水库除险加固工程设计——以开平市石堆水库为例

徐晓冬

(江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东 江门 529000)

1 工程概况

石堆水库位于开平市大沙镇岗坪村，水库于1980年7月竣工投入运行，至今已运行了30多年。水库内包括土石坝1座，重力坝1座(含溢流坝)，输水涵管1座，是一座以防洪为主，兼顾发电、养殖、生态等综合利用的小(2)型水库，V等工程，建筑物为5级。

水库设计洪水标准为20～30年一遇，校核洪水标准土石坝为200～300年一遇，浆砌石坝为100～200年一遇。水库正常蓄水位为151.00 m，相应库容16.53万m3，经过本次调洪演算，20年一遇设计洪水位154.03 m，相应库容38万m3，200年一遇校核洪水位155.06 m，相应库容48万m3。该水库在运行过程中曾于2002年进行过除险加固。2014年对该水库进行安全鉴定，大坝安全鉴定结论评定为三类坝，建议进行除险加固[1-3]。

2 工程设计方案

2.1 大坝加固设计

2.1.1 坝顶结构设计

由于土坝坝顶现状较完好，本次不对土坝坝顶进行加固设计。但浆砌石重力坝段坝顶坑洼不平，且栏杆破损。浆砌石重力坝段坝顶保留现状防浪墙，在现状坝顶上铺C20混凝土路面20 cm厚，路面宽3.30 m；拆除现状混凝土栏杆，新建镀锌钢管栏杆，栏杆高1.10 m；对现状浆砌石防浪墙进行C20混凝土外包，临近路面侧混凝土厚度为10 cm，墙顶混凝土厚度为20 cm。

2.1.2 坝坡及护坡设计

土坝上游坝坡为砌石护坡，其表面批荡已经部分隆起、损坏。本次设计对上游坝面护坡混凝土批荡拆除重建，面积为770 m2，厚2.0 cm。浆砌石重力坝段右侧下游坝面原批荡部分隆起、脱落，设计拆除原混凝土批荡，重新勾缝，面积为286.70 m2。

2.1.3 大坝观测设施设计

主坝安装水工监测设施：土坝坝体安装测压管2排，每排4孔；土坝和浆砌石重力坝新布置沉降观测标点9个，采用人工观测。

2.1.4 浆砌石重力坝段灌浆设计

由于浆砌石重力坝段坝脚多处渗漏，且下游右侧坝脚无排水沟。本次设计对坝脚渗漏处进行灌浆处理，灌浆分为浆砌石坝体充填灌浆和坝基帷幕灌浆，共布置一排58个灌浆孔，孔距为2.5 m，总灌浆长度为1043.84 m；右侧坝脚处本次设计新建C20排水沟30.05 m，沟深0.25 m，沟宽0.25 m。

2.1.5 白蚁防治措施

针对土坝坝体多处发现鼠洞蚁穴，经现场查勘，灌区内白蚁危害等级已达到C级，白蚁防治的面积约1000 m2，蚁巢共12巢，已严重威胁到土坝坝体安全，必须尽快采取相应的措施进行防治，消除因白蚁危害而引起的工程安全隐患，使本工程达到省定的无蚁害标准。为此，我公司认为必须应用广东省推荐的“3环节8程序”系统防治技术措施对蚁源区进行白蚁灭杀，对已灭杀的蚁巢蚁道进行对巢灌浆及浅灌密灌灌浆，充填蚁巢蚁道。

2.2 溢流坝段加固设计

2.2.1 溢流坝顶设计

石堆水库溢流坝段布置在浆砌石重力坝段，为开敞式坝面溢流实用堰。考虑到溢流坝段基本完好，本次加固设计只对溢流坝段坝顶交通桥进行拆除重建。重建交通桥采用简支板桥，布置为两跨，跨度为8.04 m。采用C25钢筋混凝土板桥，桥宽为3.55 m，桥板厚为0.45 m，桥面高程为155.81 m，桥板两边设置C25钢筋混凝土防撞栏，防撞栏高1.10 m。桥台厚0.45 m，采用C25钢筋混凝土，桥台与坝体之间采用锚筋进行固定，桥台与桥板之间铺沥青油毛毡2 cm厚。

2.2.2 消能复核计算和加固设计

石堆水库溢流坝下游采用底流消能。该水库溢流坝段下游消能防冲的洪水标准按10年一遇(p=10%)洪水设计。10年一遇下泄流量为123.5 m3/s。陡槽宽度为15 m，则单宽流量为q=8.23 m3/(s·m)。溢洪道堰顶高程151.00 m，堰上水位为153.69 m(p=10%)，下游河床底高程133.80 m。

采用理正岩土5.11版进行计算，其计算成果为：消力池深1.02 m，消力池长26.14 m，现状消力池深0.8 m，现状消力池长6 m，不满足规范要求。但根据地质报告，现状消力池外冲刷坑出露弱风化花岗岩，附近基岩冲刷程度轻微，冲刷坑深度小于3.0 m，未形成大的冲坑。由此可见，下游岩体防冲能力好，基本不存在抗冲稳定问题。所以本次设计不对消力池进行处理。

消力池外下游右岸有一段浆砌石挡土墙倒塌，本次设计对其进行重建。重建挡土墙长度为22.0 m，采用C20混凝土埋15%大石挡墙，墙顶宽0.50 m，墙前垂直，墙后坡1∶0.5，墙高4.0 m。

2.2.3 水面线、侧墙高度计算和加固设计

石堆水库溢流坝段为开敞式实用堰，共设两孔，每孔净宽为7 m，净宽共14 m。堰顶高程151.00 m。溢流实用堰迎坡坡比1∶0.05，堰顶水平长度4 m，堰顶后接泄槽陡坡段，为等宽式矩形陡槽，陡槽段宽15 m，泄槽后接底流式消力池。20年一遇设计下泄流量146.7 m3/s，上游水位154.03 m；200年一遇校核下泄流量224.9 m3/s，上游水位155.06 m。计算糙率取0.015。根据《溢洪道设计规范》(SL 253—2018)的要求选取最大流量计算水力要素，选取的参数见表1。

表1 溢流堰水面线计算参数

根据规范SL 253—2018泄槽水力计算，泄槽水面线应根据能量方程，用分段求和法计算，见式(1)～式(2)，计算简图见图1。

图1 溢流堰水面线计算简图

(1)

(2)

(1)计算工况及断面位置。计算断面水深如式(3):

(3)

式中：q为起始计算断面单宽流量,m3/(s·m)；φ为起始计算断面流速收缩系数，取0.95；H0为起始计算断面渠底以上总水头,m；θ为泄槽底坡角。

(2)掺气对水深的影响及计算成果。掺气及波动水深按以下公式(4)进行计算：

hb=(1+ζv/100)h

(4)

式中：hb为计入掺气及波动的水深，m；ζ为修正系数，取1.4；v为断面计算流速，m/s；h为不计入掺气及波动的水深，m。

计算成果见表2。

表2 陡坡段水面线计算成果 m

规范要求，泄槽边墙高度应根据计入波动及掺气后的水面线，再加上0.5 m的超高。从表2可以看出，除最后两个断面侧墙高度满足要求外，其余均不满足规范要求。

(3) 加固设计。通过以上计算可知，现状泄槽边墙高度不满足要求，泄洪时存在安全隐患。现状溢流坝段左岸山坡距溢流坝段较近，原设计时山坡和坝脚均已采用浆砌石衬砌，经过多年运行现状完好。溢流坝段右岸为重力坝坝体，坝体表面除批荡破损外，无其他安全隐患，坝脚为面积160 m2的平台，无衬砌措施，电站厂房位于平台外侧，地面高程比平台高1 m多。现状条件下，泄洪时，由于泄槽边墙不够高，有部分水溢出流向两侧，左侧由于坝坡和坝脚已经完全采用浆砌石衬砌，基本不受溢出水的影响。右侧坝脚平台会受溢出水流的冲刷，发电厂房基本不受溢出水影响。由于加高泄槽两侧边墙施工难度大，本次设计只对受溢出水影响的右侧坝脚平台采用M7.5浆砌石进行护面，厚0.40 m，总护面面积为160.0 m2。

2.3 输水涵管加固设计

本次设计拆除涵管进口闸门和启闭机，新安装闸门和启闭机，控制闸门采用整体深孔式铸钢闸门，设计水头17.00 m，闸门孔口Φ800，热喷铝防腐，15 t手电两用螺杆机启闭，螺杆为φ90的螺杆。对现状启闭室进行修缮，主要内容包括：

(1)启闭室外墙。聚氨酯泡沫胶填缝剂填平裂缝后，12 mm厚1∶3水泥砂浆抹面，8 mm厚1∶2.5水泥砂浆木抹搓平，滚刷底涂料一遍，滚刷涂料二遍。

(2)启闭室内。清理基层，打磨平整，刮腻子，砂纸磨平，刷白水泥浆二遍(重量配合比为：白水泥∶白乳胶为100∶20)。

(3)更换门窗。

3 结 论

石堆水库除险加固工程实施完成后，水库渗漏现象得到改善，拆除重建的溢流坝段也满足防洪要求，水库安全性能明显提升。由此可见，对石堆水库的除险加固设计，可以从根本上消除安全隐患，使水库充分发挥工程效益，保证当地居民生命财产、保障当地社会经济的可持续发展。