淺談小型水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)
——以王三水庫為例

謝嘉文

(江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 江門 529000)

1 王三水庫基本概況

王三水庫位于江門市臺(tái)山市境內(nèi)，該水庫上游有老營底水庫，下游有坂潭水庫,水庫集雨面積14.38 km2，干流河長6.2 km，河道比降0.0313。水庫始建于1976年，大壩溢流段頂高程為136.00m，大壩非溢流段頂高程為138.00 m，正常水位136.00 m，相應(yīng)正常庫容290×104m3。設(shè)計(jì)洪水位(P=3.33%)137.61 m，相應(yīng)庫容337×104m3，校核洪水位(P=0.2%)138.26 m，相應(yīng)庫容357×104m3。是一座以防洪、灌溉為主，供水、發(fā)電綜合利用的小(1)型水庫。

經(jīng)安全鑒定，王三水庫大壩評(píng)定為三類壩，屬于病險(xiǎn)水庫，迫切需要進(jìn)行除險(xiǎn)加固。如何做好水庫除險(xiǎn)加固的前期工作十分重要，尤其是前期水庫加固的勘察設(shè)計(jì)工作，勘察設(shè)計(jì)的深度關(guān)系到日后施工和運(yùn)行維護(hù)的工作。為此，對(duì)水庫除險(xiǎn)加固必須選取合理的設(shè)計(jì)方案，以確保水庫日后安全有效運(yùn)行。

2 王三水庫水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

本工程根據(jù)水庫實(shí)際情況，根據(jù)相關(guān)復(fù)核計(jì)算，得出結(jié)論，提出相應(yīng)的除險(xiǎn)加固措施。

2.1 大壩壩頂高程復(fù)核

壩體高度復(fù)核計(jì)算兩種情況，即設(shè)計(jì)情況和校核情況，本工程地處臺(tái)山境內(nèi)，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，無需計(jì)算地震工況。

(1)計(jì)算參數(shù)根據(jù)臺(tái)山氣象站1961—2007年各年最大風(fēng)速統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算得多年平均年最大風(fēng)速為14.6 m/s。計(jì)算波浪要素所用的設(shè)計(jì)風(fēng)速的取值：正常運(yùn)用情況下，采用多年平均年最大風(fēng)速的1.5倍，即21.9 m/s；對(duì)于非常運(yùn)用條件下，采用多年平均年最大風(fēng)速14.6 m/s。本次鑒定通過萬分一圖測得庫區(qū)風(fēng)區(qū)長度吹程為150 m。

根據(jù)水文復(fù)核計(jì)算的現(xiàn)狀條件下的特征水位和計(jì)算的壩頂超高，確定壩頂高程，并與現(xiàn)狀壩頂高程比較。計(jì)算情況：(1)正常蓄水位加正常運(yùn)用情況的壩頂超高；(2)校核洪水位加非常運(yùn)用情況的壩頂超高。

依據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 282—2018),計(jì)算壩頂上游防浪墻頂高程與水庫正常蓄水位或校核洪水位的高差，現(xiàn)狀大壩波浪計(jì)算成果見表1。

表1 現(xiàn)狀大壩壩頂高程計(jì)算成果表

由以上計(jì)算可知，壩頂防浪墻頂計(jì)算高程為138.87 m。實(shí)測大壩溢流壩段壩頂高程為138.00 m，壩頂未設(shè)防浪墻，而大壩校核洪水位為138.26 m(P=0.2%)時(shí)要求壩頂高程138.87 m，故現(xiàn)狀非溢流壩段壩頂高程不滿足規(guī)范要求。

2.2 消能復(fù)核

2.2.1 下游水深計(jì)算

水庫溢流堰溢洪后，水流進(jìn)入大壩下游河床。應(yīng)進(jìn)行過流能力復(fù)核，保證下泄的洪水能盡快流走。

選擇最大下泄流量進(jìn)行計(jì)算，最大下泄流量為Q=449.8 m3/s(P=0.2%)。下游河床為天然河道，近似為梯形斷面，底寬11 m，兩岸邊坡1∶0.5，河道縱坡i=0.0311，本河屬于山區(qū)河流，河道亂石較多，根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253—2018)糙率n=0.035，采用理正工程水力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。從計(jì)算成果看，下游水深3.77 m?，F(xiàn)狀下游河床底高程116.00 m，最大下泄流量情況時(shí)下游水面高程119.77 m，挑流鼻坎高程124.26 m，滿足要求。下游河道流速9.3 m/s，溢流段下游沖刷坑出露弱風(fēng)化～微風(fēng)化花崗巖，其抗沖流速為15.0 m/s以上，滿足要求。

2.2.2 堰頂溢流水深計(jì)算

王三水庫大壩為混凝土埋石拱壩，壩頂溢流段為實(shí)用堰，無閘門控制，堰頂高程136.0 m，溢流堰頂凈寬60 m。

根據(jù)溢流壩30年一遇設(shè)計(jì)流量為Q=271.1 m3/s；500年一遇校核流量為Q=449.8 m3/s。消能防沖建筑物按20年一遇設(shè)計(jì)，洪水流量為Q=246.80 m3/s。按曲線型實(shí)用堰，分別計(jì)算溢流水深。計(jì)算結(jié)果見表2。

查規(guī)范SL 253—2018，邊墻高程不低于校核水位加安全超高值，安全超高值取0.3 m，則現(xiàn)狀條件下設(shè)計(jì)溢流堰邊墻頂高程=溢流堰頂高程+溢流水深+安全超高=136.00+2.26+0.3=138.56 m。現(xiàn)狀邊墻頂高程為138.00 m，現(xiàn)狀邊墻高不滿足規(guī)范要求。溢流段兩側(cè)無導(dǎo)墻，水流條件差，且下泄水流易對(duì)兩側(cè)岸坡進(jìn)行沖刷。

表2 王三水庫拱壩溢流水深計(jì)算

2.2.3 消能復(fù)核

王三水庫溢流堰下游采用挑流消能。按《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2000)規(guī)定，該水庫溢洪道下游消能防沖的洪水標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇(P=5%)洪水設(shè)計(jì)。20年一遇下泄流量為246.80 m3/s，20年一遇溢流水深為1.51 m，單寬流量q=4.11 m3/(s·m)。下游河道頂高程為116.0 m，鼻坎頂高程為124.30 m,堰上水位為137.51 m(P=5%)。采用《水利水電工程設(shè)計(jì)程序集V3.0》(pc1500)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果為：挑流射程Ld=18.6 m，沖刷坑深度ds=2.05 m，i=ds/Ld=0.11。由于i=0.11<0.25，滿足要求。

2.3 大壩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計(jì)算

2.3.1 計(jì)算參數(shù)及控制指標(biāo)

壩體材料為細(xì)石混凝土砌石結(jié)構(gòu)，容重22.2 kN/m3，彈性模量1.0×104MPa，泊松比0.26，線膨脹系數(shù)4×10-6/℃。

應(yīng)力控制指標(biāo)按照規(guī)范SL 282—2018執(zhí)行，見表3。

表3 拱壩允許應(yīng)力表

2.3.2 應(yīng)力計(jì)算

(1)計(jì)算方法及荷載組合

拱壩應(yīng)力按純拱法計(jì)算。計(jì)算初擬采用9層拱圈。荷載組合情況分基本組合及特殊組合兩類。①基本組合為：正常蓄水位+設(shè)計(jì)正常溫降+自重+淤沙壓力+浪壓力。②特殊組合為：校核洪水位+設(shè)計(jì)正常溫升+自重+淤沙壓力+浪壓力。工程所在區(qū)域抗震設(shè)防烈度為6度，故不作抗震計(jì)算。

(2)計(jì)算斷面選擇

大壩溢流壩段壩頂高程136.00 m，非溢流壩段壩頂高程138.00 m，現(xiàn)狀條件下，水庫正常蓄水位為136.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為137.61 m(P=3.33%)，校核洪水位為138.26 m(P=0.2%)。校核洪水位稍微大于壩頂高程，進(jìn)行安全復(fù)核計(jì)算，水位取與壩頂齊平，為138.00 m。

采用水利水電工程設(shè)計(jì)計(jì)算程序集(PC1500)計(jì)算，計(jì)算成果見表4。

表4 現(xiàn)狀拱壩138.00 m應(yīng)力計(jì)算成果表

根據(jù)以上應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，大壩最大應(yīng)力計(jì)算見表5。

表5 現(xiàn)狀拱壩應(yīng)力計(jì)算最大應(yīng)力成果表

大壩在基本荷載組合下，最大拉應(yīng)力為1.13 MPa，小于規(guī)范要求的1.20 MPa，最大壓應(yīng)力為2.73 MPa，小于允許值4.8 MPa；大壩在特殊荷載組合下最大拉應(yīng)力為1.20 MPa，小于規(guī)范要求的1.50 MPa，最大壓應(yīng)力3.32 MPa，小于允許值5.70 MPa。

2.4 大壩壩肩穩(wěn)定分析

左壩肩山體雄厚，透水性弱，壩肩穩(wěn)定性和滲漏穩(wěn)定性均較好。右壩肩小山體相對(duì)低矮，淺表巖體稍破碎，但碎裂巖體厚度較小。根據(jù)現(xiàn)場鉆探及地質(zhì)測繪資料，左、右壩肩山體出露弱～微風(fēng)化巖，巖體節(jié)理閉合，傾角陡，主要節(jié)理面多傾向上游，不存在緩傾結(jié)構(gòu)面。從現(xiàn)場看未發(fā)現(xiàn)壩肩山體有穩(wěn)定問題，壩肩山體穩(wěn)定。但左壩肩拱端位置相對(duì)凹入，拱壩拱端未延伸入壩肩山體的巖石層，對(duì)壩體整體安全帶來隱患。

2.5 大壩存在的安全隱患和除險(xiǎn)加固措施

2.5.1 大壩存在的安全隱患

根據(jù)現(xiàn)場勘查以及復(fù)核計(jì)算結(jié)果，王三水庫大壩主要存在以下問題：

(1)壩頂高度不滿足防洪要求。

(2)壩體上部較單薄，壩身發(fā)現(xiàn)滲漏，壩體溢流段兩側(cè)無導(dǎo)墻。

(3)左岸拱端未延伸入壩肩山體巖石層。

(4)左壩肩表層土受山洪沖刷，形成一道沖溝。

(5)大壩下游無上下壩步級(jí)。

(6)壩體無安全監(jiān)測設(shè)施。

2.5.2大壩除險(xiǎn)加固措施

(1)壩體加固

大壩目前有滲漏現(xiàn)象，壩體長期滲水會(huì)引起壩體鈣質(zhì)流失，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低。因此在壩體上游側(cè)增設(shè)C25混凝土防滲面板。另外現(xiàn)狀壩體上部較為單薄，非溢流堰段壩134.0～138.0 m高程壩身厚度僅有1.3 m，在結(jié)構(gòu)上不夠合理、安全，也不方便管理人員上壩觀察。

綜合考慮各種需求，C25混凝土防滲面板壩頂處加寬厚度為1.0 m，面板外坡1∶0.05，放坡至壩底114.00 m處混凝土面板厚1.5 m。

壩體加固基礎(chǔ)部分應(yīng)開挖至弱風(fēng)化層中部，且不得高于現(xiàn)狀壩體基礎(chǔ)高程。加厚部分混凝土抗?jié)B等級(jí)采用W6。

本次加固新增防滲面板后增設(shè)一排垂直導(dǎo)滲排水，沿壩縱向每4m間距設(shè)一條φ150 mm導(dǎo)滲排水管，排水管采用多孔PVC管。管頂高程至135.50 m(正常水位以下0.5 m)高程，各導(dǎo)滲排水管底部按兩壩肩地形及建基面位置布置φ250 mm縱向PVC管一道，將各垂直導(dǎo)滲排水管連接起來，把混凝土面板滲水最后從現(xiàn)狀放水涵管導(dǎo)出(放水涵管進(jìn)口底高程121.50 m)，有利于壩體的穩(wěn)定。

在澆筑新混凝土面板前，先將現(xiàn)狀壩體表面鑿毛，布置錨筋，間距、排距均為1.5 m，梅花型排列，錨固長度為40 d，再安裝鋼筋網(wǎng)，最后澆筑C25新混凝土面板，使新澆筑混凝土防滲面板與原壩面緊密結(jié)合。為了防止溫度變形而產(chǎn)生裂縫，防滲面板設(shè)伸縮縫。按規(guī)范要求，伸縮縫的間距采用為15 m，縫寬2 cm，內(nèi)填瀝青砂板，布設(shè)紫銅片止水。紫銅片厚1.2 mm，寬20 cm。

現(xiàn)狀拱壩左岸拱端未延伸入壩肩山體巖石層，采用C25混凝土接長壩身延伸至壩肩山體弱風(fēng)化層中部以下。接長部分壩段長11 m，頂寬5.0 m。

(2)壩頂構(gòu)造

拱壩非溢流段將現(xiàn)狀壩頂高程鑿除至137.00 m，然后采用C25混凝土加高至138.00 m，壩頂設(shè)鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻高0.90 m，厚0.25 m，墻頂高程138.90 m。為方便管理，壩頂內(nèi)側(cè)設(shè)置不銹鋼欄桿。

(3)壩體溢流堰

壩頂溢流壩段兩側(cè)導(dǎo)墻高程增高至138.90 m，溢流壩段兩側(cè)增設(shè)C25混凝土導(dǎo)墻，墻高1.0 m，厚0.4 m。

(4)左壩肩沖溝

左壩肩沖溝處增設(shè)M7.5漿砌石擋土墻，擋墻為重力式擋墻，總長13.5 m，墻高8.8 m，墻頂高程138.00 m，墻底高程129.20 m，墻前坡比1∶0.3，墻后坡比1∶0.2。擋墻后填土至138.00 m，并采用C20混凝土護(hù)面，墻前采用C20混凝土護(hù)面。墻體設(shè)置φ75PVC排水管，間距2 m，管后設(shè)反濾體，墻頂設(shè)置不銹鋼欄桿。左壩肩處平臺(tái)緊靠著山體，因此在山腳處修建混凝土排水溝，收集雨水排走。

(5)背水側(cè)下壩臺(tái)階

為方便管理以及觀測，在左壩肩新建擋墻處設(shè)置C20混凝土步級(jí)一直至壩底，步級(jí)寬1.2 m，坡比1∶2.0，部分區(qū)域坡比、走向根據(jù)實(shí)際地形進(jìn)行調(diào)整。局部地區(qū)采用M7.5漿砌石找平后再鋪設(shè)臺(tái)階。

(6)觀測設(shè)施設(shè)計(jì)

大壩目前無沉降、位移觀測標(biāo)點(diǎn)，在壩頂每隔30 m設(shè)置兩個(gè)沉降位移觀測標(biāo)點(diǎn)，一共14個(gè)觀測標(biāo)點(diǎn)，左壩肩新建擋土墻設(shè)置2個(gè)觀測標(biāo)點(diǎn)。在壩體左側(cè)位置設(shè)置1條水位尺，定期采用人工觀測，并做好測量記錄。

3 結(jié) 語

王三水庫作為臺(tái)山市重點(diǎn)扶持的水利工程，不僅為下游灌區(qū)333 hm2耕地提供灌溉水源，為當(dāng)?shù)?8萬人口提供生活用水與生產(chǎn)用水，同時(shí)，也在抵御防洪中發(fā)揮了重要的作用。為此，水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)對(duì)查清水庫所存在的病險(xiǎn)問題尤為重要，不僅能讓設(shè)計(jì)人員根據(jù)存在的問題，有針對(duì)性的制定合理的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案，還能有效提高水庫的防御洪水災(zāi)害能力，使工程正常運(yùn)行發(fā)揮灌溉、防洪、供水等綜合效益，進(jìn)而保障庫區(qū)及下游灌區(qū)的人民生命財(cái)產(chǎn)安全。