陈家院水库除险加固工程设计方案比选

2010-08-15李新媛新乡市卫河共产主义渠管理处

河南水利与南水北调 2010年5期

□李新媛（新乡市卫河共产主义渠管理处）

一、工程概况

陈家院水库位于海河流域卫河支流淇河上游辉县市西北55km处，是一座以灌溉为主，结合发电、防洪综合利用的中型水库。水库控制流域面积117km2，坝型为浆砌石重力墙堆石坝，总库容1370万m3，兴利库容1017万m3，死库容12万m3。水库建于20世纪60年代初，受当时条件限制，建筑标准低，水库存在的主要问题一是防洪标准不足300年一遇，远低于规范要求的1000年一遇标准；二是水库大坝下游堆石体抗滑稳定安全系数仅0.865，抗滑稳定不能满足规范要求。经安全鉴定，水库大坝为三类坝，需除险加固。

二、溢洪道改建方案比选

陈家院水库溢洪道位于水库大坝右岸坝端，宽40～47m，堰型为不标准折线型实用堰，堰顶宽47m，堰顶高程776.5m，平坝顶时最大泄洪能力仅1939m3/s，防洪标准不足300年一遇，远低于规范要求的1000年一遇防洪标准。

为扩大溢洪道泄洪能力，提高水库防洪标准，根据堰流公式，有3种途径，一是增加堰上水头，二是增加堰宽，三是增加溢流堰流量系数。

（一）增加堰上水头

途径一或提高大坝坝顶高程，增加大坝高度，或降低堰顶高程。陈家院水库坝顶高程与现有辉陵公路（辉县至山西省陵川县）高程相差很小，增加坝顶高程将需要对公路进行改线，另外，增加坝顶高程还大大增加了坝体加固工程量，所以提高坝顶高程方案不可取。降低堰顶高程必然减少水库的兴利蓄水量，对于水资源严重缺乏的辉县市北部山区，以及工农业生产发展造成不利影响，方案不合适。

（二）增加堰宽

陈家院水库现有溢流堰为不标准折线型实用堰，根据折线型实用堰要求及溢洪道现状地形。使陈家院水库溢流堰为标准折线型实用堰，上游堰高需要由1.0m增加到3.2m，下游堰高需要由1.5m增加到3.4m，即堰前挖深2.2m，堰后挖深1.9m。根据调洪计算，要满足水库千年一遇泄洪要求，梯形堰堰宽应为62m，即溢洪道需拓宽15m，下游拓宽22m，溢洪道挖深和拓宽后，梯型堰外表面考虑0.5m厚混凝土护面。经计算，完成上述工程需完成边坡石方开挖8.37m3，基础石方开挖7238m3，溢洪道进口石方开挖6110m3，堰面混凝土浇筑722m3，估算投资402.1万元。

（三）增加溢流堰流量系数

迷宫堰是一种新堰型，流量系数比一般直线堰大得多，维修费用低，管理简便，在山东省的数座水库中达到成功利用。

根据山东省水利科学研究院的研究成果，经过对迷宫堰堰高7.0、6.5、5.5m 3个方案进行认真分析比较，确定采用堰高5.5m方案。其主要参数为：最大水头比1.2，宽高比2.27，展宽比4，堰体长24.2m，堰总宽50m，堰顶高程778.4m（较现状堰顶高1.9m），堰底高程772.9m。迷宫堰流量系数随堰顶水头变化而变化，堰顶水头越小，流量系数越大；堰顶水头越大，流量系数越小。根据天津大学水工实验室陈家院水库迷宫堰模型试验成果进行调洪计算，1000年一遇校核洪水时堰顶水头6.59m，迷宫堰泄量为3000m3/s，相应库水位784.99m（水库大坝坝顶高程 785m）。

根据迷宫堰平面布置、迷面尺寸，现状溢洪道需拓宽3m，下挖2.6m。经计算，完成陈家院水库迷宫堰改建工程需完成溢洪道进口石方开挖5610m3，基础石方开挖9238m3，护坦混凝土浇筑1628m3，堰墙混凝土浇筑1002m3，导水墙混凝土浇筑875m3，估算投资234.72万元。

（四）溢洪道改建工程方案选定

经过对上述三种途径分析，增加堰上水头需改建公路且大大增加坝体加固工程量，方案不可取；途径二经现有堰型改建后可满足水库泄洪要求，但工程量大，工程投资高，且现有溢洪道左岸为管理所，右岸悬崖陡壁，施工难度非常大；途径三通过现有溢洪道改建迷宫堰，不仅使溢洪道泄洪满足规范要求，还能提高兴利库容76万m3，而且工程费用低，施工难度小，因此，溢洪道改建方案选定为改建迷宫堰方案。

三、坝体加固方案比选

陈家院水库大坝为浆砌石重力墙堆石坝，坝顶高程785m，最大坝高80m，坝顶长190m，坝顶宽4.7m。浆砌石重力墙位于大坝上游侧，兼作防渗体，顶宽2.2m，底宽47.2m。堆石体位于大坝下游侧，顶宽2.5m，底宽66.4m，在732m、759m高程处设两级 2m宽的马道，高程 705～732m、732～759m、759～783.5m间下游坡度分别为1∶1.2、1∶1.15、1∶1.0，高程783.5m以上至坝顶间为直立段。水库堆石施工为人工抛填，经计算，现状大坝下游堆石体抗滑稳定安全系数仅为0.865，从运行上看，大坝堆石体塌陷年年发生，后坝坡多处出现塌坑及外鼓，危及大坝自身安全，急需尽快进行坝体加固。

根据陈家院水库大坝情况，坝体加固设计对碾压堆石贴坡加固和干砌块石贴坡加固两个方案进行了设计。

（一）碾压堆石贴坡加固方案

堆石体顶宽保持2.5m不变，依然在下游坡759m、732m高程处设置两级2m宽马道，在原有堆石体下游坡上加碾压堆石贴坡，使下游坡自下而上分别达到1∶1.35，1∶1.35，1∶1.30。经试验，碾压堆石内摩擦角为43°，空隙率30%；原有堆石内摩擦角为39°，空隙率40%，采用折线法公式，利用计算机求得下游坡抗滑稳定安全系数为1.21，大于规范要求的1.2，满足规范要求。经计算，碾压堆石贴坡方案需堆石拆除2353m3，清基3.03万m3，碾压堆石6.93万m3，干砌块石护坡8000m3,两岸清基2700m3，估算投资518.4万元。

（二）干砌块石贴坡加固方案

堆石体顶宽仍然保持2.5m不变，在下游坡759、732m高程处设置两级2m宽马道，在原有堆石体下游坡上加干砌块石贴坡，使下游坡自下而上分别达到1∶1.35、1∶1.30、1∶1.25。干砌块石内摩擦角为39°，空隙率40%；采用折线法公式利用计算机求得下游坡抗滑稳定安全系数为1.24，大于规范要求的1.2，满足规范要求。经计算，干砌块石贴坡方案需堆石拆除2353m3，清基2.76万m3，干砌块石坝体6.43万m3，干砌块石护坡7800m3,两岸清基2600m3，估算投资696.78万元。

（三）坝体加固方案选定

经过对上述两方案分析，碾压堆石贴坡尽管工程量稍大，但投资小，主要原因是碾压堆石单价较干砌块石单价低，另外，碾压堆石施工机械化程度高，施工速度快，一年半内可完成坝体加固工程任务（干砌块石全部为人工施工，速度慢，完成陈家院水库坝体加固需要两年时间），工期短，质量可靠，因此，坝体加固选用碾压堆石贴坡加固方案。