刍议高虎脑水库除险加固工程溢洪道设计

吴小平

(永丰县白水门水库管理所,江西 吉安 331500)

1 工程概况

高虎脑水库位于永丰县石马乡龙源村，距永丰县城约70 km，水库集雨面积24 km2，正常蓄水位222.50 m(黄海高程，下同)，总库容1630×104m3，设计灌溉面积0.17万hm2，是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖等综合效益的中型水库。

高虎脑水库于1968年动工兴建，1973年基本建成，后经多次加高加固方达现有规模。主要建筑物有大坝、正常溢洪道、非常溢洪道、坝下涵管及电站等。

水库现有两个溢洪道，分别设置在大坝左、右岸。左岸溢洪道为正常泄洪设施，始建于1978年，为开敞式，由进口段、控制段、泄槽组成，全长130.4 m。进口段为明渠，进口底高程222.2 m，底宽18.6 m(末端渐变为16.20 m)，长约53 m，纵坡0.012；控制段为浆砌块石驼峰堰(水泥砂浆抹面)，堰顶高程222.5 m，溢流净宽16.2 m，堰长8.32 m；泄槽分两级，一级泄槽长16.38 m，宽16.2～12.0 m，纵坡0.116，二级泄槽长42.67 m，宽12 m，纵坡0.42，底板采用150#混凝土衬砌，厚0.3 m；泄槽末端为挑流鼻坎，挑射角20°，末端底高程201 m。溢洪道两侧为浆砌石边墙，其中进口至一级泄槽墙顶高程为228 m，墙高7～10 m，二级泄槽边墙高度1.74～2.77 m。泄槽上方架设浆砌石拱桥，桥长18 m，宽4.5 m。

右岸溢洪道原为开敞式明渠，净宽11.7 m，1987年冬封堵为自溃式土坝，作为非常溢洪道，现顶高程225.33 m，顶宽4.65 m，低于校核洪水位，为防洪缺口。

目前，左岸溢洪道进口段边墙局部破损、坍塌，墙顶部与坝顶连接处见有一水平方向裂缝，墙体向溢洪道内倾斜，墙面存在较多裂缝；控制段浆砌块石驼峰堰水泥砂浆抹面老化、破损，裂缝众多，堰体局部存在空洞，边墙见有一条竖直方向裂缝，最大缝宽约1 cm；泄槽及挑流鼻坎混凝土底板总体情况较好，局部存在老化、蜂窝麻面和龟裂现象。

高虎脑水库地理位置重要，下游有石马、藤田和陶塘3个乡镇中的43个村庄、人口3.1万人、农田2000 hm2，有永丰～中村公路等重要交通设施。高虎脑水库工程经40多年的运行，水库各建筑物均出现不同程度的病险及隐患，水库一旦失事，将给下游人民生命财产和国家重要设施造成重大损失。

2 正常溢洪道加固设计

根据现状溢洪道存在的问题，设计拟对其进行原址原规模新建。加固设计项目有：堰前进口段清淤达设计高程后，新浇混凝土底板；控制段拆除重建；泄槽底板拆除新浇C25混凝土、边墙拆除重建；拆除重建C25挑流鼻坎；新建下游进电站交通桥。加固后溢洪道由进口段、控制段、泄槽段、挑流消能设施等部分组成。

2.1 进口段加固设计

现状进水口底板未衬护，底板出露地层为第四系残坡积层、强风化基岩；泄洪时进水段流速为2～3 m/s，大于其允许流速0.9～1.2 m/s；进口段边墙破损、存有裂缝，墙体向溢洪道内倾斜。

本次设计进水口设C20混凝土底板，厚30 cm，每隔8.8 m设一横向伸缩缝，衬砌后底高程为221.5 m，总长53 m；右侧挡墙拆除重建，采用C15混凝土衡重式挡墙，顶宽0.8 m，左侧新建C15混凝土贴坡式边墙，墙厚0.3 m，墙顶高程228 m；进口段与堰首段连接分缝处设橡皮止水。

2.2 控制段加固设计

现状驼峰堰水泥砂浆抹面破损、裂缝众多，且内部存在架空等质量缺陷。本次加固将其拆除重建，堰体形式维持现状不变，堰体材料采用C25混凝土，表层设φ12@200的钢筋网。左右两侧挡墙拆除重建，采用C15混凝土衡重式挡墙，墙顶宽0.8 m，墙顶高程228 m。

2.3 泄槽加固设计

溢洪道混凝土底板下部原设计布置了2条纵向排水沟，现状只有1条纵向排水沟，且运行多年，局部堵塞，排水不畅；在宣泄校核洪水时，二级泄槽段的边墙高度不满足要求；二级泄槽和鼻坎反弧段呈高速水流状态，其抗冲刷耐磨性不能满足要求；混凝土底板表面存在冲刷剥蚀、龟裂现象。

根据现状地形及溢洪道泄槽存在的主要问题，本次加固方案为：将原泄槽底板拆除，重新浇筑厚30 cm C25混凝土泄槽底板，衬砌表面沿纵横向配置设φ8@200的温度筋；考虑到二级泄槽纵坡较陡、流速大，在二级泄槽段加设φ25锚筋，锚筋间距1.5 m，梅花形布置，伸入基岩1.5 m，顶部与新浇筑的底板表层钢筋网焊接；底板与挡墙连接处设置纵向伸缩缝，一级、二级泄槽底板各设2条、4条横向伸缩缝，纵、横伸缩缝内均设置橡皮止水；底板下设置2条纵向排水沟，每条横向伸缩缝下均设一条横向排水沟，排水沟尺寸0.3 m×0.3 m，沟内回填砂砾石料。

左、右挡墙拆除重建。根据现场地形条件确定：一级泄槽前段采用C15混凝土衡重式挡墙，顶宽0.8 m，后段采用C15混凝土重力式挡墙，墙顶宽0.6 m，墙高3.5 m；二级泄槽两侧均采用C15混凝土重力式挡墙，墙顶宽0.6 m；墙顶高程按本次复核计算高程确定，分缝长度与混凝土底板的分缝一致。

泄槽底板宽度、纵坡仍与原设计保持一致。

2.4 抛物线连接段设计

按规范要求，当泄槽段底坡由缓变陡时，可采用抛物线连接，抛物线按式(1)、式(2)计算：

y=xtanθ+(x2)/K(4H0cos2θ)

(1)

H0=h+αv2/(2g)

(2)

式中：x、y为以缓坡泄槽段末端为原点的抛物线横、纵坐标，m；θ为缓坡泄槽底坡坡角，tanθ=0.116；K为系数，对于落差较大的重要工程，取1.5；H0为抛物线起始断面比能，取7.072 m；h为抛物线起始断面水深，取2.202 m；v为抛物线起始断面流速，取9.775 m/s。

抛物线各点坐标见表1。

表1 抛物线各点坐标

2.5 挑流消能设计

本工程消能防冲设计标准采用P=3.3%，最大下泄流量为120.7 m3/s。

末端仍采用挑流鼻坎消能，将原鼻坎拆除后，浇筑厚50 cm C25钢筋混凝土，坎顶高程201.16 m，反孤半径9 m，挑射角为20°，鼻坎坎顶至下游河床高差取5.29 m。

鼻坎下游约有25 m长的弱风化凝灰质变质砂岸夹千枚岩，抗冲刷能力较好，基本能满足鼻坎的稳定和跌流消能要求。对左侧山坡进行修整，右侧原挡墙进行加固。

2.6 泄洪渠加固处理

溢洪道下游泄洪渠宽窄不一、淤堵严重，挡墙破损、裂缝，墙基已外露，影响洪水安全下泄。本次加固对泄洪渠统一规整至底宽15 m，底面清淤后浇筑厚0.3 m的C25混凝土，底板纵坡为0.01，两侧挡墙拆除重建C15混凝土重力式挡墙，墙顶宽0.5 m。

2.7 交通桥设计

进电站道路横穿溢洪道泄洪渠，一旦泄洪将中断交通，对防汛抢险和运行管理造成重大影响。

现状进电站人行桥标准低，基础冲刷外露，严重影响水库防汛抢险。本次加固需重建进电站交通桥，交通桥防洪标准按30年一遇设计，桥梁按汽-15等级荷载设计。交通桥全长20 m，共3跨，桥面宽4 m，为现浇“T”形梁桥，梁、板等采用C25钢筋混凝土。

3 正常溢洪道加固设计计算

3.1 水力计算

(1)泄洪能力计算。溢洪道控制段为a型驼峰堰[1]，堰顶高程222.5 m，上游堰高1 m，溢流净宽16.2 m。经计算，库水位与泄流量关系见表2。

通过调洪演算得到水库各种频率的洪峰流量，各种洪水标准的溢洪道下泄流量见表3。

表2 库水位～泄量关系

表3 调洪计算成果(推理公式法)

(2)泄槽水面线及边墙高度计算。根据《溢洪道设计规范》(SL 253—2018)，用分段求和法计算溢洪道泄槽水面线，再考虑掺气影响及安全加高，可算出需要的边墙高度。现取校核洪水位227.1 m，相应泄量为273.1 m3/s，进行水面线计算。计算结果见表4。

表4 泄槽段水面曲线及边墙高度计算

由上表可知，现状二级泄槽的挡墙高度不满足要求；加固后，挡墙高度均满足规范要求。

(3)溢洪道消能复核。消能方式为挑流消能，鼻坎坎顶至下游河床高差取5.29 m。经计算，自挑流鼻坎末端算起至冲刷坑最深点距离：Lt=41.32 m；冲刷坑最大水垫深度：T=8.13 m。

为了确保鼻坎基础的安全，冲刷坑上游坡度一般在1∶3～1∶6选用，根据地质情况确定冲刷坑上游坡度为1∶4。

Lt/T=5.08>4，满足要求。

3.2 堰体抗滑稳定计算

溢流堰为a型驼峰堰，上游堰高1 m，堰体为C25混凝土，堰基为强风化凝灰质变质砂岩夹千枚岩。

其抗滑稳定安全系数按抗剪断强度计算,见式(3)(取单位宽度)：

K=∑(f′W+c′A)/∑P

(3)

式中：K为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′为堰体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数，取0.36；c′为堰体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力，取0.08 MPa；A为堰体与基岩接触面的截面积；W为作用于堰体上的荷载对计算滑动面的法向分量，kN；∑P为作用于堰体上的荷载对计算滑动面的切向分量，kN。

计算结果详见表5。

表5 溢洪道单位宽度堰体抗滑稳定安全系数计算成果

从上表的计算结果可知，溢洪道堰体抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

4 非常溢洪道加固设计

右岸溢洪道为非常溢洪道，为开敞式明渠。因左岸溢洪道的泄流能力满足要求，在1987年冬对右岸溢洪道进行了封堵，建成自溃式土坝，作为非常泄洪设施。目前，该溢洪道顶高程为225.33 m，低于校核洪水位，为防洪缺口。

恢复非常溢洪道的泄洪能力，降低正常蓄水位以上的水头。因受地形限制，非常溢洪道控制段只能改建成无坎宽顶堰，堰顶高程222.5 m，溢流净宽规整至15 m。当库水位高于正常蓄水位222.5 m时，经过对正常溢洪道泄洪、两个溢洪道同时泄洪两种工况进行调洪演算结果分析可得：如恢复非常溢洪道的泄洪能力，设计洪水位能降低0.65 m，校核洪水位能降低1.04 m。

对非常溢洪道加固采取两种方案进行比较分析：

方案一：对其进行加固，恢复其泄流功能。控制段为宽顶堰，溢流净宽15 m；泄槽段底板拆除重建；两侧边墙拆除重建C15混凝土挡墙[2-3]。

方案二：将其封堵，回填成一均质土坝。两个溢洪道同时泄洪时下游坝坡抗滑稳定最小安全系数仍不满足规范要求，为方便日常运行管理，故将其封堵，轴线、上下游坡比、坝顶宽及坝顶高程等均与大坝一致。

经过对两种方案进行比较可得：方案一的投资较大，运行管理不方便，还需在堰顶增设一交通桥；方案二的投资较小，利用坝顶作为交通公路。故设计加固采用方案二，具体加固措施为：将原土坝、闸墩等拆除，重新填筑成一均质土坝。为整体美观，其轴线与大坝轴线一致，上游坡比填筑至1∶3.03，采用C20混凝土预制块护坡；下游坡比为1∶2.6，采用C15混凝土网格草皮护坡；坝顶宽6 m，顶高程为228.4 m。

(1)坝体防渗。最大坝高仅为5.72 m，故坝型采用均质土坝，填筑土料要求，渗透系数不大于1×10-4cm/s，水溶盐含量不大于3%，有机质含量不大于5%，有较好的塑性和渗透稳定性，浸水与失水时体积变化小，压实度不小于96%。与两岸的连接采用黏土刺墙，深入两岸基岩1.5 m，墙厚3 m。

(2)坝基及坝肩防渗。坝基底高程为222.3 m，坝基(肩)上部岩体仍呈中等透水性，存在坝基及绕坝渗漏问题，故本次设计在坝基设帷幕灌浆，与大坝的灌浆帷幕连成一体。

(3)坝顶加固。坝顶高程228.4 m，采用C25混凝土路面，混凝土路面宽6 m，路面向两游侧倾斜，坡度为1%，并在上游侧增设照明灯具。

(4)护坡加固。上游坝坡采用C20混凝土预制块护坡，厚10 cm，下设砂砾石垫层厚15 cm；下游坝坡采用C15混凝土网格草皮护坡。因坝前水头不大，故坝脚不设排水体。

(5)坝面排水。在上、下游坝坡与岸坡连接处增设岸坡排水沟，排水沟均采用矩形断面，尺寸为300 mm×300 mm，采用C15混凝土浇筑，浇筑厚15 cm。

5 结 语

文章对高虎脑水库左岸正常溢洪道采取原址原规模拆除重建方案，重建后溢洪道由进口段、控制段、一级泄槽、二级泄槽、挑流消能设施、泄洪渠组成，并重建跨泄洪渠进电站交通桥，经过复核计算，溢洪道泄流能力、泄槽边墙高度、堰体稳定计算结果等均满足规范要求。经过方案比选对右岸非常溢洪道进行封堵回填，按照大坝设计标准进行加固；高虎脑水库溢洪道除险加固工程实施后，可以确保水库在遇到较大洪水时，能够正常泄洪，保障水库大坝安全以及下游人民群众生命财产安全。