小都水库除险加固设计

2012-06-13张仕杰五华县小水电管理站

河南水利与南水北调 2012年14期

□张仕杰（五华县小水电管理站）

水库的除险加固在现今阶段的水利工程建设中至关重要,需充分运用投放的有限资金在最大程度上解决水库中遗留的安全隐患,这是影响到人们生命财产安全的重要工作。为有效的完成水库除险加固工作,本文就以小都水库除险加固设计展开探究分析。按照防洪准则与水利水电工程的等级测定及洪水的标准规定，水库的工程级别可分为Ⅳ等，即工程的规模是小型的I等级，而枢纽的永久性建筑物与次要的建筑物级别一般是4级、临时可变动性的水工建筑物是5级。参照洪水的标准期限为200年，设计的洪水标准是20年。因此预测出溢洪道的消能防冲标准是20年出现一次洪水。按照中国地震动的峰值加速度区划图显示小都水库的枢纽工程设计烈度是Ⅵ度。

1.枢纽工程的规模

小都水库的总库容有114万m3，整体的工程布置分为主坝、输水洞与溢洪道等。

1.1 主坝的设置

在小都水库的除险加固设计中，大坝的坝型是黏土模式的心墙坝。总长有100m，坝顶的总体高度为339.24m，最大坝高高达28m，其防浪墙顶的高程为340.24m，多出坝顶高度1.0m，坝顶的宽度是4.0m。黏土模式的心墙坝顶高337.70m、底宽4.0m、最大宽度为7.0m，且与岩基相连接。而岩基的开挖深度是1.5m，基槽的底宽是4.0m。在上游的坝坡中，其中坡比为1∶2.5、1∶3.0；下游的坝坡中坡比为1∶2.0、1∶2.5，此外在高程330.00m高度的上下游方位分别安置戗台1道，其宽度设定在1.5m。坝壳的填筑料由风化砂来完成，坝顶的路面由碎石土组成。

1.2 输水洞的设立

输水洞设立在大坝的左边位置，运用坝下设管的方式借助承插式的特设混凝土管道，总长度73.50m，直径设定为800mm。在预设的桩号0+034.5至0+037.5设置为竖井，其内部所设的直径是600mm的闸阀，闸阀的前侧安置1道1.0×1.0的铸铁闸门，而输水洞的进口高度建设成325.00m，进口由混凝土的八字墙模式组建，其长度设定在5.0m，输水洞的出口消力池连接在渠道上。

1.3 溢洪道的设计

溢洪道的位置建设于大坝的右侧，其模式建设成开敞式的正堰溢洪道。主要包括进口段、收缩段、控制段、消能段及泄槽段。堰型选择WES的实用堰，其宽度设立为18.0m，而堰顶的高度设置为336.40m，不添设闸门。堰下部分作为收缩段，长度测设为8.0m，从18.0m缩减至16.0m，下面承接陡槽，其与挑坎的宽度为16.0m，进而溢洪道的总长度是80m。

2.主坝的设计方案

2.1 坝顶的高程复核准则

坝顶的超高计算公式为y=R+e+A，在式中：y指坝顶的超高（m）；R为最大波浪在坝坡顶部的爬高（m）；e是最大的风壅水面高度（m）；A即安全的加高度（m）。依据准则计算得出，Ⅳ级的大坝设计规则为A=0.5m，校核过程中A=0.3m。

而坝顶的高程及防浪墙顶的高程在设计中应取最大值，其中测算的防浪墙顶是340.22m，实际的坝顶高程是339.00m，防浪的墙顶为340.00m，这组数据没有达到防浪墙设计的高程标准。因此，这次的设计把坝顶的高程增高和校核洪水位相平339.24m的高度，防浪墙的高度为1.0m，所以，这次的设计将防浪墙的顶高设立为340.24m，高出预算的0.02m，符合要求。

2.2 上游的块石护坡稳固测算规律

块石护坡的直径计算按照碾压式土石坝的设计要求确定出护坡块石的直径公式为

式中：D指石块的计算球形直径（m）；M为坡率，取值2.5；Kt是随坡的变化系数，取指1.3；Ρk即块石密度，2.7t/m3；Ρw即水的密度，1.0t/m3；Hp为累计的频率为5%的坡高。

通过计算得出，护坡的块石直径是0.28m，此次设计的护坡块石直径为0.30m。

2.3 坝体的稳定复核措施

水库的原来主坝是黏土心墙坝，其长度为230.0m、顶高是339.00m、顶宽4.0m，其防浪墙的顶高为340.00m，上游的坝坡比例为1∶2.5及1∶3.0；下游的坝坡比例是1∶2.0及1∶2.5。此次的加固设计坝顶增高出0.24m，总长339.24m，防浪墙的顶高为340.24m，但上下游的坡比无变动。

2.3.1 坝体的边坡稳定设计

在小都水库的除险加固设计中，边坡的稳定计算方式是依照土坝准则内容，借助简化毕肖普法测算坝坡的防滑稳定性。小都水库已有多年的历史，因此坝体的边坡复核只是对比稳定渗流期出现的上下游坝坡平稳与水库的水位下落期发生的上游坝坡平稳测算。

新设计的大坝断面是根据原大坝断面的本体，增高出0.24m，而上下游的坡比例无变动。坝坡的平稳现象为自动蓄水达336.40m；设计（P=3.33%）338.45m；审核（P=0.33%）339.24m。如稳定计算成果表所示，各工况下显示的坝坡平稳度均达标。

2.3.2 渗流的平稳系数归纳

渗流的平稳系数需依照达西定律计算，其透水地基上的心墙土坝一般高水位的平稳渗流正常浸润线同样运用达西定律设立方程式得出数据结果。

下游的坝坡高出点计算检验，如渗透系数：心墙的黏土渗透系数方程式K0=5.2×10-6cm/s；地基的砂质粉土渗透系数方程式为K2=6.5×10-3cm/s；而上下游的坝壳风化砂方程式为K1=5.2×10-4cm/s；各层的厚度：地基的砂质粉土层平均厚度为T1=4.2m；心墙的厚度d1=2.0m，d2=7.0m，d3=4.0m,在正常运转环境下的浸润线测算。边界条件要求：上游的正常水位高336.40m；而下游的地面为320.0m；其心墙的渗透系数K0及坝壳K1距离较远，因此水库的水位为1—1的断面水位，属于安全；基岩面下面是不透水层。

依照水力计算的手册准则可得出，中心墙的土坝构建于有限透水地基面上，其心墙在不透水层，计算公式为：

由公式得出浸润线与大坝的主河槽单宽渗流量h1=5.18m，h0=1.22m，q=6.1×10-4m3/s。

其心墙的下游浸润线高度是325.64m，排水体的逸出高度是319.0m。

经坝体浸润线计算，下游坝坡逸点在排水棱体内，满足渗流稳定要求。

2.3.3 护坡的厚度测算

对比碾压式土石坝的设计准则归纳出，护坡的厚度验算公式为：t=1.67K/D，式中：t为护坡的厚度（m）；K即随频率变化的系数，取值1.3。

通过验算其护坡的厚度可得出是0.17m，此次设计的护坡厚度运用0.30m，下侧设计为0.20m的碎石垫层及100mm的混合砂。

2.4 大坝的上游护坡整体规建

大坝构建的上游块石护坡因坝体下沉、风浪冲创与水位浮动，导致块石护坡面极其不平实，一般的正常蓄水位置上面的块石常被翻起、垫层被大量的淘空及块石所受的风化较为严重。因此，此次的除险加固设计重新依据实际情况改革设计理念，将坝坡上受严重风化的块石清除出。在水库的固定水位上面新铺设300mm厚度的块石，下面部位铺设200mm的碎石及100mm的混合砂。此外，原防浪墙的内部结构均为砖砌而成的，其顶高达到340.00m，底高为337.70m，结构模式由L型挡墙组建，墙体的厚度为400mm。这次的设计全部摒弃了原来的防浪墙，重新设计建筑了混凝土防浪墙，其墙顶的高程达到340.24m，底部的高程是337.70m，墙体的厚度为250mm,防浪墙的结构模式为L型挡墙。且下游的坝坡无护坡，由土坡构筑，这次的加固设计将下游的护坡铺设为草皮护坡。