石陂水庫除險加固工程設計方案分析

劉偉忠

(興寧市水利水電建設工程公司，廣東 梅州 514500)

小型水庫作為重要的蓄水工程，在保障國家防洪安全、供水安全、糧食安全、生態(tài)安全等方面發(fā)揮重大作用。由于長期重使用而輕維護，工程帶病運行問題十分突出。近年來，國家高度重視小型水庫病險問題，大力推進水庫除險加固工作，恢復水庫正常防洪功能，完善江河防洪體系[1-2]。本文以石陂水庫為例，分析確定其除險加固方案，以期為類似病險水庫除險加固設計提供參考。

1 工程概況

石陂水庫位于廣東省梅州市興寧市葉塘鎮(zhèn)石新村，屬寧江水系。水庫興建于1972年，是一座以防洪、灌溉功能為主的小(2)型工程。壩址以上集雨面積0.21km2，河長0.72km，河道比降0.0529，總庫容11.87萬m3。水庫設計灌溉面積840畝，保護下游人口、耕地及交通、通訊、電力等設施安全。水庫于2020開展安全鑒定，結論屬三類壩，應盡早實施除險加固[3]。

2 工程現狀及主要病險問題

2.1 水庫大壩

石陂水庫大壩為均質土壩，壩頂高程170.27m，壩長50m，壩頂寬4.0m，防浪墻高0.8m。上游壩坡為混凝土護坡，坡比1∶2.0；下游壩坡為草皮護坡，坡比1∶2.04；壩后坡腳設貼坡排水體，坡比1∶2.56，排水體頂高程為161.60m。

大壩主要存在的問題有：滲流逸出點位于壩后坡上，高于貼坡排水體頂高程；壩體填土滲透系數平均值為2.72×10-4cm/s，屬中等透水層；壩頂為泥結石路面，且已生長雜草；路沿石完整性差、局部破損嚴重；防浪墻局部破損且隨處可見批蕩脫落現象；上游壩坡為混凝土護坡，存在多處裂縫，坡面見少量雜草；下游壩坡雜草叢生，坡面養(yǎng)護較差，有動物巢穴，坡面排水溝嚴重堵塞；貼坡排水體表面雜草叢生，堵塞明顯，塊石松散。

2.2 溢洪道

溢洪道位于大壩左壩端，為開敞式寬頂堰型式。堰頂高程168.92m，控制段凈寬3.7m，長度10m，側墻高2.1m；泄槽段寬度3.7～4.6m，側墻高1.0m，陡坡斜長37.9m，坡比1∶33.5，陡坡末端設挑流鼻坎。溢洪道控制段頂部布置鋼筋混凝土交通橋，橋面寬度4.5m，橋板厚度0.2m，跨長5.2m。

溢洪道存在的主要問題有：進口段側墻局部裂縫，損壞嚴重；泄槽段側墻多處破損嚴重，局部裂縫、墻身有大面積批蕩脫落現象；挑流消能設施、下游河道被雜物覆蓋、淤積嚴重，行洪不安全。

2.3 輸水涵

輸水涵位于大壩右壩端，為壩下鋼筋混凝土圓涵埋管，涵管內徑為0.50m，涵管總長50m，采用斜拉閘放水。閘門為鑄鐵閘板，啟閉設備為3t手動斜拉式啟閉機。

輸水涵管存在的主要問題有：出水口邊墻損壞嚴重，渠道內垃圾、雜物散布，影響涵管輸水灌溉；起閉金屬拉桿銹蝕嚴重；拉桿墩老化、破損嚴重；輸水涵管關閉后，涵頭存在嚴重漏水現象。

3 特征水位確定

石陂水庫原設計洪水標準為20年一遇，校核洪水標準為200年一遇，符合《防洪標準》及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》規(guī)定，本次除險加固設計仍遵從原設計洪水標準。因水庫的地形、地質條件的興利需求未發(fā)生變化，本次仍然延用原設計死水位161.42m和正常蓄水位168.92m。但是，由于復核后水庫集雨面積變化導致設計洪水系列發(fā)生了改變，需要進行調洪演算，以重新確定水庫設計水位與校核水位。

水庫調洪演算通過建立水庫的水量平衡和蓄泄關系，采用試算法計算出水庫的下泄流量過程。水量平衡是在某一時段內入庫水量與出庫水量之差等于該時段內水庫蓄水量的變化，用公式(1)表示。

(1)

式中，Q1、Q2—Δt時段初、末的入庫流量，m3/s；q1、q2—Δt時段初、末的出庫流量，m3/s；V1、V2—Δt時段初、末的水庫的蓄水量，m3。

石陂水庫溢洪道為無坎寬頂堰，根據堰流公式建立水庫的蓄泄關系，用公式(2)表示。

(2)

式中，B—堰寬，m；ε—側收縮系數；H0—堰頂水頭，m；m—寬頂堰自由出流系數。

聯立水量平衡方程和蓄泄方程，逐時段試算水庫的下泄流量過程，由此確定水庫設計洪水位169.33m，校核洪水位169.49m。水庫調洪演算成果見表1。

表1 石陂水庫調洪演算成果表

4 大壩除險加固設計

4.1 大壩加固方案

壩頂路面硬底化建設，采用C30混凝土路面結構，厚度200mm，路面整體向下游側傾斜、坡度2%，在壩頂路面下游側設排水溝；壩頂上游側拆除重建C25鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻厚300mm、長度68.0m；加固后壩頂寬度為4.3m、壩頂長度57.60m、壩頂高程170.50m。大壩壩體防滲采用充填灌漿處理，灌漿鉆孔沿壩頂軸線采用雙排梅花型布置，孔距為3.0m，排距為2.0m，材料為黏土漿(摻和15%水泥)，防滲墻滲透系數要求小于1×10-4cm/s。

上游壩坡混凝土護坡及坡腳處齒墻拆除重建。護坡采用C25混凝土結構，厚120mm，下設砂石墊層厚150mm，護坡坡比1∶2.0；坡腳處齒墻采用C25混凝土結構，齒墻頂部高程與死水位齊平；下游壩坡清理修整后進行培厚，并重鋪草皮護坡(滿鋪)，加固培厚后坡比為1∶2.5；重建兩側壩肩排水溝，長度分別為46.0m和47.0m，重建壩后坡步級，長33.0m。

拆除原貼坡排水體，新建堆石排水棱體，高3.9m、長24.0m、外坡比1∶1.5、內坡比1∶1.0；排水棱體頂部采用C20混凝土壓頂，厚度120mm，頂部寬度2.0m、高程160.98m；排水棱體外坡腳處設集滲溝，寬度500mm。大壩庫區(qū)左岸坡新建C25混凝土護坡，厚120mm，護坡底下設砂石墊層厚150mm；護坡坡比1∶2.0，并與大壩前坡協(xié)調銜接。

4.2 大壩滲流分析

大壩進行防滲處理后，壩體及壩基滲流主要受防滲體系控制，由于各壩體主要斷面結構形式相同，選取壩體最大斷面作為典型斷面復核壩體的滲流情況[4-5]。大壩滲流分析的主要考慮5種工況：①水庫正常蓄水位，下游無水時的穩(wěn)定滲流。②水庫設計洪水位，下游無水時的穩(wěn)定滲流。③水庫校核洪水位，下游無水時的穩(wěn)定滲流。④庫水位由校核洪水位非常泄洪降落至正常蓄水位的非穩(wěn)定滲流。⑤庫水位由正常蓄水位非常泄洪降落至死水位的非穩(wěn)定滲流[6]。

采用滲流有限元分析計算大壩各種工況下浸潤線逸出點坐標及逸出點處滲透比降情況統(tǒng)計見表2。結果表明，除險加固后，各個計算工況下，大壩滲流逸出點的滲透比降均小于允許值，浸潤線出逸點均位于壩腳新建排水棱體內，滿足規(guī)范要求。

表2 壩體各工況浸潤線逸出點坐標及滲透比降表

4.3 大壩穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性計算斷面采用加固后大壩斷面，浸潤線采用加固后滲流計算結果，計算工況仍然采用前節(jié)中的5個工況，按照畢肖普有效應力法計算，成果見表3，得到的抗滑穩(wěn)定系數均大于允許值，滿足規(guī)范要求。

表3 大壩抗滑穩(wěn)定性驗算成果表

5 溢洪道除險加固設計

5.1 溢洪道除險加固方案

對溢洪道進行拆除重建，進口段長4.8m，斷面為喇叭口狀，寬度8.0～4.0m，底板高程為168.32～168.92m；兩側擋墻高0.4～1.8m(底板以上)，底板采用C25鋼筋混凝土結構厚300mm，下設C15混凝土墊層厚150mm。控制段長15.6m，采用寬頂堰型式，矩形斷面，堰頂高程為168.92m，堰頂凈寬4.0m；兩側擋墻高1.8m(底板以上)，底板采用C25鋼筋混凝土結構厚300mm、底下鋪設C15混凝土墊層厚150mm。泄槽段長36.8m，坡比為1∶15，矩形斷面；兩側擋墻高1.2～1.8m(底板以上)，底板采用C25鋼筋混凝土結構厚300mm、底下鋪設C15混凝土墊層厚150mm，并在墊層底下設置縱橫排水暗溝；重建泄槽段末端消能設施，為挑流消能方式，采用C25鋼筋混凝土結構，挑坎段反弧半徑4.0m，挑坎挑角25°

5.2 溢洪道結構穩(wěn)定計算

溢洪道結構穩(wěn)定計算包括進水渠、控制段、泄槽擋墻，取最不利典型斷面進行驗算，計算工況分4種：①完建工況；②設計洪水位工況；③洪水降落期工況；④正常蓄水位遇地震[7]。根據朗肯土壓力理論計算基礎底面的法向應力、抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定性(公式(3)—(5))。

(3)

(4)

(5)

溢洪道各部位的穩(wěn)定驗算結果見表4。經計算，各工況下抗滑、抗傾覆均滿足要求，最大應力小于地基容許承載力。

表4 溢洪道穩(wěn)定驗算成果表

6 輸水涵除險加固設計

6.1 輸水涵除險加固方案

重建輸水涵管涵頭，采用C25鋼筋混凝土結構，底下設C15混凝土墊層；更換拉桿閘門及起閉設備、重建拉桿支墩、重建拉桿處步級；拉桿采用不銹鋼圓鋼拉桿，直徑8cm，起閉設備采用5t手電兩用起閉機；壩后坡培厚后需對現狀涵管(φ=500mm)涵尾進行接長，采用DN500鋼管、長度12.6m，并且新建涵管出口處消力池及下游出水渠，長度分別為5.0m和13.0m；對現有拉桿房進行維修及裝飾。

6.2 輸水涵過流能力復核

根據輸水管的布置型式，管道管口出流，行近流速很小，過流能力按公式(6)計算[8]。

(6)

式中，μc—管道系統(tǒng)的流量系數，本計算中取0.6；A—管道孔口的斷面面積，m3；H—管道的水頭(m，不計行近流速)。

現狀輸水涵管直徑為0.50m，涵管過流量由閘門開啟決定，經計算復核可知，該輸水涵最大輸水流量為Q計=1.46m3/s，滿足灌溉需水要求。

7 結語

通過對石陂水庫病險問題的系統(tǒng)分析，制定的除險加固方案，經分析計算加固效果顯著，達到了除險目的，方案滿足設計要求。石陂水庫除險加固工程是以防洪為主要任務的公益性工程，工程完成后，增強了項目區(qū)抵御洪澇災害的能力，推動區(qū)內經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。除險加固完成后，應通過進一步加強水庫工程設施的安全監(jiān)測和維修養(yǎng)護等工作，減緩工程功能的衰減速度，保障效益持續(xù)發(fā)揮。