镇门堡水库除险加固方案探析

1 概况

镇门堡水库地处山西省阳高县境内，水库库容设计值22万m3，主要作用是防洪，属小（2）型水库。水库在20世纪60年代开始建设，大坝总长135.6m，溢流坝区域长28.5m，在大坝左端位置0+034.7～0+063.2，属于开敞式溢流堰区域。镇门堡水库大坝包含非溢流区及溢流区。在该水库完工之后，可以长期为当地农业灌溉及防洪抗旱带来很多益处。由于长期运行，导致坝体出现了一些病险问题，对于水库安全运行造成了极为不利的影响。

2 存在问题

2.1 库区渗漏

从库区的地形、地貌方面来看，河流两岸岸坡较陡，库区处于低洼谷地，为周边地区地表和地下水的排泄区；从地质构造条件来看，由于库区构造作用不明显，未发现有构造带存在，不存在渗漏通道，从而形成库区盆状的储水条件；从岩性条件来看，库底基本由全新统冲积砂卵石构成，库岸为太古界强—中等风化片麻岩（Ar），渗透性均较强［1］。 库区存在渗漏问题。

2.2 库区淹没及浸没

由于水库的主要作用并非是蓄水，所以水库不存在浸没问题。不过若水库在高水位下，农田和树林等极易出现较短时间的浸没。

2.3 库岸稳定性

由于水库区域的岸坡相对陡峭，属于石质岸坡结构，岸坡岩石属于太古界强—中等风化片麻岩。在该水库缓洪运行之后，由于水体的侵蚀及风化作用，极易出现坍塌问题，对水库的正常运行不会造成较大影响［2］。

3 水库除险加固工程任务与规模

此次对该水库进行除险及加固处理，主要是为了增强水库自身防洪性能，有效去除水库大坝潜在的安全隐患，对水库建筑物进一步进行改造。

完成水库的除险加固施工后，水库的库容设计值17.1万m3，按照类别划分其属于小（2）型水库。依照SL252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》，该工程项目的等级属于Ⅴ等，工程涉及的主要建筑物及次要建筑物为5级。水库大坝最大坝高度小于15m，洪水设计标准为10年一遇，校核标准是50年一遇［3］。

4 水库除险加固

4.1 坝顶高程设计

由于该水库大坝的建筑工程等级属于5级，根据SL25—2006《浆砌石重力坝设计规范》，安全加高值设定为0.5m，校核0.3m。水库区域中最大风速值30m/s，对大坝的顶高程进行计算，计算结果如表1。

表1 坝顶高程计算

根据目前坝顶实测高程1233.3m，较表1计算所得的坝顶高程1232.22m高 1.08m，所以，该大坝的坝顶高程可以达到标准要求。

4.2 大坝渗流及坝坡稳定分析

4.2.1 渗流计算

针对大坝开展渗流稳定计算工作，大坝地下轮廓线总长108.2m，安全渗流所需的地下轮廓线长96m小于大坝地下轮廓线长度，满足渗径长度要求；渗透比降计算数值0.11，小于允许值0.45，该大坝下游岸坡渗流相对稳定。

4.2.2 坝坡稳定计算

4.2.2.1 抗滑稳定安全系数计算

镇门堡水库大坝属于浆砌石重力坝结构，抗滑稳定计算主要是核算坝体沿坝基面或地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。本工程采用抗剪强度公式，抗滑稳定安全系数计算公式为：

K=f∑W/∑P

式中 f为抗剪摩擦系数，取0.45；∑W为作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值；∑P为作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的切向分值。

代入抗滑稳定安全系数：

设计时，K=f∑W/∑P=2.53＞1.1

校核时，K=f∑W/∑P=1.93＞1.1

计算结果可知，设计和校核两种情况均符合规范要求。

4.2.2.2 应力分析

垂直正应力σyu和σyd计算公式：

式中 ΣW为作用在计算截面以上全部荷载的垂直分力总和；ΣM为作用在计算截面以上全部荷载的对截面形心的力矩总和；T为坝体计算截面沿上下游方向的长度，T=13。

代入求得设计时：

σyu=188.0kPa

σyd=178.4kPa

校核时：

σyu=162.0kPa

σyd=195.8kPa

由计算结果可知，设计和校核情况均未出现负值（拉应力），且最大应力195.8＜240kPa，满足规范要求。

5 大坝除险加固设计

按照堰流判别方式，堰坎厚度与堰顶水头之比δ/H=9/2.38=3.78＞2.5，该大坝坝顶水流型态为宽顶堰流。

5.1 溢流堰顶末端临界水深的计算

按照明渠恒定非均匀渐变流公式求解临界水深：

式中 hk为临界水深 （m）；α为动能修正系数；q为陡槽单宽流量（m3/s·m）；g为重力加速度，取9.8（m/s2）；Q为流量（m3/s）；b为矩形断面的宽度（m）。

宽顶堰顶末端与坝坡连接处采用反弧曲线衔接，反弧半径取R=4～10hk，根据计算取R=6m。

5.2 溢流坝水面线计算

溢流坝横断面为矩型断面，净宽40m，两侧导墙高2m，底坡1/0.8，C25混凝土衬砌糙率n=0.015，相当于泄洪陡槽［4］，按10年一遇洪水标准设计，50年一遇洪水校核。

陡槽开始断面水深采用临界水深，根据规范规定，陡槽段边墙高度应计入波动及掺气后的水深，再加上0.3m的超高。陡槽段掺气后水深计算结果如表2。

针对大坝存在主要问题，根据水力计算结果对大坝采取相应的除险加固工程措施。

表2 溢流坝陡槽段水面线计算成果 单位：m

6 效益分析

6.1 增产效益

阳高县镇门堡水库设计总库容17.1万m3，设计灌溉面积1000hm2，实际灌溉面积666.7hm2。通过对灌区现状作物种植比例及产量的综合计算，现状受益区内灌溉面积综合产值11641.5元/hm2，项目实施后，灌溉保证率提高，预测综合产值13486.2元/hm2，由此，1万hm2可增加产值1844.7万元。灌溉水效益分摊系数取0.4，则水效益增值49.19万元。

6.2 防洪效益

水库如溃坝会对下游的1000hm2耕地及下游村庄及公路铁路造成财产损失，直接经济损失估计为750万元。按30年计平均防洪效益为25万元。

以上合计，该工程实施后年效益为74.19万元。

［1］孙俊峰.水库大坝防渗加固设计探析［J］.中国水运（下半月），2016（1）：190-191.

［2］何伟琴.水库大坝渗漏原因分析及除险加固设计［J］.水利科技与经济， 2016（1）：27-29.

［3］高贵芬.关于水利大坝除险加固的设计及其施工分析［J］.科技创新与应用，2016（5）：196.

［4］郭小娜.横江水库大坝防渗加固设计［J］.水利建设与管理，2003，23（2）：14-15.

［5］刘范学.大双水库大坝防渗加固设计［J］.黑龙江水利科技，2013，41（9）：59-61.