某水库除险加固溢洪道下游消能防冲段加固处理

李 华，唐 宏

(1.江西省大余县水利局，江西 大余 341500；2.江西省大余县水库工程管理局，江西 大余 341500)

1 工程概况

某水库是一座以灌溉为主兼有发电、防洪、养殖等综合利用的中型水库[1]。工程由水库枢纽和灌区两大部分组成，水库现状总库容1552.2万m3，其中兴利库容1206万m3，为年调节中型水库。水库现状设计洪水标准为50 a一遇设计，1000 a一遇校核，校核洪水位为363.24 m，水库正常蓄水位为360.00 m。水库设计灌溉面积1.02万亩，灌溉保证率90%。保护下游人口0.96万人，耕地1.7万亩。水库于1980年6月建成开始蓄水运行，至今已运行30余年，发挥了巨大的工程效益。2015年6月8日以来，水库内连降大雨和暴雨，6月11日因大量洪水冲刷导致水库溢洪道底部靠厂房侧山体产生大面积滑坡，严重影响了大坝和电站的安全。为确保水库的安全运行，充分发挥水库的灌溉、防洪、发电等综合效益，对水库进行应急除险加固。本文主要进行溢洪道存在的问题、工程地质条件分析以及溢洪道消能防冲复核，并进行溢洪道下游消能段除险加固。

2 溢洪道存在的问题

水库溢洪道位于大坝南侧，与坝肩相邻，溢洪道沿左岸浑厚的山体斜坡布置，溢洪道全长176 m。溢洪道目前存在的主要问题有：(1)溢洪道陡坡段末端右岸山体出现滑坡(1#滑坡)，面积约250 m2。陡坡段末端左岸出现滑坡(2#滑坡)，面积约600 m2；(2)溢洪道桩号0+105～0+113 m桩号处为F1断层，断层宽6 m～8 m，与溢洪道呈大角度相交，经多次泄洪冲刷，现状已形成深3.5 m的冲刷坑；(3)溢洪道陡坡段末端右侧边坡沿F1断层方向完全被冲毁，并在北西侧形成5 m～6 m深的冲刷坑。

3 工程地质条件及评价

水库库区属构造侵蚀的中低山坡陡地貌，地面呈波状起伏，沟谷发育，地表高程一般在300 m～600 m之间。库周两岸山坡坡度一般为25°～35°，靠近大坝地段岸坡坡度约30°，水库区河床较窄，河谷呈“U”字型，库盆较平缓，库前地形开阔。库区内出露的地层岩性主要有：晚侏罗世下渡组(Jxd)紫红色流纹质熔结凝灰岩，第四系冲洪积砂砾卵石层(Qal+pl)、第四系含碎石坡残积层(Qdl+el)粘土等。库区内地质构造较简单，以断层和节理裂隙为主，无区域性大断裂构造带通过。库区岩体风化作用强烈，地表岩石多为强至全风化，全风化层厚度一般为0.8 m～3.5 m，局部达到4 m以上。第四系残坡积层遍布库周山体，其厚度一般为0.6 m～1.5 m，最厚可达2 m以上。库区水文地质条件简单，地下水主要来源于大气降水，根据含水层性质、地下水埋藏条件，本区地下水含水层为：孔隙性含水层和裂隙含水层。工程区场地类型属坚硬～中硬，场地稳定性较好，测区地震动峰值加速度小于0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，相应地震基本烈度小于6度。

溢洪道下游段0+105 m～0+113 m底板为F1断层，断层被弱至全风化辉绿玢岩脉(βμ)充填，全风化辉绿玢岩脉浸水易软化、崩解，抗冲刷能力差，经多次泄洪冲刷，该地段已形成深3.5 m的冲刷坑，并导致溢洪道右侧边墙失稳坍塌，且有进一步加深冲刷的趋势，该段溢洪道存在地基稳定性差的工程地质特性，岩体基本质量等级属Ⅴ类，物理力学性能差。

4 溢洪道消能防冲段加固处理

4.1 溢洪道消能防冲复核

陡槽段末端采用挑流鼻坎进行消能，鼻坎顶高程348.37 m，挑射角25°。挑流计算采用《溢洪道设计规范》规定的计算公式，即：

(1)

式中：L为自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距，m；θ为挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角25°；h1为挑流鼻坎末端法向水深，m；h2为鼻坎坎顶至下游河床高程差，m；V1为鼻坎坎顶水面流速，m/s，可按鼻坎处平均流速V的1.1倍计，以上参数值见表1。

冲刷坑最大水垫深度计算公式：

T=Kq0.5Z0.25

(2)

ts=T-z

(3)

式中：T为自下游水面至坑底最大水垫深度，m；ts为冲坑深度，m；q为鼻坎末端断面单宽流量，m3/s·m；Z为上下游水位差，m；z为下游水深，m；k为综合冲刷系数，选用k=1.40。

挑流计算复核根据规范要求采用30 a一遇洪水复核，计算成果见表1。

表1 挑流消能复核成果表

根据《混凝土重力坝设计规范》中有关挑流消能的安全挑距的规定，应不影响坝趾基岩稳定，冲坑最低点距坝趾的距离应大于2.5倍的坑深。水舌入水宽度应不影响冲坑两侧岸坡或其他建筑物的稳定。从表1可知水库的消能防冲满足要求。

据现场踏勘和工程地质评价，在溢洪道桩号0+105 m～0+113 m(挑流冲坑位置)断层位置，溢洪道存在地基稳定性差的工程地质特性，因此需对冲刷坑进行处理。

4.2 消能防冲段加固方案比选

本次溢洪道消能防冲段加固依据泄水消能后行洪线路，拟选用两种方案进行比较分析。

(1)方案一

恢复原溢洪道行洪线路方案，新建溢洪道右侧墙，对冲刷坑进行回填、护砌，拓宽修整溢洪道出水渠，具体建设内容为：

对1#冲刷坑采用C25埋石砼填筑，并在面层设C25钢筋砼护坦，护坦长10 m，宽14.5 m～16 m，厚1 m，面层设φ14钢筋网，间距200 mm。护坦设DN100PVC排水管，间距2 m×2 m，梅花型布置。

对2#冲刷坑由下至上分三级填筑。第一级为2#冲刷坑回填，填筑材料为C25埋石砼，填筑最低高程319.6 m，顶部高程324.5 m～326.0 m。第二级为新建侧墙基础，采用C25埋石砼填筑，高程326.0 m～333.0 m。呈台阶状，每级台阶宽0.5 m，高1 m。第三级为C25埋石砼侧墙填筑。侧墙顶宽0.8 m，底宽2.6 m～3 m，高4 m～5 m，挡墙内侧坡比1∶0.05，外侧坡比1∶0.45，挡墙设置范围为溢洪道桩号0+103.5～0+131.5，总长28 m。

桩号溢0+96.5～0+103.5，新建右侧导墙，导墙高2.5 m，顶宽0.5 m为C25钢筋砼结构。导墙基础采用台阶式开挖，每阶宽1 m。设有一排Φ25锚筋与墙身链接，锚筋长2 m，间距1 m，深入岩基1.5 m。

桩号溢0+131.5～0+176.0，对出口段岩体进行开挖平整拓宽，开挖平整后底高程为333.0 m，左侧开挖边坡为1∶0.5。

(2)方案二

维持现有溢洪道行洪线路，在2#冲刷坑区域新建消力池，并对沿线岸坡进行护砌，出水渠段突出的阻碍行洪的岩体进行挖除。具体建设内容为：

对1#冲刷坑采用C25埋石砼填筑。并在面层设C25钢筋砼护坦，护坦顶高程332.0 m，厚1 m，面层设一层φ14钢筋网，间距200 mm。护坦设DN100PVC排水管，间距1 m×1 m，梅花型布置。

对2#冲刷坑采用C25埋石砼回填，填平至324.5 m，上部新建C25钢筋砼消力池，消力池长10.5 m，宽10 m～12 m，厚0.8 m。池底高程325.5 m，设双层φ16钢筋网，间距200 mm。池底底设φ100PVC排水管，间距2 m×2 m，梅花型布置。消力池后设有C25钢筋砼消力坎，坎顶高程327 m，消力坎后是布置10 m长的海漫。

新建C20埋石砼挡墙56.5 m，挡墙布置在行洪渠道两侧受洪水冲刷严重的区域。挡墙高3 m～4 m，顶宽0.5 m，外坡坡比1∶0.05，内坡坡比1∶0.3.5。

对溢洪道冲刷坑后桩号0+131.5～0+176.0处，突出阻碍行洪的岩体进行拓宽平整处理。

(3)对比分析

分别对两种方案的地形地质条件、工程布置、施工条件、主要工程量、施工进度、工程投资等进行分析整理，综合汇总两方案技术经济条件进行比较，见表2。

从表2看出，两种加固方案均能起到消能防冲效果，对溢洪道末端及两侧岸坡均能起到较好的保护作用，施工工艺与施工条件均较为成熟方便。方案一投资较高，岩体开挖方量较多，但溢洪道保持原有的行洪线路，不会生产新的冲刷隐患。方案二投资较小，较好利用了现有的地形条件，减少岩体开挖量。但因其改动了原来的泄洪渠道，会对两岸产生新的冲刷安全隐患，并对下游产生一定的影响。

表2 加固方案技术经济条件比较表

综合比选，方案一工程投资略高于方案二，但该方案治理效果较好，满足溢洪道泄洪消能的要求，同时不会产生新的安全隐患，因此本次溢洪道消能防冲段加固拟采用方案一。

4.3 滑坡体治理加固方案

4.3.1 滑坡成因分析

从总体上来看，造成滑坡的成因主要有以下几点：

(1)在F1断层处，溢洪道边坡受断层影响，边坡稳定性差，曾沿F1断层方向发生滑坡，目前该边坡已基本稳定；

(2)连续暴雨是滑坡产生的直接诱因；

(3)溢洪道的边坡开挖改变了坡体的原始地形，对坡体前缘卸荷，减小了滑体阻滑力，从而降低滑坡的稳定性，是形成滑坡的另一重要因素。

4.3.2 滑坡治理方案确定

(1)1#滑坡体

现场检查1#滑坡体滑移面裸露，为岩质边坡，坡面基本稳定。1#滑坡体位于陡坡段末端左侧山上，其位置对下游溢洪道泄洪安全影响较小。因此，本次应急加固不对其进行加固处理，仅在边坡坡顶设截水沟，加以衬砌，以防止地表水注入滑坡体，影响滑体稳定性，截、排水沟采用梯形截面，C20砼结构。

(2)2#滑坡体

2#滑坡体滑移面裸露，为岩质边坡，坡面平顺光滑，已处稳定状态，本次应急加固对坡面残余滑坡体进行清除，沿滑坡体后缘设置截水沟，截水沟结构形式同上。

5 结论及建议

该水库于1980年6竣工投入运营，至今已运行30余年，工程效益显著，为发展该地的地区经济，提高人民的生活水平和质量发挥了重要作用。除险加固为水库的正常运营，地区经济持续发展，下游人民群众的生命财产安全提供了安全保障。工程于2018年完成除险加固，除险加固后水库正常运行，建议水库溢洪道除险加固后在运行中要加强管护和观测，防微杜渐，避免造成损失。