民主水库除险加固优化设计分析

于巍巍，姜 丽

（本溪市水利电力勘测设计研究院，辽宁本溪117000）

民主水库除险加固优化设计分析

于巍巍，姜 丽

（本溪市水利电力勘测设计研究院，辽宁本溪117000）

以民主水库设计除险加固方案为例，首先分析了该水库主要存在的问题，在此基础上对水库的调洪演算、坝顶超高、坝顶高程等进行了验算，选择合适坝顶高程，并采用帷幕注浆技术对坝体进行了加固，采用软件对其稳定性进行了验算，然后对输水洞、溢洪道等关键部位进行了优化设计，取得了良好的加固效果。

民主水库；除险加固；优化设计

1 工程概况

民主水库位于本溪县碱石镇民主村太子河支流上。水库以上控制面积2.28km2，河道长度3.3km，河道平均比降124‰。拦河坝坝型为粘土心墙砂壳坝，坝顶高程24.72m，坝顶宽4.1m，大坝上游坝坡∶高程在20.38m以上，坝坡为1∶2.5，高程在20.38以下坝坡为1∶3.0，下游坝坡为1∶2.4，大坝全长124.51m；溢洪道位于右岸，为开敞式溢洪道，由进口侧堰、陡坡段、消能工等组成，全长87.29m，堰顶高程22.7m，侧堰长16.28m，采用挑流式消能形式；输水洞设在大坝右端，进水口采用分级卧管方式，输水洞采用浆砌石渠槽钢筋混凝土拱涵结构。

2 工程主要问题

2.1大坝坝体

（1）坝坡局部破坏变形。上游坝坡变形，存在局部破坏及沉陷现象。通过现场检查发现，大坝上游坝坡局部塌陷，迎水坡底部（水面以下）下沉比较明显，下游坝坡坡面参差不齐［1］。

（2）护坡。上游护坡干砌石严重破坏。下游无护坡、排水设施，坝体产生破坏。

（3）坝顶防浪墙。防浪墙有十多处开裂，并向库区倾斜。

（4）坝顶路面无防护措施，对大坝防汛、交通不利。

2.2大坝坝基

坝基渗漏，坝下形成沼泽，集水井附近有涌水现象，个别时段涌黄浊水［2］。

2.3溢洪道

（1）溢洪道右侧山体岩石风化严重易塌落。

（2）溢洪道左右岸边墙的混凝土护面部分出现裂缝现象。

（3）溢洪道控制段、陡槽段岩石裸露，风化严重。

3 水库加固措施优化设计

3.1调洪演算

民主水库为开敞式溢洪道，起调水位按溢洪道堰顶高程22.7m开始起调，输水洞不参与调洪。因所求设计洪水过程线形状系数rp＜0.05，则采用以设计洪峰流量QP为最大流量，按式W调p＝0.67W24P＋0.12QP*τ计算出的W调p为洪水总量，洪水历时为T＝5.56W调p/QP的简化三角形过程线（过程线不必画），计算出不同频率参与调洪的洪量W调p代入简化公式∶qP＝Qp（1-进行调洪计算。各频率调洪计算成果见表1、表2。

洪水调节成果见表3。

表1 P＝5%调洪计算成果表Qp＝45.18m3/s W调P＝27.24万m3

表2 P＝0.5%调洪计算成果表Qp＝70.98m3/s W调P＝45.01万m3

表3 民主水库调洪演算成果

经过水库调洪计算后得∶

设计标准P＝5%时，设计洪水位为23.91m，相应下泄流量36.10m3/s。

校核标准P＝0.5%时，校核洪水位为24.37m，相应下泄流量58.38m3/s。

3.2坝顶高程复核

3.2.1 计算风速的确定

多年平均年最大风速为16.0m/s，风向南风。各种特征水位在经过大坝洪水标准复核之后，按照相关规定，再对坝顶的高程进行复核。

3.2.2 计算坝顶超高

根据《碾压式土石坝设计规范》的规定，对于坝顶超高，分别进行两种情况的计算，并取其最大值∶

第一种，坝顶超高的计算是在设计洪水水位加正常运用的情况下；第二种，坝顶超高的计算是在校核洪水水位加非常运用的情况下。其具体公式如下∶

上式中，y代表坝顶超高，m；R代表坝坡上最大波浪的爬高，m；e代表最大风壅水面高度，m；A是安全加高，m。

（1）波浪爬高的计算

采用莆田试验站的公式来分析和计算本次坝顶超高复核风浪要素。

①平均波长λ的计算∶

其中，T代表平均波周期，并按照T＝4.438h0.5来进行计算，而H则代表水域平均深度。

②平均波高h的计算∶

其中g代表重力加速度，g＝9.81m/s2；H代表水域平均深度；D是吹程（对岸到计算点逆风向量的距离），m；W则代表最大风速，即设计洪水位为1.5倍的多年平均最大风速，校核洪水位取多年平均最大风速。

③波浪爬高RP的计算∶

其中，KΔ代表护面类型为砌石护坡的斜坡糙率系数，KΔ＝0.8；Kw代表经验系数；h-则为平均波高（坡前波浪），m；m代表土坝斜坡的坡率，其值为2.5；λ为波长（坝前波浪），m。

按照爬高分布，设计波浪爬高RP，并进行换算，则可以确定该工程属于5级建筑物，且是一个P＝5%，即波高累计频率为5%的建筑物。

（2）风壅水面高度e的计算

其中K＝3.6×10-6，代表综合摩阻系数；W代表风速（距离水面10m处风速），m/s；D为吹程，是对岸交点到计算点与坝轴中线的平行线的距离，m；β＝8°，代表水域中线与风向的夹角；H为平均水深，m；g代表重力加速度。

（3）安全加高A的计算∶

根据《碾压式土石坝设计规范》规定，当校核水位时，安全加高为0.3m；当设计水位时，安全加高为0.5m。

因此，坝顶超高计算可根据上述所列计算参数、公式计算，其结果如表4∶

表4 坝顶超高计算成果表

3.2.3 坝顶高程复核

根据《碾压式土石坝设计规范》的规定，坝顶高程在土坝各种运用情况下的计算结果如表5所示∶

表5 坝顶高程计算成果表

由表5看出，复核后坝顶高程取设计水位的坝顶高程25.28m为民主水库的坝顶高程。目前民主水库实际坝顶高程为24.56m，浆砌石防浪墙高0.96m，防浪墙顶高程25.52m，因民主水库校核洪水位24.37m低于现状坝顶高程24.56m，即现状坝顶高程满足现行规范的要求。

4 加固方案设计

4.1防浪墙

根据坝顶高程计算结果，现状坝顶高程24.56m，设计水位的坝顶高程25.28m，浆砌石防浪墙高0.96m，防浪墙顶高程25.52m，因民主水库的防浪墙为浆砌块石，比较坚固与坝体防渗体结合较好，且水库校核洪水位24.37m低于现状坝顶高程24.56m，所以防浪墙顶高程25.52m代替坝顶高程是可行的。

4.2护坡及坝坡整理

4.2.1 上游坝坡

大坝上游坝坡，高程在20.38以上，坝坡为1∶2.5，高程在20.38以下坝坡为1∶3.0，从死水位13.1m以上设置干砌石护坡，死水位以下为抛石体护坡。其加固处理内容为∶

（1）从13.1m高程起始向上，原干砌石护坡因损坏严重和坝坡整理需清挖并重新砌筑，具体护坡形式由上往下为300m m厚的干砌块石护坡、200m m碎石垫层、100m m粗砂垫层。

（2）从13.1m高程起始向下，利用原干砌石护坡及碎石垫层（总厚50c m）进行抛石护坡。

4.2.2 下游坝坡

大坝下游面边坡为1∶2.4，选用的加固处理方案为∶

（1）对现状边坡进行坝坡整理。

（2）坝顶至13.79m高程设置草皮护坡；水库在正常高水位时下游逸出点高程为12.64m，故在13.79m高程至坝脚地面加设干砌块石贴坡排水。排水体自下而上的砂砾料粒径与厚度分别为（d＝1～5m m）厚150m m、（d＝5～20m m）厚250m m和（d＝300m m）厚300m m。

4.3坝基防渗处理

坝后出现沼泽化，并有3处涌水现象，主要集中在输水洞附近。采取帷幕灌浆进行坝基防渗处理。帷幕灌浆共62个孔，平均深19m，由下至上∶基岩灌浆6m，其余为心墙钻孔回填混凝土。

4.4溢洪道工程设计

加固工程在溢洪道原位进行，其主要结构形式特性∶为开敞式溢洪道，由进口溢流堰、陡坡段、消能工等组成，全长87.29m，堰顶高程22.7m，侧堰长16.28m，陡坡段长度79.75m，下接挑流鼻坎消能。主要加固内容∶

（1）溢洪道右侧山体风化严重，一旦在泄洪时坍塌，容易堵塞溢洪道，影响溢洪道泄洪，对右侧山体进行挂网衬砌，右侧山体衬砌高度与左侧边墙等高，衬砌高度以上为喷锚，衬砌厚度为200m m，喷锚厚度为100m m。

（2）溢洪道左右岸边墙为混凝土护面结构，现场检查部分出现裂缝现象，拆除原混凝土护面，对边墙进行挂网衬砌，衬砌厚度为200m m。

（3）控制段、陡槽段底板衬砌300m m钢筋混凝土。

4.5输水洞优化设计

4.5.1 进水口

新建工作桥及启闭平台，工作桥的结构形式为1.5m宽钢混结构人行桥，启闭平台尺寸为2.5m* 2.5m，上设启闭机室一座。进水口设一扇SF Z 800方闸门，配备一台Q D A-60式启闭机。

4.5.2 输水洞

试算输水洞过流量∶

式中∶Q—通过管道的流量，m3/s；

μc—管道系统的流量系数；

∑ζ—局部水头损失系数和，取1.5；

λ—沿程主力系数，取0.018；

d—管径，m；

A—过水断面面积，m2；

H—管道出口断面中心与上游水位的高差，m。

经试算，当管径D＝0.6m时，μ c＝0.44，Q＝0.56m3/s，原输水洞过流量为0.5m3/s，新建φ 630P E管输水，满足流量要求。

4.5.3 回填混凝土

输水洞存在严重渗漏，影响输水洞安全运行。原输水洞为矩形洞，净宽0.8m，高0.8m，现新建φ 630P E管，对P E管周边进行混凝土填充。

4.6渗透稳定复核计算

利用大坝最高断面，采用有限元法，作为典型断面分析计算大坝的渗流问题。渗透稳定复核计算假设下游的水位刚好淹没地面一点，而上游为正常蓄水位。这样采用水泥帷幕灌浆的坝基、粘土充填式灌浆的坝体以及加固下游边坡之后，就会满足大坝对于渗流稳定的要求。

稳定计算方法根据规范（SL 274-2001）规定，采用计及条块间作用力的简化毕肖普法计算坝坡抗滑稳定安全系数。稳定计算成果见表6。

表6 土坝稳定计算成果表

5 结论

通过分析民主水库大量资料的基础之上，优化设计了民主水库大坝除险加固方案，水库调洪演算、坝顶超高、坝顶高程的验算，以及采用帷幕灌浆加固技术，最终选出最佳防渗加固设计方案。通过对民主水库除险加固工程实施后，不仅提高了水库的经济效益，而且还扩大了水库的调洪能力，降低了下游的洪水灾害。希望可以通过对民主水库除险加固工程优化设计方案的总结，为我国其它水库除险加固工程提供一定的参考。

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：1672-2469（2016）05-0116-04

D0I∶10.3969/j.i s s n.1672-2469.2016.05.041

2015-10-13

于巍巍（1983年—），男，工程师。