海龙川水库大坝除险加固设计与计算

2014-09-05项伟

黑龙江水利科技 2014年12期

关键词：防浪龙川洪水位

项伟

(海城市南台水利服务站，辽宁海城 114200)

海龙川水库大坝除险加固设计与计算

项伟

(海城市南台水利服务站，辽宁海城 114200)

水库坝体的防渗加固问题一直是水库除险加固施工中重要的环节。当水库大坝的基础地质较差渗透性较强时，在水流的作用下对大坝体及基础的危害很大。文章以海城市海龙川水库为例介绍了水库大坝除险加固设计及计算分析。

除险加固；坝顶高程；大坝断面；稳定分析

1 工程概况

1.1 工程级别及防洪标准

海龙川水库位于海城市南部距市内40 km的山区，坝址位于岔沟镇龙川村。工程于1958年12月建成并投入使用。是以灌溉为主，结合防洪、养殖、供水等综合利用的水库。

水库设计正常蓄水位264.5 m，相应库容为9.42 万 m3；死水位260.00 m，相应库容为1.09 万 m3；设计洪水位266.03 m，相应库容为14.16 万 m3；校核洪水位266.79 m，相应库容为16.93 万 m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)规定，确定水库工程规模为小(2)型水库。海龙川水库现工程规模为工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级。水库的设计标准是20 a一遇，校核标准是200 a一遇。枢纽工程主要建筑物防洪标准见表1。

表1 主要建筑物防洪标准

1.2 工程现状与存在问题

水库坝型为黏土心墙，坝顶高程267.4 m，坝顶宽4.5 m，上游坝坡坡比为1∶3.0，下游坝坡坡比为1∶2.5，坝长236.5 m。

大坝上游护坡石大范围出现坍陷，局部块石滑动和丢失，水库左侧坝肩上坝公路低于坝顶高程1.5 m。

2 除险加固设计方案

大坝迎水坡原干砌石护坡整修加固。左坝肩部位加高左坝肩段路基至坝顶高程，并与左岸坡衔接。大坝右坝头刺墙部位拆除重建，原浆砌石防浪墙拆除，新建钢筋混凝土防浪墙，大坝背水坡保持原草皮护坡，坝脚处增设排水体[1-2]。

3 设计与计算分析

设计与计算分析内容包括5个方面：坝顶高程确定、大坝断面设计与稳定计算、上下游护坡加固处理方式、渗流控制措施设计和防渗体尺寸确定与复核。

3.1 坝顶高程确定

坝项高程确定内容包括大坝高程现状、水位和坝顶高程确定。

3.1.1 大坝高程现状与水位

大坝坝顶高程现状与本次加固设计水位成果见表2。

表2 加固设计方案特征水位

3.1.2 坝顶高程确定

海龙川水库为黏土心墙坝，坝长236.5 m，原设计坝顶高程267.4 m，心墙顶高程266.62 m。防浪墙顶高程268.02 m。

大坝坝顶高程按《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)规定等于水库静水位与坝顶超高之和，并按以下运用条件计算，取其最大值。

设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高；校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高[3-4]。

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。

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hm计算

(2)

式中：hm为平均波高，m；g为重力加速度，g=9.81 m/s2；Hm为水域平均水深，m；D为风区长度，m；W为计算风速，m/s，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Lm按如下公式计算

(3)

式中：Lm为平均波长，m；Tm为平均波周期，按公式Tm=4.438 hm0.5计算；H为坝迎水面前水深，m。

3)波浪爬高RP计算

平均波浪爬高Rm采用计算公式为：

(4)

式中：Rm为坡前波浪的平均波高，m；m为单坡的坡度系数，若坡角为α，即等于cotα；m=3；K△为斜坡的糙率渗透性系数；护面类型为砌石护坡，K△=0.77；KW为经验系数；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=5%。

风壅水面高度e计算：

(5)

式中：e为计算点处的风壅水面高度，m；D为风区长度，m；320 m；K为综合摩阻系数，取3.6×10-6；β为风向与水域中线的夹角，取β=0°；W为计算风速，m/s；Hm为水域的平均水深，m；安全加高A。

根据《碾压式土石坝设计规范》(S274—2001)设计水位时，A=0.5 m，校核水位时，A=0.3 m。各计算工况坝顶高程计算成果见表3。

表3 各计算工况坝顶高程计算成果表 m

《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)规定当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高可改为对防浪墙顶的要求。但此时在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.50 m；在非常运用下，坝顶应不低于静水位[5-7]。

本次加固设计继续采用防浪墙挡水，大坝现有坝顶高程267.4 m，防浪墙顶高程为268.02 m。

从计算结果可以看出：

1)坝顶高程理论计算值为267.81 m，小于现有防浪墙顶高程268.02 m。

2)校核洪水位266.79 m，低于现有坝顶高程。

3)设计洪水位266.16 m，低于现有坝顶高程1.24 m。

经复核原大坝顶高程267.40 m，防浪墙顶高程268.02 m，满足规范要求。

因此，本次加固设计坝顶高程仍采用原设计坝顶高程267.40 m。

新建防浪墙顶高于坝顶1.0 m，本次加固设计防浪墙顶高程为268.4 m[8-9]。

3.2 大坝断面设计与稳定计算

本次加固设计坝顶宽度仍用原坝顶宽度4.50 m，上下游坡比仍采用原设计坡比，上游迎水坡比1∶3.00，下游背水坡比1∶2.50[10-11]。坝顶高程为267.40 m。上游迎水坡戗台仍采用原宽度5 m，原高程265.36 m。

本次加固设计断面与原断面相同，因此不再进行坝体稳定计算。

3.3 上下游护坡加固处理方式

海龙川水库大坝迎水坡加固方式：

1)原护坡石拆除。

2)增设30 cm反滤层，反滤层自下向上为10 cm砂砾料垫层，20 cm碎石垫层。

3)重新砌筑干砌石护坡，干砌石护坡厚度30 cm(原护坡石利用率30%)，更新的块石为花岗岩。

4)增设迎水坡脚抛石护砌，抛石料采用拆除的原干砌石石料。

水库大坝背水坡加固方式：背水坡增设草皮护坡及排水体。

水库大坝坝顶加固方式：设计坝顶高程为267.40 m。修建坝顶路，坝顶路设计采用20 cm厚砂石路面，路面宽度4.50 m。坝顶路面高程267.60 m。

为满足防渗要求，将原浆砌石防浪墙改建为钢筋混凝土结构，防浪墙基础埋深0.78 m，座落在黏土心墙顶部，防浪墙顶高程268.4 m，底高程266.62 m[12]。加高左坝肩，左坝肩部位因修村路降低了原坝肩高度，现低于坝顶高程约1.5 m，用黏土加高左坝肩段路基至坝顶高程，并与左岸坡衔接，恢复原沥青路面。

恢复沥青路面长70 m，宽4 m，沥青路面8 cm厚，路基长度70 m、宽4 m，路基加高土料为山体削坡岩石料。

3.4 渗流控制措施设计

水库大坝下游坡脚新建贴坡排水体，高2.0 m，采用干砌石结构。

3.5 防渗体尺寸确定与复核

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)对防渗体结构规定，当防渗体顶部设有防浪墙时，防渗体顶部高程可不受超高限制，但不得低于正常运用的静水位。海龙川水库大坝防渗体顶高程266.62 m，大于设计洪水位266.03 m，满足本次加固设计要求。