水庫除險加固放水洞的設計探究

王鍵 費縣石嵐水庫服務所

1.工程概況

某水庫位于山東省臨沂市，屬淮河水系沭河一級支流潯河中下游的一座大（2）型水庫控制流域面積431平方公里。水庫防洪標準為10000年一遇，100年一遇設計，死水位108.4m，興利水位127.0m，汛期限制水位125.30m，設計洪水位為128.25m，校核洪水位為131.79m。死庫容為0.0114億m3，興利庫容為1.6955億m3，調洪庫容1.5182億m3，總庫容為2.9048億m3。設計灌溉面積30.44萬畝，有效灌溉面積16.2萬畝。

水庫放水洞屬于水工隧洞，其功能作用主要是：1.配合溢洪道宣泄洪水，有的放水洞設計會作為主要泄洪建筑物使用。2.可以用來引水發電、灌溉、供水、航運和生態輸水等。3.可以有效排放水庫中的泥沙，延長水庫的使用壽命。4.在水庫放空狀態下可以用來檢修建筑物。5.在某些水利樞紐施工期間可以用作導流。一般的放水洞都是由進口段、洞身段和出口段三部分組成。

2.放水洞存在的問題

水庫修建于1959年7月，距今已有60年的時間，水庫老化嚴重，暴露出很多安全隱患的問題，放水洞作為水庫的一部分其存在以下問題：

（1）放水洞的進口段、斜坡段由于經過長時間的放水過程，其洞口石塊受到撞擊破壞，激流沖刷，混凝土保護層早已受到不同程度的破損，鋼筋長期裸露在外，銹蝕非常嚴重，混凝土表面出現嚴重的坑洼。閘墩混凝土部分老損碳化、剝落情況嚴重，直接影響著整體結構的安全。

（2）隧洞的洞身圍巖裂隙情況嚴重，局部位置已經破碎；洞身的混凝土襯管產生很大的裂縫，且漏水點位很多。當水庫水位較高時，滲水會沿著圍巖的裂隙、襯管的裂縫及襯管與圍巖之間的空隙流出；當放水洞放水時，滲水會通過漏水點滲漏進洞內。

從上述問題可以看出放水洞的重建以及勢在必行。

3.放水洞的布置原則及重建的設計

3.1 放水洞的總體布置原則

水庫的放水洞一般布置在兩岸的一側，這樣便于施工和運行。首先要在選定合理方案的基礎上，根據地形、地質及水流條件，選定好進口的位置及進口的結構型式，并確定閘門的位置。還要根據地形這幾個條件選好出口位置及消能形式。最后確定好放水洞洞身的斷面形狀和尺寸。

3.2 放水洞重建設計

（1）重建加固放水洞的設計：進水口采用喇叭口，上游引水涵尺寸采用1.5×1.8m矩形箱涵；控制段為圓筒式豎井結構，上部設啟閉機房及檢修平臺，其由引橋與壩頂相接；輸水涵洞斷面尺寸采用1.2×1.8m矩形箱涵，出水口與城鎮供水、電廠供水管相接。工作閘門采用1扇1.2×1.8m潛孔輪式平面鋼閘門，采用1臺QP-2000KN卷揚式啟閉機啟閉。檢修閘門采用1扇1.2×1.8m潛孔平面滑動式鋼閘門，采用1臺MD1-10T電動環鏈葫蘆啟閉。放水洞進口設一扇尺寸為2.0×3.5m攔污柵。出口設2個DN900、1個DN1000電動蝶閥。壩體回填采用粘土心墻砂殼壩，粘土心墻頂寬5.0m，上下游坡比1:1，粘土心墻中心線位于壩頂中心線上游2.5m處，上下游壩坡采用原砂殼料回填。

（2）該工程的工程量為：土方開挖105387.99m3，石方開挖467.56 m3，土方回填壓實103506.95m3，水泥漿砌石拆除2401.45 m3，混凝土澆筑1758.95 m3，鋼筋制安99.36t，漿砌石55.28m3，水泥土回填1004.85m3，房屋建筑111.485m2及相關的金屬結構和電氣設備安裝工程。

（3）其施工方法是：土石方開挖及回填、鋼筋制作安裝、混凝土澆筑、漿砌石、金屬結構及電氣設備安裝等。

（4）設計計算

①過流能力的計算，根據相關規范的要求分為有壓力流和無壓力流兩種，分別采用公式1、公式2進行過流能力計算。

②消能計算：放水洞采用的是底流消能它包括消力池深度計算、消力池長度計算、海漫長度計算三部分。

a.消力池的深度計算

第一、收縮水深可按公式3計算：

第二、躍后水深可按公式4 計算：

第三、出池落差按公式5計算：

第四、消力池的深度是按公式6計算：

b.消力池長度按公式7計算：

c.海漫長度按公式8計算：

③滲流穩定的計算：包括地基有效深度計算、分段阻力系數計算、各分段水頭損失值計算、進出口段修正后的水頭損失值計算及出口段滲流坡降值計算。

第一、地基有效深度按公式9計算：

第二、阻力系數的分段計算：

進、出口段、內部垂直段及水平段的按公式10、11、12計算：

第三、水頭損失值的分段計算按公式13計算：

第四、進、出口段修正后的水頭損失值按公式14計算：

第五、出口段滲流坡降值按公式15計算：

④放水洞的穩定計算：包括抗滑穩定計算、抗浮穩定計算、擋土墻的抗傾覆穩定安全系數計算。

第一、抗滑穩定計算按公式16計算

第二、抗浮穩定計算按公式17計算

第三、擋土墻的抗傾覆穩定安全系數按公式18計算：

通過上述的計算，若均滿足設計規范要求，則該重建設計合格。

4.放水洞的施工工藝

4.1 土方開挖及回填

土石方開挖采用挖掘機開挖，自卸車運輸，開挖土方堆放于臨時棄土區。回填黏土心墻土料采用天湖村料場土料，砂殼料利用原開挖料，高程117.73以上砂殼料采用二級壩附近開挖料。使用挖掘機開挖之后，采用推土機對場地進行整平，并且振動碾壓；靠近建筑物的部分人工整平，蛙式打夯機補充。

4.2 鋼筋混凝土工程

混凝土采用現場拌和站集中拌制，混凝土罐車運輸，混凝土輸送泵或吊車入倉。入倉后采用插入振搗器振搗，以覆蓋毛氈布養護為主。鋼筋在加工廠集中加工，現場人工綁扎。模板主要采用竹膠板，特殊部位部分采用木模板。

（1）模板工程：包括：模板方案的選用：模板主要采用竹膠板，特殊部位采用木模板。材料：工程使用的竹膠板，保證模板的鋼度要求，接縫嚴密。模板安裝：在模板安裝之前，必須進行模板安裝線的測量放羊，并設置好用于檢測的控制線，便于進行校驗糾正。另外，澆筑腳手架嚴禁與模板系統相連接，以防模板產生變形。模板清洗和涂料：模板在每次使用前清洗干凈，并涂刷脫模劑，以拆模方便，保證混凝土及鋼筋混凝土的質量。模板拆除：混凝土滿足規定才拆除模板。

（2）鋼筋工程：本工程鋼筋在鋼筋加工場集中加工，現場綁扎成型。投入鋼筋切斷機及彎曲機各2臺，交流電焊機4臺。

（3）混凝土工程：包括原材料的選擇（水泥、水、砂、粗骨料、外加劑）；

配合比的設計；混凝土拌合；混凝土的運輸；混凝土澆筑。

（4）混凝土的養護：放水洞加固工程混凝土養護用草苫覆蓋，灑水養護，保持混凝土表面濕潤。冬季混凝土終凝后，先用薄膜覆蓋嚴密，然后在薄膜上面覆蓋毛氈布、塑料布等。外面搭設保溫棚架，在棚內放置火爐，以保證棚內溫度。專人進行測溫，對保溫棚內溫度進行觀測，低于5℃時立即加設火爐，確保混凝土養護溫度正常。

4.3 漿砌石工程

漿砌石工程主要為進口段擋墻，砂漿采用攪拌機拌和，按照試驗室出具的砂漿配合比進行拌和。塊石原材料質地堅硬，砂漿砌筑飽滿、均勻，符合設計及規范要求。采用草苫覆蓋，灑水養護，保持漿砌石表面濕潤。

5.結語

放水洞重建工程是水庫的除險加固工程中的重要組成部分。需要通過合理的設計及施工來保證工程質量。水庫進行除險加固工程后，能夠提高水庫的水資源調控能力，完善防洪體系。目前該工程已經順利完成并投入使用，經過了幾個汛期的考驗。該水庫的放水洞各項基本條件良好，運行正常。