兴隆岗水库大坝稳定分析计算研究

陈广华

(朝阳县水利勘测设计队，辽宁朝阳122000)

兴隆岗水库大坝稳定分析计算研究

陈广华

(朝阳县水利勘测设计队，辽宁朝阳122000)

兴隆岗水库工程于70年代建成，水库当时的设计标准是20 a一遇，校核标准是100 a一遇，工程规模属于小(2)型。文章通过对其水库大坝的稳定性进行计算研究，最终得出为了保护当地农业的增产增收，亟待对兴隆岗水库进行除险加固任务的结论。

兴隆岗水库;水库大坝;稳定性分析;除险加固;计算

1 工程概要

兴隆岗水库位于朝阳县二十家子镇境内，属小凌河支流，地貌类型属低山丘陵区，坝址处为一“V”字型河谷，河谷宽约150 m。坝址以上流域全长1.81km，水库集雨面积1.48 km2，河道平均比降69.1‰，属小(2)型水库。水库枢纽工程由拦河坝、输水洞、溢洪道组成。拦河坝类型为黏土心墙坝，坝高21.8 m，坝顶高程215.9～217 m，大坝全长150 m，坝顶平均宽3.0 m，总库容37.31万 m3。输水洞位于大坝左端，其结构为钢筋混凝土涵管，洞径0.4 m，洞长70 m，洞底最大泄量0.2 m3/s，无闸门控制。溢洪道位于大坝左岸，为开敞式，全长95 m，现状堰顶高程213.92 m，堰顶净宽3.65 m，溢洪道最大宽度3.65 m，两侧无边墙，基础和两侧均为自然土体。

2 水库大坝稳定分析

2.1 设计分析

兴隆岗水库主要建筑物包括大坝、溢洪道、输水洞3部分，其中大坝长150 m，坝顶高程217 m，坝顶宽3 m，最大坝高21.8 m。前坝坡坡比为1∶2.8，后坝坡坡比为1∶2，坝后无排水设备。黏土心墙顶高程215 m，顶宽0.6 m。

溢洪道属于开敞式，无规则形式，只是为防洪要求临时挖的沟槽，基础为土基，两侧无边墙，本次除险加固设计为宽顶堰，溢洪道底宽由3.5拓宽到6.5 m，做成1∶2的梯形断面，由进口堰体段、陡坡段后直接入沟，全长95 m，堰顶高程212.5 m，净宽6.5 m，陡坡段比降i=0.03，200 a一遇洪水最大泄流量56.42 m3/s。由于溢洪道尾端处有一村级路，所以需要在村级路处设农桥及消能措施，农桥宽4 m，长度为8 m，基础为钢筋混凝土结构，桥面为钢筋混凝土结构，以满足交通要求。兴隆岗水库为黏土心墙土石坝，水库运行30多a无人管理，前坝坡块石不存在，坝体已全部裸露在外，坝体有被淘涮的危险，如果溢洪道保存现现状，坝后无排水体，由于水库一直是空库运行，所以未发现有管涌、渗漏等现象。大坝后坝坡无碎石护坡，杂草及灌木杂生［1］。

2.2 水库病险情况复核

2007年6月对兴隆岗水库进行了安全鉴定，鉴定结果为3类坝:①前后坝坡不满足防洪要求;②溢洪道无边墙，底板为土基;③输水洞进口淤积，无启闭设备。因兴隆岗坝下建筑物是按现在坝顶高程设防，所以本次设计从实际情况出发，坝顶高程保持不变，坝顶宽3 m不变，上游坡比1∶2.8，不足2.8部分进行培厚，前坝坡块石护坡和反滤层重新衬砌。下游坡杂草及灌木清除，重新铺设10 cm厚碎石，后坡比由1∶2变为1∶2.5，新建贴坡排水体，溢洪道宽度由原来的3.65 m拓宽到6.5 m，溢洪道断面有2种方案，分为矩形浆砌石断面及梯形混凝土板断面。方案Ⅰ，采用矩形浆砌石断面，土方开挖5 578 m3，共需14.3万元。浆砌石共1 167 m3，共需25.2万元，总造价为39.5万元。方案Ⅱ，采用梯形混凝土断面，土方开挖5 000 m3，共需 12.8万元。混凝土共513 m3，共需16.4万元，总造价为29.2万元。比较以上两种方案，梯形混凝土板断面造价较低，混凝土断面得过水能力又优于浆砌石段面，所以确定本次溢洪道采用梯形混凝土板这种形式。溢洪道进口高堰顶高程挖到212.5 m，溢洪道底板衬砌，两侧新建混凝土板边墙;输水洞启闭设备更换，进口清淤，出口设消力池［3］。

2.3 大坝稳定设计

大坝前坝坡坡比填筑到1∶2.8，新建30 cm干砌块石和30 cm反滤层，后坝坡坡比为1∶2.5，坝顶设20 cm厚混凝土路面，以2%的坡度坡向下游，大坝设浆砌砖纵向排水沟及上坝台阶，在前后坝肩处设路缘石，高0.5 m，宽0.2 m，每隔10～15 m设排水孔。溢洪道为敞开式宽顶堰，大坝与溢洪道之间需要墙体与大坝连接，以保护坝体不受冲刷。新建贴坡排水体，顶宽1.5 m，高3 m，底宽3 m。

坝顶高程计算按《碾压式土石坝设计规范》，(SL274—2001)进行，分别计算两种运用情况，取其中最大值，复核坝顶高程。

1)设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高。

2)校核洪水位加非正常运用情况的坝顶超高。

计算公式为:

式中:Y为坝顶超高，m;R为最大风浪在坝顶上的爬高，m;e为最大风壅水面高度，m;A为安全加高，m，根据规范要求，设计运用情况理A=0.5 m，校核运用情况A=0.3 m。

2.3.1 为计算风速的确定

收集朝阳气象站1981年—1997年17 a的风速观测统计资料，17 a的平均年最大风速为16.12 m/s，传感器高度为15.2 m，高度修正系数为0.958，则修正到距地面10 m高度的平均年最大风速W为15.44 m，设计风速W设为年均最大风速的1.5倍，W设为23.16 m/s，校核情况下风速W校仍为15.44 m/s。

2.3.2 风区长度

在1∶2 000库区地形图上按垂直坝轴线量得设计运行情况下的风区长度D设=436 m，校核非正常运用条件下风区长度D校=470 m。

2.3.3 水域平均水深

根据计算的特征水位及库内淤积高程计算出(P=5%)设计洪水位213.819 m时的平均水深10.82 m，(P=0.5%)校核洪水位214.83 m时的平均水深11.83 m。根据以上条件计算风浪高度。

最大风壅水面高度计算公式为:

式中:e为计算点处的风壅水面高度，m;K为综合摩阻系数取3.6×10-6;W为计算风速 W设=23.16 m/s，W校=15.44 m/s;D为风区长度D设=436 m，D校=470 m;Hm为水域平均水深为Hm设=10.82 m，Hm校=11.83 m;β为计算风向与坝轴线法线夹角 β =0°，则:

e5%=0.0039 m;e0.5%=0.0017 m。

计算波浪爬高Rm及Rp，按莆田实验站公式进行计算，m=2.8。

式中:Rm为平均波浪爬高，m;m为单坡的坡度系数;K△为斜坡的糙率渗透性系数，查表求得，K△取0.80;KW为经验系数，由风速W、坡前水深H、重力加速度所组成的无维量按规范《SL274—2001》表 A.1.12—2查得。

设计洪水位时，计算公式为:

查得KW=1.10。

校核洪水位时，计算公式为:

查得KW=1.01。

2.3.3.1 设计运用情况(采用莆田公式)

1)计算平均波高:

2)计算平均波周期

Tm=4.438 hm0.5=2.21 s

3)计算平均波长:

4)计算平均波浪爬高:

5)计算频率为5%的波浪爬高RP:

设计运用情况下的坝顶超高为:

2.3.3.2 校核运用情况(采用莆田公式)

1)计算平均波高:

2)计算平均波周期:

3)计算平均波长:

4)计算平均波浪爬高:

5)计算频率为5%的波浪爬高RP:

设计运用情况下的坝顶超高为:

以上计算结果汇总见表1。

表1 坝顶超高计算成果表

2.3.4 坝顶高程复核

以上复核计算成果，设计防洪标准P=5%的坝顶高程215.0828 m，校核防洪标准P=0.5%的坝顶高程215.5895 m，取其大值，该坝顶最低点高程215.985，说明现坝高满足规范要求。

3 除险加固的必要性分析

兴隆岗水库自建库以来由于资金等原因都未经过除险加固，通过水库安全鉴定可知:现状坝坡不满足计算要求，由于经过30多a的运行，前坝坡块石已风化，对现场观察可知，前坝坡也无块石，坝体裸露在外，即使遇到正常洪水都不能抵挡，如果长期运行下去，很可能有溃坝的危险，后坝坡杂草丛生，有的树直径达到15 cm有余，溢洪道底板为土基，两侧无边墙，只是为了防洪要求临时开个豁口，输水洞洞身没有漏水问题，但进口淤积，没有闸门等启闭设备，后坝出口处管道破损。水库安全隐患较多，急需除险加固［4-5］。

水库坝址附近流域比较狭窄，植被稀疏，且降水年内分配多集中于汛期、较易发生洪水，水库的存在，可以使洪峰流量得到一定的调节、降低，从而减少下游的洪水灾害，水库下游有兴隆岗村150户400人，水库初建时是农民义务劳动，施工质量得不到保证，一直是带险运行，一直未能正常蓄水，因而也一直未达到设计灌溉面积，由于朝阳素有“十年九旱”之称，所以水库通过拦截地表及地下径流蓄水达到灌溉要求，可以缓解用水危机，保证农业增产增收，所以兴隆岗水库除险加固任务成为当务之急［6-7］。

［1］刘瑞杰.十里河水库大坝稳定分析［J］.山西水利科技，2008(02):65-66.

［2］袁勇福.东郊河水库大坝稳定分析应力计算［J］.山西水利科技，2013(03):50-52.

［3］娄健康，李慧，张玉辉.小型水库大坝稳定分析计算［J］.山西建筑，2014，40(06):231-232.

［4］高胜利.尚希庄水库大坝稳定分析［J］.山西水利科技，2009(02):40-42.

［5］胡明英.继光水库大坝稳定分析［J］.四川水利，2007(06):39-41.

［6］许朝友.思南县道沟屯水库大坝稳定分析及除险加固设计［J］.河南水利与南水北调，2012(18):79-80.

［7］于秀阁.小型水库大坝稳定分析计算［J］.内蒙古科技与经济，2012(14):72.

TV64

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1007-7596(2014)07-0077-03

2013-08-16

陈广华(1975-)，女，辽宁朝阳人，工程师。