中山市長江水庫溢洪道結構安全評價

蘇藝明

（中山市水庫水電工程管理中心，廣東 中山 528400）

溢洪道作為水庫泄洪建筑的重要組成部分，在洪水防御方面起重要作用，其主要作用在于及時容納常規庫容難以容納的多余洪水，以保證大壩的整體安全，結構主要以開敞式為主[1]。溢洪道的工作概率較小，但仍是水庫防洪建筑中最關鍵的建筑物之一。根據泄洪標準對其進行劃分，可分為正常與非常溢洪道，兩者分別起宣泄常規洪水與宣泄非常洪水的作用[2]。按照建設位置的不同，又可具體劃分為岸邊溢洪道與河床溢洪道等[3]。中山市長江水庫溢洪道初建時間久遠，距今已有40余年，其建筑本身的結構安全性有可能受到影響。基于此，該文提出了一種對中山市長江水庫溢洪道進行結構安全評價的方法。

1 中山市長江水庫溢洪道工程概況

1.1 整體建筑情況

該溢洪道最初建于1978年，主要按照100年遇到一次洪水設計，1000年一遇洪水校核標準進行建設，主要為敞開式建筑。該工程為中型水庫，工程等級Ⅲ等，溢洪道為主要建筑物，建筑物級別為 3級。該工程主要的施工地基為原山石土，密度較好，石質堅硬且全部以挖方的形式進行施工建設。溢洪道整體為喇叭口狀進行設計，使其起到匯水與導流的作用，并以直立式漿砌石擋土墻進加固。陡坡處使用0.5m厚度的漿砌石進行堆砌，混凝土護面為170號，厚度約為200mm，在堆砌底板處每間隔10m左右便設置一道反濾溝（橫向），從而達到減少滲透壓力的作用；邊墻處主要使用50號漿砌石進行堆砌，消力池底板板面建材厚度為600mm；海漫由50號漿砌石堆砌，整體厚度約為500mm，在海漫尾端設置齒墻。該建筑由于建筑年限距今已有40余年，受到風力侵蝕、溫差變化以及水力沖刷等的影響導致其建筑穩定性受到影響，并且該建筑已進行多次洪水的宣泄作業，其溢洪道的正常作業能力受到了一定影響，同時，由于受到地面沉降的影響，溢洪道邊墻的高度與整體的結構安全性與穩定性有待考核。整體上，該建筑的溢洪道存在一定的安全隱患，需要對其進行系統性的安全性校驗。

1.2 工程現狀與存在問題

泄槽邊墻處以及進口的翼墻處有多條明顯裂縫，初步檢測可能由于翼墻處的混凝土結構過于松散導致。由于溢洪道運行時間久遠，周邊的漿砌石結構不緊密，導致泄槽邊墻處以及進口的翼墻出現幾處明顯裂縫，上述裂縫的走向主要為由東至西且存在裂縫面積逐漸增加的趨勢，在外力作用的影響下，未來有可能對該溢洪道邊墻的結構穩定性產生影響。具體的，有3條較寬的裂縫位于溢洪道的右端側翼墻處，總體寬度在2 mm～5 mm，長度整體達到3.4m；有1條較細裂縫位于溢洪道的流面處，寬度約為2mm，總長為19.6m。同時，有一處非連通式豎向裂縫，其長度小于1 m，寬度為2mm左右。其形成原因是周邊的漿砌石結構不緊密導致。在溢洪道的入口段存在幾處走向為由東至西的裂縫，該裂縫在雨季對入口段溢洪道的洪水匯集能力產生了影響，并且導致洪水滲漏，使周邊建筑的穩定性受到了影響。控制段由于其混凝土密度較入口段更高，所以此處出現的顯性裂縫較少，整體上不存在較嚴重的建筑安全問題，而溢洪道的出口段由于長期受到來自控制段所排入洪水的沖刷，導致周圍出現多處由于水力侵蝕而造成的裂縫，降低了出口段的排水能力。

泄槽的邊墻處經檢查還存在多處裂縫的修補痕跡。其原始裂縫主要為由晝夜、季節溫差導致的收縮式裂縫，對整體溢洪道結構的影響程度不大。在該道的進口處其混凝土護坦方有一處明顯裂痕，裂痕長約5m，寬約1mm，其主要產生原因可能是地面沉降，裂縫存在面積逐漸增加的趨勢。此外，由于地面沉降作用，導致泄槽處的地面存在凹凸不平的現象，并且部分凹面存在較多積水，在雨季時，積水現象更加嚴重，對泄槽部分的排水能力產生影響。

2 溢洪道結構安全評價過程

水庫溢洪道是一個復雜的建筑系統，由多個具有不同功能的建筑物構成，因此對溢洪道的結構安全進行評價時，要著重對關鍵部位的安全情況進行檢查。該文中，根據各部分建筑對溢洪道結構安全的影響程度以及泄洪能力的重要性，分別從溢洪道進口段邊墻高度復核、溢洪道控制段頂部高程復核、溢洪道泄槽段邊墻高度復核、溢洪道消能防沖計算、溢洪道邊墻結構與穩定復核共5個溢洪道關鍵建筑部位的復核結果對溢洪道的結構安全進行評價。

2.1 溢洪道進口段邊墻高度復核

溢洪道進口段是宣泄洪水的建筑基礎，在出現非常洪水時，其首先進入進口段，進口段的邊墻對洪水具有引導與順延作用，當高度不符合標準要求時，造成洪水溢出漫過邊墻，威脅大壩的安全運行。此外，在溢洪道進行排水作業時，入口段對洪水的匯聚能力是控制端與排出段溢洪道起作用的基礎，只有溢洪道入口段的邊墻符合高度要求時，才能保證溢洪道整體的正常作業能力。因此，對溢洪道進口段邊墻的高度進行測算與核驗是溢洪道結構安全評價的首要工程。本次研究，按照相關水文的核實結果，根據《溢洪道設計規范》（SL 250-2018）第3.2.5條標準規定，溢洪道的進口邊墻頂的總體高度應大于進行泄洪時的最高水位。經測定，溢洪道進口邊墻處的最低高度為30.53m，較進行泄洪時出現的最高水位29.67m顯著更高，因此，進口段邊墻的整體高度滿足相應的規范標準。

2.2 溢洪道控制段頂部高程復核

溢洪道控制段是對進口段所進入洪水進行引流與控制的主要建筑段。非常洪水在進行排放時，由入口段進入控制段進行匯流，在對洪水的流速、水壓進行控制后，引導其從出口段進行排出。控制端在溢洪道的3段結構中，其構造最復雜，起承上起下的作用，洪水進入控制端后，需要經過該段口的消力與混流作用，使入口段的水壓與水流符合溢洪道排水的作業標準。控制段的邊墻長度較進口段更長，以起到對洪水形成堰流作用，當溢洪道控制段的頂部高程與標準高程相差較遠時，會導致控制段對洪水的引流作用大幅度降低，洪水有可能溢出邊墻，威脅閘墩與周圍相關設施的正常運行。本次研究根據《溢洪道設計規范》（SL 250-2018）第3.3.9條規定，溢洪道的控制段其閘墩與周邊墻頂的高度應高于校核標準洪水位累加安全最大值的要求。本溢洪道在進行泄洪操作時的安全加高取0.3m，因此得到該道控制段邊墻的最小高度為30m，其符合校核洪水位累加安全最大值的要求。因此，溢洪道控制段頂部高程滿足規范要求。

2.3 溢洪道泄槽段邊墻高度復核

溢洪道泄槽段主要起排出洪水的作用，其主要工作機理是對控制段洪水形成的堰流進行宣泄，將其洪水宣泄至溢洪道消力池，若泄槽段的邊墻高度與標準不符合，則會導致控制段洪水漫過泄槽段邊墻，對下游建筑物進行沖刷。適當的邊墻高度不僅可以增強泄洪道對洪水的排放能力，還能保證在雨季溢洪道能夠穩定、持續進行泄洪作業。隨著建筑使用年限的增加，泄槽控制段的結構穩定性與排水能力受到影響，并且由于地面沉降作用對邊墻地基的影響，導致邊墻高度隨著建筑物作業年限的增加，其自身高度有所下降，并在有可能使原本符合建筑標準要求的邊墻高度低于規定標準值。基于此，對溢洪道泄槽段的邊墻高度進行復核。

泄槽段水流摻氣水深根據《溢洪道設計規范》（SL 250-2018）中相關公式計算，如公式（1）所示。

公式（1）中，h、hb代表泄槽計算斷面的水深及摻氣后的水深，單位為m；v代表不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速單位為m/s；?代表修正系數，取值為1.0s/m～1.4s/m，流速大者取大值。

溢洪道泄槽上游處與寬頂堰相連接，泄槽段開始所計算的斷面位置定在泄槽的首部，計算水深為h，取泄槽首部的斷面進行計算時的摻氣后水深為hb。下泄流量相較上泄流量而言，其總量更大，流速也更快，因此該工程在參考摻氣水深的前提下，對泄槽周邊墻體的高度進行復核時，在采用校核水位水面線的基礎上再增加0.5m～1.5m的預計安全超高，其具體計算方式如公式（2）所示。

公式（2）中，h代表不摻氣水深，單位為m；v代表斷面評價流速，單位為m/s。由此得到溢洪道泄槽段邊墻高度復核結果，如表1所示。

表1 溢洪道泄槽段邊墻高度復核結果（P=0.05）

結果顯示，各斷面現狀邊墻高度均顯著高于計算邊墻高度，其中，斷面9-9的現狀邊墻高度較計算邊墻高度高出4.06m，由此表明泄槽邊墻高度滿足要求。

2.4 溢洪道消能防沖計算

該溢洪道的消能防沖功能主要以底流消能為主，其是最常見的消能方式之一。主要原理是通過泄槽段將上游所宣泄的洪水在出口處產生水躍，使水流流態發生變化并使其能量耗散，水流之間產生強烈的紊動作用，使部分動能轉化為熱能，達到消減動能的目的，保障水庫大壩的安全運行。溢洪道在長期使用后，由于受到水力侵蝕與風蝕等外力作用，導致自身的建筑結構工作效能降低，消能沖防能力有所下降，進而影響溢洪道結構安全，并且溢洪道處的消能沖防能力在其整體作業過程中產生著至關重要的決定性作用。因此，對其進行消防沖能計算。

本次研究根據文件規范要求，將溢洪道的消能防沖設計依據30年遇到一次洪水的標準進行設計，按照100年遇到一次洪水的標準進行校驗。本次復核中其主要依據為溢洪道的消能工按底流消能，溢洪道30年遇到一次洪水的標準泄流量為25.24m3/s，100年遇到一次洪水的泄流量46.08m3/s。消力池的總體池深及總體長度的復核標準主要依據（《溢洪道設計規范》（SL 253-2018））計算。消力池的校核工況計算參數，如表2所示。

表2 校核工況（P=1%）消力池計算參數表

2.5 溢洪道邊墻結構與穩定復核

長江水庫溢洪道于1978 年由當時中山縣水電局設計并施工興建，采用 30cm 厚的漿砌石砌底，170#砼護面，厚20cm，陡坡邊墻為 50 號漿砌石筑砌而成。2006 年完工的長江水庫達標加固工程對陡槽重行進行砌護加固，原泄槽底板漿砌石全 部拆除，新建底板漿砌石厚 300mm，采用 C25 混凝土護面，厚 200mm，底板漿 砌石中埋入錨筋，掛鋼筋網；泄槽邊墻表面鑿毛、拉毛，清除松動浮塊，沖刷干 凈，采用C25 混凝土護面，厚 200mm，打孔植入錨筋，掛鋼筋網。本次安全鑒定工作溢洪道邊墻結構復核以能找到的設計圖紙、竣工圖紙、資料、現場測量和本次地勘成果為基礎進行。本次研究中對溢洪道邊墻結構進行復核所用到的材料具體有（1）《水工設計手冊》（第二版）；（2）《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2017）；（3）《水工建筑物抗震設計標準》（GB51247-2018）；（4）《溢洪道設計規范》（SL253-2018）； （5）《水工擋土墻設計規范》（SL379-2007） ；（6）《水工建筑物荷載設計規范（SL744-2016）；（7）《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）；（8）《中山市長江水庫達標加固施工圖》（2006年）；（9）《廣東省中山市長江水庫大壩安全鑒定項目工程地質勘察報告》（2020年）。

溢洪道為主要建筑物，建筑物級別為 3 級，根據《溢洪道設計規范（SL253-2018）》和《水工擋土墻設計規范（SL379-2007）》，確定穩定安全系數如表3所示。

表3 擋土墻安全系數

查《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），該工程地區地震動峰值 加速度為 0.10g，相應地震烈度為 7 度，根據《水工建筑物抗震設計標準》（GB51247-2018）規定。

溢洪道邊墻結構的穩定性是保證溢洪道進口段能夠正常工作的基礎，穩定的邊墻結構可以保證溢洪道在雨季持續作業時其泄洪能力不受影響。按照對泄洪產生的作用，主要有如下幾種典型斷面：（1）溢洪道入口處圓弧的最高側墻；（2）溢洪道陡坡段最高側墻；（3）陡坡段中間側墻；（4）消力池擋土墻。本次研究主要對上述4種典型斷面進行結構與穩定性校驗。

經現場復核，溢洪道處的進口段凈寬為10m，堰頂的高度為25.98m，陡坡處的坡度為1/4，堰后所緊密連接的陡坡處使用等寬的矩形樣斷面進行截取，總共長度為76.34m，凈寬為9.6m。陡坡末端處的消力池底板總高度為6.62m，總長度為23m，深度為2.82m，消力池出口處的池底高度為9.44m，擋墻為漿砌石擋土墻，頂寬 0.7m，埋深 0.5m。各洪水頻率下的水位（水深）資料，按《長江水庫工程防洪標準復核專題報告》成果及泄槽水面線計算成果。其中，各工況下的擋土墻水位如表4所示。

表4 各工況下擋土墻水位表

結果顯示，斷面1-4不同洪水工況時的墻后水位與墻后水深均符合國家標準要求，由此得出，該溢洪道的擋土墻水位情況校核結果符合標準。

3 中山市長江水庫溢洪道結構安全評價結果

經復核，長江水庫溢洪道底部石板無隆起現象，其側墻無顯著位移且無沉降現象。根據安全核算結果，溢洪道的周圍邊墻高度滿足對泄洪安全標準的要求，并且最低邊墻高度要高出標準高度13cm，能夠保證邊墻在較長時間內不會因為地面沉降作用而導致其邊墻高度不符合標準要求。消能池的消能工尺寸與相應的規范相符合，可以有效使水流流態發生變化并使其能量耗散，促使水流之間產生強烈的紊動作用，使部分動能轉化為熱能，達到消減動能的目的，保障水庫大壩的安全運行。邊墻的穩定性符合相關要求，不同洪水工況時的墻后水位與墻后水深均符合國家標準要求，該溢洪道的擋土墻水位情況校核結果符合標準。消力池深度、長度及邊墻高度滿足設計要求，溢洪道控制段頂部高程滿足規范要求，各工況下邊墻穩定性滿足要求，溢洪道邊墻結構與穩定性良好。依據《水庫大壩安全評價導則》（SL258-2017），溢洪道結構安全評價性評價的最終結果為 B 級。

4 結語

本次研究主要對中山市長江水庫溢洪道的安全結構進行了評價。首先對該建筑的整體建設情況與存在問題進行分析，其次，分別從溢洪道進口段邊墻高度復核、溢洪道控制段頂部高程復核、溢洪道泄槽段邊墻高度復核、溢洪道消能防沖計算、溢洪道邊墻結構與穩定復核5個方面對溢洪道的安全結構進行評價。經核算，各部分評價結果均符合相關標準與要求，其最終評價結果為B級。本次研究對溢洪道安全結構的評價方法與流程對全國范圍內水庫溢洪道安全結構的評價具有借鑒意義。