太平溝水庫病險情況復核探析

楊秋菊

(營口市水利勘測建筑設計院，遼寧 營口 115000)

1 概 述

太平溝水庫位于陳屯鎮太平溝村，于1972年竣工投入運行，水庫當時的設計標準是20a一遇，校核標準為100a一遇，是一座以灌溉、防洪、養殖等綜合效益的小(2)型水庫。水庫樞紐工程主要由大壩、溢洪道、輸水洞組成。

2 工程現狀

2.1 大壩

水庫壩型為粘土心墻壩，壩殼為壤土，壩長216m，壩頂寬8 m-10m，最大壩高18.36m，壩頂高程17.2m，迎水坡1∶2.5，背水坡1∶2.25。迎水坡為干砌塊石護坡。

壩頂局部高低不平，上游干砌石護坡局部脫落，沉陷不平整。背水坡無護坡。大壩下游坡無排水體。

2.2 溢洪道

河岸式溢洪道位于大壩右側，進口為棱柱體平底槽，凈寬16.0m，槽底高程14.5m。

2.3 輸水洞

輸水洞位于大壩左側，型式為壩下埋管，洞身為鑄鐵管，洞徑0.3m閘閥控制。

3 工程存在的主要問題

1)在非常運用條件下，防滲體頂高程低于靜水位，不滿足防滲要求，壩頂高程均不滿足規范要求。

2)大壩迎水坡護坡石有的風化嚴重，局部脫落、沉陷不平整。背水坡無護坡。

3)溢洪道右側無擋土墻，消力池漏水嚴重，尾水渠底板已破壞[1]。

4)輸水洞閘閥、輸水洞管理房已不能使用，輸水洞出水渠道在壩腳，嚴重威脅大壩安全。

5)缺少大壩觀測設施。

6)上壩公路在溢洪道進水口處中斷，但是上壩公路作為庫區里青龍山旅游區交通公路的一部分，如遇汛期，交通會受一定影響[2]。

4 水庫病險情況復核

4.1 大壩工程復核

根據《碾壓式土石壩設計規范》確定計算公式：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y為 壩頂超高，m；R為最大波浪在壩坡上的爬高，m；e為最大風壅水面高度，m；A為安全加高，m。

1)本次壩頂超高復核風浪要素的計算采用莆田試驗站公式。

a)平均波高hm計算：

(2)

式中：g為重力加速度，g=9.81m/s2；Hm為水域平均水深，m；D為由計算點逆風向量到對岸的距離，m；W為設計洪水位取1.5倍的多年平均年最大風速，27m/s，校核洪水位取多年平均年最大風速，18m/s。

b)平均波長Lm按公式計算如下：

(3)

式中：Tm為 平均波周期，按公式Tm=4.438hm0.5計算；H為水域平均水深。

c)波浪爬高Rp計算

平均爬高：

(4)

式中：K△為斜坡的糙率滲透性系數，護面類型為砌石護坡，K△=0.78；KW為經驗系數；m為坡坡率；hm為坡前波浪的平均波高；Kβ為斜向來波折減系數，其中：風向與壩軸線法線夾角β=40°；Lm為壩前波浪的波長，m。

按照《碾壓土石壩設計規范》的規定進行波浪爬高累積頻率換算，該工程為5級建筑物，確定Rp累積頻率P=5%。

2)風壅水面高度e計算

(5)

式中：K為綜合摩阻系數，K=3.6×10-6；β為計算風向與壩軸線法線的夾角，取β=40°；W為水面上10m處的風速，本工程取為18m/s；D為從計算點作水域中線(或壩軸中線)的平行線與對岸的交點到計算點的距離，m；H為水域的平均水深，m。

3)安全加高A：

根據《碾壓式土石壩設計規范》，正常運用條件時A=0.5m，非常運用條件時，A=0.3m。

4)地震涌浪高：

地震區的安全高應增加地震沉降和涌浪高度，按《水工建筑物抗震設計規范》的規定，根據設計烈度和壩前水深，取地震涌浪高度為0.5-1.5m。在設計烈度為8、9度時，安全超高應計入壩和地基在地震作用下的附加沉陷[3]。

本工程設計烈度7度，地震涌浪高度取為1.0m，不計地震附加沉陷。

5)壩頂超高計算成果：

根據以上所列公式和計算參數，對大壩進行計算，取其最大值控制壩頂超高。計算結果見表1。

表1 壩頂超高計算成果表

6)壩頂高程計算：

計算結果見表2。

表2 太平溝水庫壩頂高程計算成果表

由表中可以看出，在非常運用條件下，防滲體頂高程低于校核洪水位，不滿足防滲要求，壩頂高程也不滿足規范要求。

4.2 溢洪道工程復核

4.2.1 陡槽計算

4.2.1.1 陡槽水力計算

1)計算方法：

根據《溢洪道設計規范》，陡槽水面線應根據能量方程，用分段求和法計算，計算公式如下：

據能量方程，用分段求和法計算，計算公式如下：

(6)

(7)

2)起始計算斷面位置及其水深h1按陡槽上游段形式選取：

太平溝水庫陡槽上游與棱柱體平底槽銜接，起始計算斷面定在陡槽首部，水深h1取用陡槽首端斷面計算的臨界水深hk。

(8)

不同頻率陡槽起點臨界水深hk計算結果見表3。

表3 陡槽起點臨界水深hk計算結果表

3)摻氣后水深計算：

公式如下：

(9)

式中：h、hb為陡槽計算斷面的水深及摻氣后的水深，m；v為不摻氣情況下陡槽計算斷面的流速，m/s；ζ為修正系數，可取1.01.4，取大值1.4。

水面線推求及摻氣后水深計算成果見表4。

4.2.1.2 陡槽邊墻高度計算

陡槽段邊墻高度計算標準為200a一遇，為計入摻氣后的水面線，再加上0.5m的超高。陡槽段邊墻高度計算成果見表5。

利用腦卒中神經功能缺損程度進行效果分析,分為顯效、有效、無效三個等級,顯效是指患者治療后的功能缺損分值減少超過90%。有效是指患者治療后神經功能缺損分值減少超過50%,未達到90%。無效是指患者治療后分值減少情況低于50%[3]。

表4 陡槽(0+066-0+129.5)水面線推求成果

表5 陡槽段邊墻墻頂高度計算成果表

由以上計算可知，溢洪道左側邊墻高度滿足擋水要求。

4.2.2 消能工計算

4.2.2.1 尾水渠設計及壩下水位-流量關系曲線

由于河道內多年干旱，大壩下游河道部分被占用，為了保證大壩汛期泄水順暢，消力池下游接尾水渠[4]。尾水渠設計標準為10a一遇，按明渠均勻流公式推求，各設計參數見表6。

經計算，尾水渠10a一遇設計水深為0.47m。

4.2.2.2 消力池計算

現狀水庫溢洪道下游設有消能措施，本次消力池計算采用10a一遇洪水標準。

消力池計算采用《溢洪道設計規范》(SL253-2000)中等寬矩形斷面消力池相應公式：

1)自由水躍共軛水深h2按下列公式計算：

(10)

式中：Fr1為收縮斷面弗勞德數；h1為收縮斷面水深，m；v1為收縮斷面流速，m/s。

2)水躍長度L 按下式計算：

L=6.9(h2-h1)

(11)

3)等寬矩形斷面下挖式消力池池深、池長按下列公式計算：

(12)

式中：d為池深，m；σ為水躍淹沒度，取σ=1.05；h2為池中發生臨界水躍時的躍后水深，m；h1為消力池出口下游水深，m；△Z為消力池尾部出口水面跌落，m；Q為流量，m3/s；b為消力池寬度，m；φ為消力池出口段流速系數，取0.95；L自由水躍的長度，m。

經計算太平溝水庫下游消力池計算參數及成果見表7。

表6 下游標準尾水渠設計成果表

表7 消力池計算參數及成果表

結論：現狀消力池池長、池深均滿足規范要求。

4.2.3 溢洪道邊墻穩定復核

太平溝水庫無施工資料，現狀左側邊墻經現場檢查，沒有斷裂傾斜現象，故認為邊墻是穩定的。右側無邊墻，需要重新砌筑邊墻[5]。

4.3 輸水洞復核

1)輸水洞輸水能力計算：

(13)

輸水洞布置在大壩左側埋鑄鐵管，直徑300mm，管道長45m，管底進口高程8.0m，管底出口高程7.7m。出口設管理房，內設閘閥控制流量。

按有壓流隧洞泄流計算公式：

(14)

(15)

式中：μ為流量系數；ω為洞出口斷面面積；H為管路出口斷面中心與上游水面的高差；λ為沿程阻力系數；d為隧洞直徑；ζ為隧洞的局部能量損失系數；l為隧洞的長度，l=45m。

∑ζi=進口0.5+出口0.81+閥門0.05=1.36

輸水洞水位-泄量關系曲線見表8。

表8 輸水洞水位—泄量關系曲線表

2)輸水洞結構計算：輸水洞下游消力池完好，現狀沒有破壞現象，滿足正常輸水消能防沖要求，但輸水洞出口排水渠道緊靠壩腳，給大壩安全帶來隱患，需更改出水線路。閘閥有漏水現象，需更換。輸水洞管理房已不能正常運用，需重建。

5 結 語

太平溝水庫總庫容37.94萬m3，本設計主要從大壩主體、溢洪道及輸水洞三方面著手,通過對大壩主體的滲流和壩體穩定的復核完成了對水庫的除險加固的設計。該設計目標明確、經過計算, 滿足規范要求。

[1]秦立雁,楊革,孫維.芻議黑龍江省水庫病險成因分析與對策[J].黑龍江水利科技，2010(01)：67-68.

[2]劉金巖.慶豐水庫大壩除險加固研究[J].大連理工大學，2012 (S1)：101-102.

[3]姚小豐,胡長江.水庫大壩除險加固工程設計探究[J].河南水利與南水北調，2013(02)：39-40.

[4]姚小豐,胡長江.黃泥田水庫洪水復核方法分析[J].黑龍江水利科技，2013(08)：16-18.

[4]黃立華,李鈞,清水河水庫大壩安全分析[J].趙燕.中國農村水利水電，2011(08)：27-29.