(jù)該水庫大壩安全鑒定結(jié)論，結(jié)合本工程任務(wù)、現(xiàn)狀、洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果，將溢洪道除險(xiǎn)加固工程措施設(shè)計(jì)為溢洪道進(jìn)行擴(kuò)寬寬。

4、溢洪道除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

4.1溢洪道校核

本次加固溢洪道采用開敞式寬頂堰，其過流能力依據(jù)武漢大學(xué)水利水電學(xué)院《水力計(jì)算手冊(cè)》（第二版）以及高等教育出版社《水力學(xué)》（吳持恭主編）相關(guān)公式計(jì)算。

Q=mB（2g）1/2H03/2

式中： Q—下泄流量（m3/s）；

m—流量系數(shù)，m=0.385；

H0—堰上水頭（m）；

B—寬頂堰溢流寬度（m）。

現(xiàn)狀溢洪道下泄流量Q=0.385×10.5 ×（2×9.8）1/2×3.733/2=122.29（m3/s）

溢洪道下泄流量122.99 m3/s小于水庫調(diào)洪后的流量152.76m3/s，可見溢洪道不能夠滿足洪水安全下泄。

溢洪道寬度應(yīng)為：

B=152.76÷0.365÷ （2×9.81）1/2÷3.733/2=12.43（m），取值12.5m。

溢洪道設(shè)計(jì)流量Q=0.385×12.5×（2×9.81）1/2×2.78/2=98.81（m3/s）

溢洪道校核流量Q=0.385×12.5×（2×9.81）1/2×3.733/2=153.56（m3/s）

4.2溢洪道設(shè)計(jì)

根據(jù)水庫除險(xiǎn)加固原則：在滿足壩頂高程的前提下，適當(dāng)加大樞紐泄洪能力的方式，使水庫防洪能力達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

本次設(shè)計(jì)溢洪道底高程152.32m保持不變，溢洪道寬度增加到12.5m，右側(cè)新建溢洪道導(dǎo)水墻和岸墻。溢洪道底部用C25混凝土護(hù)底，導(dǎo)水墻和右側(cè)岸墻均用C20混凝土做擋土墻。

4.3溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溢洪道由進(jìn)口堰頂段、泄槽段和消力池段組成。

進(jìn)口樁號(hào)0-022～0-010段按現(xiàn)狀斷面開挖至設(shè)計(jì)高程152.32m。樁號(hào)0-010～0+000段為堰頂段，堰頂高程152.32m，設(shè)計(jì)底寬12.5m，底板采取C25砼現(xiàn)澆，厚40cm，面層布Φ12鋼筋，底板下部鋪設(shè)10cm厚C10砼墊層；兩側(cè)邊墻采用C20砼現(xiàn)澆。 樁號(hào)0+000～0+025.6段為泄槽段，長25.6m，坡降1：2.9，設(shè)計(jì)底寬12.5m，底板采取30cm厚的C25砼現(xiàn)澆，面層布Φ12鋼筋，底板下部鋪設(shè)10cm厚C10砼墊層，兩側(cè)邊墻采用C20砼現(xiàn)澆。0+025.6～0+048.6段為消力池段，底寬12.5m，底板采取30cm厚的C25砼現(xiàn)澆，面層布Φ12鋼筋，底板下部鋪設(shè)30cm厚三級(jí)反濾料，兩側(cè)邊墻采用C20砼現(xiàn)澆。堰頂段、泄槽段和消力池段底板與兩側(cè)砼擋土墻均采用橡膠止水。

5、結(jié)束語

雞鳴寺水庫除險(xiǎn)加固工程已完工驗(yàn)收，通過對(duì)溢洪道等水工建筑物的監(jiān)測(cè)與分析，此次改造設(shè)計(jì)均有較滿意的成效，對(duì)后期同類型的工程有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。