冰沟水库大坝和溢洪道除险加固方案比选设计分析

2022-03-14赵明

东北水利水电 2022年3期

赵明

（北票市防汛抗旱指挥部办公室，辽宁北票 122100）

中小型水库是地方性水利设施的主要表现形式，建设数量多，分布范围广，对区域防洪排涝有着重要作用。但是随着年久失修情况越来越多，对中小型水库工程开展除险加固工作成为很多地区面临的共性问题。

1 工程概况

冰沟水库位于辽宁省北票市常河营乡新建村大凌河二级支流常河营河上，是一座以防洪为主的小（2）型水库。现状总库容26.49万m3，集雨面积2.35 km2，河流长2.36 km，河道平均比降为1.67%。冰沟水库于1974年11月投入使用，未正式组织验收，后续灌溉等配套设施由于资金原因未再建设，自建成之日起一直带病运行。目前，大坝存在主坝基渗漏严重、护坡石风化严重、排水体破损、溢洪道底板风化严重且边墙未建设完全等问题，需要进行必要的除险加固工作。

2 水库工程现状复核

1）死水位复核

项目根据垫底库容公式即式（1）来对水库死水位进行复核。根据2018年实测资料和水位～库容曲线（图1），查得此次冰沟水库除险加固复核水库死水位为303.82 m。

图1 冰沟水库“水位~库容”曲线

式中：G——悬移质多年平均输沙量；T——水库运用年限，取20年；E——推移质占悬移质比重，取0.2；r——泥沙容重，取1.3。

2）洪水调节计算

冰沟水库溢洪道为开敞式、无闸、无底坎、自由出流的宽顶堰，净宽6.08 m，输水洞不参与调洪。溢洪道泄量公式：[2]

式中：Q——流量，m3/s；m——流量系数，取0.385；ε——侧收缩系数，取1；B——溢洪道宽度；H0——计入行进流速的堰上水头，m。

计算成果见表1。绘制溢洪道水位～泄量曲线图（图2），确定现状起调水位为307.58 m。

图2 冰沟水库“水位~泄量”曲线

表1 现状溢洪道水位与泄量关系成果表（部分）

3）大坝安全复核

该项目计算工况依据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》，大坝稳定计算成果见表2[3]。

表2 大坝稳定计算成果表

从表2中可知K计＞K允，所以土坝边坡是安全稳定的。

4）溢洪道安全复核

根据SL 253-2000《溢洪道设计规范》，边墙顶高程在宣泄校核洪水时不应低于校核洪水位加安全超高值（0.3 m）[4]。各断面边墙顶高程等于边墙底高程加上水深加上安全加高，计算结果见表3（部分）。

表3 泄槽边墙顶高程计算表（P=0.33%）m

经计算可知，溢洪道存在泄流安全隐患。

3 水库工程除险加固设计

3.1 水库大坝除险加固设计

1）加固方案对比分析

专家组在对大坝实况进行了详细勘察后，针对渗漏点在坝基和右坝肩位置，设计出了两种加固方案：①帷幕灌浆，材料制备要求苛刻，施工工艺复杂且要求严格，施工时间须严格控制，对施工技术要求较高，投资较高；②大开挖土工膜防渗，施工程序少，工艺简单，对施工时间无要求，对施工团队技术要求合理，投资较低[5]。通过对比，此项目选择大开挖土工膜防渗加固技术。

2）加固设计要点分析

该项目土方明挖工程采取“自上而下、分段、分层施工”一次进行，开挖至中风化岩层上，最大开挖深度11.00 m，不允许先下而上切脚开挖。依据工程土质情况，自上而下在深度5.00 m处设置戗台，戗台以上坡度1∶1，以下坡度1∶1.25[6]。

土方开挖工程考虑土层含水情况，边坡稳定采用北京理正软件设计研究院编制的《理正边坡稳定分析软件》计算土坡稳定安全系数，计算简图见图3。经计算，边坡滑动安全系数为2.22，大于规范值。

图3 瑞典条分法计算示意图

土工膜（土工布拉伸强度10 kN/m、土工膜拉伸强度12 kN/m）由上向下铺至坝脚外延3.00 m，上部锚固，采用工程胶粘接，搭接宽度0.50 m，搭接处强度不能低于土工膜的80%。下料幅长要满足下沉最大长度，再加上上部预留1.50 m。在搭接处形成T字形搭接，不能用十字形搭接；土工膜铺设完毕后铺设砂垫层0.10 m、碎石垫层0.20 m和干砌石护坡。其中砂垫层采用中砂或中粗砂，铺平后洒水振实。碎石垫层采用天然砂砾石料或人工碎石，粒径2~4 cm，铺平后洒水振实。

3.2 溢洪道除险加固设计

鉴于冰沟水库溢洪道泄流能力不足，可选3种除险方案：加深溢洪道、拓宽溢洪道，加深拓宽溢洪道。其中，方案一会使堰顶高程下降较多，库容量减少较大，同时施工难度较大；方案二对溢洪道右侧山体征占面积较大，征占地协调难度较大，因此，溢洪道采用方案三进行除险加固。

1）泄流能力设计

过堰流量q计算公式[7]：

式中：q——流量，m3/s；B——堰宽，取7.87 m；H——计入行进流速水头的堰上水深，m。

经计算可得：当P=5%，库水位308.51 m，H=1.13 m，泄流量30.8 m3/s，单宽泄量q=2.05 m3/s；P=0.5%，库水位309.27 m，H=1.89 m，泄量66.7 m3/s，单宽泄量q=4.45 m3/s。该项目按照P=0.5%作为设计标准。

2）边墙高度计算

以上述泄流能力q作为计算标准，该项目溢洪道各断面边墙顶高程=边墙底高程+水深+安全加高，计算结果见表4。此次对原有边墙进行拆除重建，设计采用浆砌石结构，边墙顶宽0.50 m，迎水面坡比1∶0，背水坡坡比1∶0.3，总长84.00 m，左侧59.50 m，右侧24.50 m，每隔15.00 m设沥青木板伸缩缝。

表4 泄槽边墙顶高程计算表（P=0.5%）m

3）溢洪道宽度计算

溢洪道宽度b根据过流断面面积w来间接计算：

式中：J——上、下断面平均水力坡降；η——糙率，取0.02；Q——设计过水流量，m3/s；R——水力半径，m。

经计算，当b=15.00 m时，可满足泄量66.7 m3/s的要求，按照该参数拓宽溢洪道。

4）溢洪道施工要点设计

溢洪道边墙采用人工砌筑，块石缝隙要利用水泥砂浆填实，上下层要错缝砌筑且块石间搭接好，对新砌筑边墙砂浆抹面，每隔15.00 m设沥青木板伸缩缝一道；新建边墙从底向上设3层排水管，最下层排水管距墙底0.40 m，第二层排水管距第一层高度1.00 m，第三层排水管距第二层高度1.00 m，成梅花形布设，横向间距3 m。溢洪道底板下设排水槽深0.30 m，边坡为1∶1，底宽0.30 m，内铺设碎石。