水库工程中溢洪道加固设计

陈永强

(广东省博罗县水利水电勘测设计室,广东 博罗 516100)

光头水库位于博罗县杨村镇境内,距杨村镇约9km,水库控制集雨面积0.96km2,集雨区域位于东江中下游。光头水库总库容48×104m3,为村管的小 (Ⅱ)型水库,是杨村镇的主要水利工程之一。

水库的任务以灌溉为主兼顾防洪,设计灌溉农田面积700亩。

工程枢纽由大坝、溢洪道、灌溉涵管等组成。大坝为均质土坝,其中大坝最大坝高10.1m,坝顶高程39.1m,坝顶宽度1.8m,坝顶长112m。溢洪道位于大坝又坝头,为开敞式无闸控制自由泄流型式,堰顶高程为35.63m,宽4m。大坝设放水涵一座,是内径为 500mm的混凝土圆管,进口高程29.8m,涵头放水设施为斜卧管型式。

1 工程存在的主要问题

光头水库始建于1957年,该水库由于建设期较早,工程建设存在标准低,施工质量差,存在较多问题。水库经过长年运行,主要建筑物均有不同程度的破坏,其中大坝坝体渗漏较为严重,斜卧管漏水严重,涵管接头多处破坏,坝面杂草丛生,坝址没有设置反滤体排水,溢洪道未完善,不能发挥泄洪功能,无上坝公路,不利于防洪抢险。

1.1 大坝存在的主要问题

经检查和复核计算,光头水库土坝主要存在如下问题。

(1)坝顶。水库大坝坝顶平均宽度仅为1.8m,为泥土路面,不能通行机械、车辆,不利于水库的运行管理,不利于水库的防汛抢险。

(2)坝坡。水库大坝上游坝坡平均为1︰2.25,下游坝坡平均为1︰2.0,坝前坡坡面无护面,因为年久失管,坝背水坡面杂草丛生,极易滋生白蚁危害,无反滤体,前坡部分地方直接受库水的冲刷陶蚀严重,蜂窝状冲刷坑随处可见。

坝后坡管理维护不够,覆面草种繁杂,坝坡裸露,局部受雨水侵蚀剥落严重。

(3)坝体。坝体由于当时的施工工艺落后,填筑质量差,渗流过大,背水坡无反滤体,对坝体的安全及发挥效益是极为不利的。

1.2 溢洪道

经现场检查和复核计算,溢洪道主要存在如下问题。

(1)溢洪道两侧无挡土墙及护底,无消能设施。

(2)溢洪道局部地方冲刷严重,在桩号0+070处有一较大冲坑。

1.3 输水涵管

经检查,光头水库输水涵管主要存在如下问题。

(1)原输水涵管为φ 500mm混凝土圆管,漏水严重。

(2)放水涵为斜硪管型式,为砖砌结构,漏水严重。

(3)接涵管出口无消力池,水流的常年冲刷使现状土坝后坡涵管出口处出现局部坍塌,对大坝和输水涵管的安全都极为不利。

1.4 其他配套设施

(1)防汛公路。光头水库防汛公路靠坝址附近2km长路段,路宽约为4m,局部地方较窄,车辆不能通过,路面为泥土路面,无维护,坑坑洼洼、高低不平,水库无上坝公路,不利于水库的运行管理通行要求,特别是不利于水库的防汛抢险交通要求。

(2)其他设施。水库无管理房、无通讯设施、无管理电源,基本无水库运行资料,工程管理经费不足。水库无水位观测设施,无雨量观测设施。因资金困难,多年未备防汛砂石料。

2 溢洪道加固设计

2.1 溢洪道存在问题及加固措施

(1)溢洪道现状。位于大坝右侧的山凹上,为开敞式无闸控制自由泄流型式,堰顶高程为35.63m,宽4m。原溢洪道凹凸不平,无圬工衬砌,局部地方冲刷严重,不利水库的正常泄洪。

(2)溢洪道设计标准。光头水库溢洪道的级别为5级,根据 《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)的有关规定,确定溢洪道设计洪水标准与大坝相同,设计洪水为30年一遇,校核洪水为300年一遇。下游的消能防冲按10年一遇洪水标准设计。

(3)溢洪道除险加固措施。保持原溢洪道宽4m,全长用M7.5浆砌石护底300mm厚,10mm厚C20混凝土护面,两侧设置M7.5浆砌石重力式挡土墙。新增消力池,消力池根据电算成果消力池底高程为30.63m,池深0.77m,池长5.0m。

2.2 溢洪道陡坡水面线计算和侧墙高度计算

陡坡水面线按30年一遇洪水标准设计,300年一遇洪水标准校核,采用省厅推广使用的微机程序 《陡坡水面线计算DP-3》,详细计算见电算稿。渗气水深计算:

式中:h,hb——泄槽计算断面的水深及渗气后的水深,m;

V——不渗气情况下泄槽计算断面的流速,m/s;

ξ——修整系数,可取1.0到1.4,流速大的取大值计算。

从以上计算可知:在三十年一遇设计洪水标准下,起推水深为0.654m,安全超高为0.5m。在三百年一遇校核洪水标准下,起推水深为0.876m,安全超高为0.3m,取两者中较大值。计算结果列于表1。

表1 陡坡水面线计算成果表

从陡坡水面线的计算成果可知,陡坡段始端及末端的水深相差不大,故溢洪道陡坡段边墙的高度按陡坡段始端水深确定。设计工况下溢洪道水深0.654m,校核工况下水深0.876m,根据规范设计工况下安全加高0.8m,校核工况安全加高0.5m,取两者中较大值,因此陡坡段两侧墙始端控制高度为1.454m,末端控制高度为1.046m,取溢洪道陡坡段两侧墙高度1.5m,控制段两侧边墙的墙顶应与坝顶同高,取边墙顶高程为38.00m,即边墙高为2.37m。

2.3 归河渠水利计算

新开挖的归河渠在现有河槽基础上扩宽清淤,按土渠梯形断面设计底坡按实际地形取用1︰200,内边坡1︰1.5,底宽 4m,糙率为 0.02,渠首高程拟定为31.4m。归河渠水力计算成果列于表2。

表2 归河渠水力计算成果表

2.4 陡坡消能计算

陡坡消能按10年一遇洪水标准设计,采用省水利厅“XL-1斜坡消力池水利计算程序”。从以上计算可知:在十年一遇洪水标准下,下游归河渠首端高程为31.4m,水深0.529m。详细计算见电算稿,根据电算成果消力池底高程为 30.63m,池深0.77m,池长 5.0m。

2.5 结构计算

(1)溢洪道边墙。溢洪道侧墙结构计算采用利部“水利水电工程PC-1500程序集(88版)”的微机程序《G-9挡土墙稳定与应力计算程序》详细计算见计算书。由于溢洪道测墙为对称结构,有浆砌石底板相连,故在计算中可忽略抗滑稳定安全系数,仅考虑抗倾稳定安全系数,大于规范规定的最小抗倾稳定安全系数1.5即可。从以上计算成果可知:控制段侧墙抗倾稳定系数K2=2.6131,均满足规范要。挡土墙计算简图如图1。

图1 挡土墙断面图

(2)消力池底板。溢洪道消力池底板厚度可根据抗冲要求,按下面公式计算。

△H′——闸孔泄水时的上、下游水位差(m);

k1——消力池底板计算系数,可采用 0.15～0.20(m);本次计算取0.20;

经过计算:抗冲力t=0.2×[1.275×(34.21-31.93)0.5]0.5=278mm;本工程取400mm厚底板。

3 结 语

水库除险加固后,能有效保证下游农田灌溉,提高水库的工程效益。并降低洪灾的发生机率,有效保障下游群众生命财产安全,有效保护下游的生态环境和人群健康,减少水土流失,保护土地资源,工程的绿化及环境美化措施将进一步改善区内的环境面貌。综上所述,工程具有显著的经济效益和社会效益,水库除险加固设计工程的实施是可行的。

[1]SL180-96,小型水利水电碾压土石坝设计导则[S]

[2]SDJ342.溢洪道设计规范[S]

[3]沈长松.水工建筑物[M].北京:中国水利水电出版社,2008