北镇市龙门水库除险加固工程设计分析

袁 莹

(北镇市水务局，辽宁 北镇 121300)

北镇市龙门水库除险加固工程设计分析

袁 莹

(北镇市水务局，辽宁 北镇 121300)

龙门水库是黑鱼沟河上游的水利枢纽工程，坐落在北镇市华锋村。水库工程存在老化等诸多病害隐患，为病险水库，不能满足水库工程安全运行。水库一旦溃坝，下游人民财产将受到严重破坏，后果不堪设想。龙门水库整治后下游华锋村及北镇城区的55 000口人，13.33 km2耕地、102国道和北镇城区的生命财产得到了保护。3.33 km2的耕地得到有效灌溉。文章对该水库除险加固改造工程进行了设计探究，旨在为类似工程建设提供参考。

水库；除险加固；工程设计；分析

1 水库概况

龙门水库是黑鱼沟河上游的水利枢纽工程，坐落在北镇市华锋村。该水库建于1956年2月，1958年2月基本完工，原设计防洪标准50 a一遇，原校核洪水标准500 a一遇。设计洪水位107.3 m，相应库容106.92 万 m3；校核洪水位108.55 m，相应库容133.01 万 m3；正常蓄水位高程105.4 m，相应库容64.96 万 m3。堰顶高程105.4 m，相应库容64.96 万 m3。

大坝为黏土心墙坝，最大坝高13.2 m，坝顶宽2.00 m，坝顶高程108.6 m[1]。多年平均降水量550 mm。输水洞为浆砌石结构，洞径2.0 m，最大泄量2.54 m3/s。溢洪道最大泄量449.0 m3/s。龙门水库整治后下游华锋村及北镇城区的55000口人，13.33km2耕地、102国道和北镇城区的生命财产得到了保护，3.33 km2的耕地得到有效灌溉。

2 工程设计分析

2.1 坝顶高程

基本资料：设计洪水位在频率2%时高程109.8 m，库容246.0 万 m3，溢洪道泄量214.45 m3/s；校核洪水位在频率0.2%时高程110.8 m，库容297.0 万 m3，溢洪道泄量416.05 m3/s；正常水位高程108.0 m，库容180.0 万 m3。

2.1.1 计算风速确定

库区最大风速可达25 m/s，其相应风向为NW，多年平均最大风速15 m/s。根据大坝洪水标准复核后的各种特征水位，复核坝顶高程[2]。

2.1.2 坝顶超高计算

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)及水库运用方式，分别按以下两种运用情况计算，取其最大值：

1)设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高。

2)校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。

计算公式为：

y=R+e+A

(1)

式中：y为坝顶超高，m；R为最大波浪在坝坡上的爬高，m；e为最大风壅水面高度，m；A为安全加高，m。

2.1.2.1 波浪爬高R计算

本次坝顶超高复核风浪要素的计算采用莆田试验站公式。

1)平均波高h计算：

(2)

式中：g为重力加速度，g=9.81 m/s2；H为水域平均水深；D为由计算点逆风向量到对岸的距离，m；W为设计洪水位取1.5倍的多年平均年最大风速，校核洪水位取多年平均年最大风速。

2)平均波长λ按公式计算如下：

(3)

式中：T为平均波周期，按公式T=4.438h×0.5计算；H为水域平均水深。

3)波浪爬高RP计算

(4)

设计波浪爬高RP，按爬高分布进行换算，该工程为5级建筑物，确定波高累积频率P=10%。

2.1.2.2 风壅水面高度e计算

(5)

式中：K为综合摩阻系数，K=3.6×10-6；β为风向与水域中线的夹角，取β=0°；W为水面上10 m处的风速，m/s；D为从计算点作水域中线(或坝轴中线)的平行线与对岸的交点到计算点的距离，m；H为水域的平均水深，m。

2.1.2.3 安全加高A

根据《碾压式土石坝设计规范》(S274—2001)表5.3.1取用：设计水位时，A=0.5 m,校核水位时，A=0.3 m。

根据上述所列公式和计算参数，土石坝坝顶超高计算结果见表1。

表1 坝顶超高计算成果表

2.1.3 坝顶高程

根据《碾压式土石坝设计规范》(S274—2001)规范第5.3.3条规定，土坝各种运用情况的坝顶高程计算结果见表2。

表2 坝顶高程计算成果表

2.1.4 大坝高程确定

由表2可以看出，计算坝顶高程均大于现状坝顶高程，即现状坝顶高程不满足现行规范的要求，需对大坝加高培厚，增加水库蓄水能力[3]。

2.2 坝体除险加固维修改造设计

坝体除险加固维修改造有以下8个方面：

1)龙门水库枢纽工程主坝44 m，实测顶宽2.0 m，坝顶高程108.6 m，本次需对坝体加高培厚，坝顶高程达到111.51 m，顶宽4.0 m，迎水坡坡比为1∶2.5，背水坡坡比为1∶3.0。

3)拆除原来的主坝防浪墙44 m，新建主坝防浪墙，墙宽0.5 m，墙长44 m，墙高为1.5 m，露出坝面1.0 m，埋入坝体0.5 m。防浪墙采用整体水泥砂浆罩面。

4)主坝迎水面干砌石护坡全部拆除，重新铺设干砌石护坡，干砌石厚0.3 m，护坡下为0.2 m碎石垫层，0.1 m粗砂垫层。下游护坡为干砌石护坡，干砌石厚0.3 m，护坡下为0.2 m碎石垫层，0.1 m粗砂垫层。坡脚排水棱体需拆除重新砌筑。

5)主、副坝坝顶路面经多年使用，现在已经不能满足行人行车要求，本次坝顶路面需要重新铺筑,厚度为0.3 m。

6)副坝700 m长，坝顶高程为108.6 m，坝顶宽2 m，本次需对坝体加高培厚，坝顶高程达到111.51 m，坝顶宽2 m，迎水坡为1∶2.0，背水坡为1∶2.5。

7)副坝迎水面干砌石护坡全部拆除，重新铺设干砌石护坡，干砌石厚0.3 m，护坡下为0.2 m碎石垫层，0.1 m粗砂垫层。下游护坡为干砌石护坡，干砌石厚0.3 m，护坡下为0.2 m碎石垫层，0.1 m粗砂垫层。坡脚排水棱体需拆除重新砌筑。

8)拆除原来的副坝防浪墙700 m，新建副坝防浪墙，墙宽0.5 m，墙长700 m，墙高为1.5 m，露出坝面1.0 m，埋入坝体0.5 m。防浪墙采用整体水泥砂浆罩面。

2.3 溢洪道除险加固维修改造设计

原有溢洪道底板已出现贯穿性裂缝，两侧挡土墙已坍塌，本次对溢洪道予以整体拆除需重建。新建溢洪道工程由进口、溢流堰、陡槽、消力池、海漫等组成[4-5]。进口段长10 m，宽80 m；宽顶堰堰体长4 m，宽60 m，堰顶高程108.0 m；陡槽段长90 m，两岸边墙为浆砌石重力挡土墙，墙顶宽0.5 m，墙基深1.2 m，墙高4.5～2.5 m；底板采用0.4 m厚浆砌石基础，0.1 m厚混凝土罩面；重建消力池，长15 m，宽30 m，边墙采用浆砌石结构；海漫长30 m，宽40 m，厚0.4 m，采用石笼结构。

2.4 输水洞除险加固维修改造设计

根据现状存在的问题可知，输水洞闸门已无法利用，必须更换，闸室存在裂缝，也需拆除重建，同时拆除闸室上游测的方涵，闸室后的洞身尚可利用，输水洞出口边墙及底板破坏严重，除洞身保留外，其余原地拆除重建[6-8]。

2.4.1 新建进口段设计

新建进口段及闸室设计的轴线位置与原输水洞完全一致。

2.4.1.1 进出口高程

本工程死水位为98.2 m，与原设计相同，为充分利用兴利库容，输水洞进口底高程定为98.2 m，出口由于要利用原有结构，因此出口高程与原设计保持一致。

2.4.1.2 进口段

进口段采用八字墙：进口宽3.0 m，八字墙紧接闸室，连接闸室处宽1.0 m，边墙为重力式混凝土结构，混凝土强度等级为C20，墙顶宽0.5 m，墙体高度2 m，底板厚度为1.0 m，沿输水洞轴线方向长3 m。迎水面为直立。

2.4.2 闸室设计

检修闸室采用塔式结构，为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C25，长2.20 m，沿坝轴线方向宽2.0 m，内宽0.80 m，底板厚1.0 m，座落在强风化岩石上。进口设一扇铸铁平板工作闸门，孔口尺寸为1.00 m×1.00 m。启闭机室为轻型结构，建筑面积为2 m×2 m。

2.4.3 出口边墙及底板设计

出口边墙及底板均采用60 cm浆砌石，墙高2.0 m，进口0.8 m宽，出口宽8.0 m。进口底长度为8.0 m，坡度为1∶16。

2.4.4 输水洞进口交通

新建长18 m的交通桥通至大坝坝顶。桥宽2.0 m，共3跨，每跨6 m，桥墩采用混凝土结构，厚度为0.5 m，基础为扩大基础，座落在坝壳料上，基础埋深1.6 m。桥面采用钢筋混凝土板结构[9]。

2.5 库区清淤与防渗

龙门水库经过几十年运作，库区淤积已经十分严重，本次采取清淤予以解决，清淤土方量为158 120 m3。清淤后库区采用土工膜防渗，防渗面积423 150 m2[10]。

2.6 库区占地

龙门水库除险加固维修改造工程实施后，水库大坝需永久性占地4.3 hm2，其中旱田3 hm2，林地1.3 hm2。

3 结 语

通过该项工程实施后，水库防洪效益巨大，下游河道防洪标准大幅度提高。基本解决了华锋村农田灌溉用水困难问题，使项目区的农业生产条件和环境得到了极大的改善，增强了农田的抗灾能力，解除了旱灾的威胁。为水库下游新城区景观带随时供水，改善生态环境，为新城区城市供水提供了可靠保障，为农村的稳定繁荣发展提供了有利环境，为建设社会主义新农村打下了坚实的基础。

[1]海城市海龙川水库除险加固工程设计[J].黑龙江水利科技，2013，41(02)：98-100.

[2]李浩.莫家沟水库除险加固工程设计[J].中国科技信息，2011(13)：59-60.

[3]郭文斗.般若院水库除险加固工程设计[J].河北水利，2007(06)：40-41.

[4]王志明.水库放水涵管除险加固的处理办法[J].中国水运:学术版,2007(02):63-64.

[5]王维.病险水库除险加固问题探讨[J].中小企业管理与科技:上半月,2008(05):16-17.

[6]李锐.绥化分局小型病险水库险情分析及除险加固建议[J].现代化农业,2009(11):29-31.

[7]袁梦.从化市小型水库现状及处理措施[J].广东水利水电,2010(06):62-64.

[8]和丽清,张仕红,柴正先.浅谈如何有效处理水库除险加固问题[J].经营管理者,2010(13):372.

1007-7596(2014)11-0154-03

2014-03-12

袁莹(1976-)，女，辽宁北镇人，工程师，研究方向为水利水电工程、河道、水土保持、水资源等。

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