马岭水库除险加固工程设计

张奕池

(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

马岭水库位于阳东区新洲镇，坝址距新洲镇约7 km，距阳江市约40 km。水库坝址以上控制集雨面积为1.695 km2，总库容为150×104m3。水库设计灌溉面积为253 hm2，是一座以灌溉、防洪为主的综合利用的小(1)型水库。水库设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为500年一遇，溢洪道消能防冲为20年一遇。经调洪演算，水库正常蓄水位49.10 m，相应库容99×104m3；设计洪水位50.91 m(p=3.33%)，相应库容134×104m3，校核洪水位51.61 m(p=0.2%)。该水库是1956年建成并投入运行，至今已有60余年，由于当时施工条件有限，设计标准低，施工技术水平不高，属于边规划、边设计、边施工的“三边”工程，经过多年运行使用，部分建筑物及设施存在不同程度的安全隐患，已严重危及水库的安全，亟须对水库除险加固。

2 主要问题

根据马岭水库安全鉴定结果得知，目前水库的溢洪道、输水涵管均存在诸多安全问题[1]。

2.1 大坝

大坝上游混凝土坝坡出现裂缝，局部有杂草；大坝浸润线出逸点高，校核洪水位工况渗透比降大于坝体填筑土允许水力比降；大坝的实际抗洪能力不满足国家现行规范的要求；大坝填筑土渗透系数不满足规范要求。

2.2 溢洪道

水库溢洪道桥面高程及泄槽段安全超高不满足现行规范要求；大坝下游坝脚与溢洪道右侧挡墙交接处出现渗水的现象；溢洪道混凝土底板出现多处开裂、表面砂浆脱落的现象，侧墙局部也已经损毁。

2.3 输水涵管

输水涵管经多年运行，出现渗水现象；启闭房破旧不堪，启闭设备也已生锈。

3 除险加固设计

3.1 大坝加固设计

3.1.1 坝坡及护坡设计

上游坝坡高程45.00 m和47.80 m均修建C25混凝土齿墙，45.00 m齿墙以上坡度为1∶3.5，47.80 m齿墙以上坡度为1∶2.5；护坡高程范围从坝顶路面52.10 m至高程47.80 m，先凿毛原混凝土护坡和修整坝坡后，现浇C25混凝土护坡厚0.12 m；护坡高程范围从47.80 m至高程45.00 m，先修整坝坡后铺设砂石混合料垫层厚0.10 m，再现浇C25混凝土护坡厚0.12 m。大坝下游坝坡修整后重新植草皮护坡[2]，并在下游坝坡修建C20上坝步级。

上游坝坡坡脚设C25混凝土护脚，宽×高=0.5 m×1.0 m。上游混凝土护坡采用4 m×4 m板块并错缝布置，缝下设1.0 m宽反滤土工布，并在每个板块中间设φ75排水孔，孔底铺土工布。

3.1.2 新建下游坝脚排水棱体

本次设计拆除原坝脚贴坡排水，新建棱体排水，棱体排水顶高程取38.76 m，顶部设C20混凝土压顶厚0.15 m，从内向外分别为粗砂厚0.2 m，10～20 mm碎石厚0.2 m，20～40碎石厚0.2 m。

完善坝面排水系统包括纵向排水沟、坝脚排水沟。排水沟均采用C20混凝土现浇矩形断面，侧墙和底板厚度均为0.15 m，排水沟尺寸为0.4 m×0.4 m(宽×深)，坝脚排水沟尺寸为0.5 m×0.5 m(宽×深)，侧墙为M7.5浆砌石厚0.4 m，底板为干砌石厚0.4 m。

3.1.3 大坝防渗设计

由于坝体土多由二长花岗岩的残积土或全风化土填筑而成，呈硬塑状态，土中风化砂砾、碎石含量较多。填筑土渗透系数k=6.47×10-4cm/s，大于规范要求的1×10-4cm/s，渗透系数偏大。为此，本次设计主要对大坝进行灌浆以提高坝体防渗性能。

灌浆在现有坝体进行，两侧坝肩沿距原坝轴线上、下游1.0 m处各布置一排充填灌浆孔，排距2.0 m，孔距2.0 m，按梅花型布孔，上游共布18个孔，编号Ⅰc1～Ⅰc18，下游共布18个孔，编号Ⅱc1～Ⅱc18；中间坝段沿原坝轴线布置1排劈裂灌浆，孔距5 m，共布孔10个，编号P1～P10，灌浆底部高程均以进入坝基残积土层2 m控制。大坝共计钻孔46个，充填灌浆深度192.04 m，劈裂灌浆深度151.38 m。

3.1.4 大坝渗流计算

加固后的大坝渗流稳定性计算主要选择大坝最大坝高断面进行渗流分析。

由于大坝无监测数据，为此，在进行大坝渗流分析时，渗透系数采用现场注水试验推求的渗透系数，具体计算参数见表1。

表1 渗透系数的选取

根据水库的实际运用情况以及相关规定，本次渗流计算工况如表2。

表2 有限元渗流稳定计算工况

本次渗流计算方法采用有限元法进行计算，各工况计算结果见表3。

表3 大坝加固后渗流计算成果

经计算，大坝加固后，各工况出逸点均位于下游反滤排水棱体范围内，浸润线正常。

3.1.5 坝坡稳定计算

坝坡在加固后还需要进行稳定计算，本次计算采用最大坝高断面处进行坝坡稳定分析。

本次坝体抗滑稳定复核采用简化毕肖普法。经计算，大坝坝坡稳定计算成果见表4。

从表4结果可以看出，大坝在各种工况下，坝坡抗滑稳定安全系数均满足现行设计规范的要求。

表4 大坝坝坡稳定安全系数成果

3.2 溢洪道加固设计

本次溢洪道加固内容为：对溢洪道进行拆除重建。重建后，进口段长12.22 m，为C25混凝土底板，厚0.20 m，两侧为C20混凝土挡土墙，墙高平均1.55 m；进口段后接控制段，长6.0 m，控制段为箱涵式结构，堰顶高程为49.10 m，共分3孔，每孔4.6 m，中墩厚0.8 m，控制段过水总净宽为13.80 m，总宽度为15.40 m，控制段交通桥面高程为52.71 m，桥面宽为4.6 m，两侧设有C25防撞墩；控制段后接泄槽段，泄槽段共分为两段，第一段长为67.28 m，上口宽为15.0 m，出口宽为5.30 m，坡度为1/57，为C25混凝土底板，厚0.20 m，两侧为C20混凝土挡土墙，墙高为2.20～3.11 m；第二段长62.26 m，宽为5.30 m，坡度为1/6，为C25混凝土底板，厚0.30 m，两侧为C20混凝土挡土墙，墙高为1.96～2.20 m；溢洪道出水段为挑流型式，挑流鼻坎高程为37.72 m，挑角为20°

3.2.1 泄槽段水面线和侧墙高度计算

马岭水库溢洪道为开敞式无坎宽顶堰，设计标准按30年一遇设计下泄流量31.10 m3/s，上游水位50.91 m；500年一遇校核下泄流量50.20 m3/s，上游水位51.61 m。根据《溢洪道设计规范》(SL253—2018)要求来选取最大流量计算，具体见表5。

表5 溢洪道水面线计算参数

本次泄槽水面线应根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式(1)如下：

(1)

(1)首先判别陡槽段内水流流态。临界水深hk见式(2)：

(2)

式中：hk为临界水深，m；α为动能修正系数，取1；Q为下泄流量，取50.2 m3/s；b为渠道底宽，取5.3 m。计算得hk为2.09 m。

(2)确定起始计算断面位置及其水深。本溢洪道堰顶后接了2段泄槽段，第2段比第1段陡，为此，应该分段确定起始计算断面位置及其水深，并按泄漕上游段型式分别选取：

第1段陡坡段：根据相关要求泄槽上游接宽顶堰、缓坡明渠或过渡段时，起始计算断面定在泄槽首部，水深h1取用泄槽首端断面计算的临界水深hk，即h1=hk=2.09 m。

第2段陡坡段：根据规定要求，泄槽上游接陡坡段时，起始计算断面定在泄槽首端以下3hk处，起始计算断面水深h2

(3)

式中：q为起始计算断面单宽流量，取9.47 m3/(s·m)；φ为起始计算断面流速系数，取0.95；H0为起始计算断面渠底以上总水头，取5.77 m；θ为泄槽底坡坡角；取9°。

(3)考虑掺气对水深的影响。掺气及波动水深按式(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1.2 s/m；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6。

表6 陡坡段水面线计算成果

从表6可以看出，加固后墙高H均比计算的陡坡段水面线hb大，且安全超高满足规范要求。

3.2.2 消能计算

马岭水库溢洪道下游消能方式为挑流消能，下泄流量为27.7 m3/s。陡槽平均宽度为5.3 m，单宽流量q为5.23 m3/(s.m)，溢洪道堰顶高程49.10 m，堰上水位为50.77 m，挑流鼻坎高程为37.72 m，下游河床底高程35.19 m。采用“理正岩土工程水力学计算软件6.5”进行计算，计算结果见表7。

表7 溢洪道挑流消能计算结果

经计算，当挑角为20°时，冲刷坑深度T=4.46 m，总抛距L′=32.13 m，则T/L′=0.14<1/4，满足要求。

3.2.3 边墙稳定计算

根据规范SL 253—2018，本次溢洪道边墙抗滑稳定按式(5)进行计算：

(5)

式中：Kc为按抗剪强度计算的抗滑安全系数；f为边墙与基岩接触的抗滑摩擦系数；∑W为作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的法向分量；∑P为作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的切向分量。

抗倾覆稳定按式(6)进行计算：

(6)

式中：K0为抗倾稳定安全系数；∑My为作用于墙体的荷载对前趾产生的稳定力矩，kN·N；∑M0为作用于墙体的荷载对前趾产生的倾覆力矩，kN·N。 计算时，采用溢洪道边墙最高断面进行计算。最高断面为控制段即溢洪道堰顶处两边边墙，最大墙高为3.11 m，墙顶宽度为0.5 m，迎水面为垂直面，墙后坡比为1∶0.4，其余尺寸参数见图2，计算结果见表8。

图2 溢洪道边墙计算(单位：mm)

表8 边墙稳定计算结果

经计算，边墙稳定满足规范要求。

3.3 输水涵管加固设计

本次加固措施为拆除重建进水口和出水口，进水口采用平面钢闸门控制水流，配LQ 20 t手电两用螺杆式启闭机启闭。而重建大坝输水涵管进水口包括进水渠段、进水口段、闸室段[3]。

(1)进水渠段。进水渠段长8.0 m，为梯形土坡，两侧边坡1∶1.5，渠底高程39.00 m，渠底宽3.0 m，渠顶高程由42.00 m渐变至40.75 m。

(2)进水口段。进水口段长4 m，采用C25钢筋混凝土U型结构，前端渠宽3.0 m，后端渠宽2. 0 m，底板及侧墙厚均为0.4 m，底板下铺设C15素混凝土垫层厚0.1 m，两侧边墙高程由43.00 m渐变至42.00 m。

(3)闸室段。闸室段长8.5 m，为塔式进水口，底板顶高程39.00 m，闸墩顶高程43.00 m，闸墩厚0.70～1.42 m，底板厚0.7 m，顶板厚0.3 m或0.5 m。闸室段从上游到下游共分为4段，分别为拦污栅段、进口渐变段、闸门段和方圆渐变段，拦污栅段长2.0 m，过水断面净宽2.0 m，净高2.6 m，本段设有检修门槽和拦污栅；进口渐变段长1.8 m，过水断面净宽由2.0 m渐变为0.5 m，净高由4.0 m渐变为0.5 m，顶板为椭圆曲线；闸门段长2.4 m，过水断面为正方形，边长0.5 m，本段设有钢闸门，门后设有通气孔；方圆渐变段长2.0 m，过水断面由方形渐变为圆形，方形断面边长和圆形断面直径均为0.5 m。

闸室段采用一扇平面钢闸门控制水流，闸门尺寸为1.0 m×1.0 m，采用LQ20 t手电两用螺杆式启闭机启闭，启闭运行最高控制水位为51.61 m。

启闭室与坝顶由人行桥连接，人行桥长38.00 m，桥面总宽度2.2 m，4跨。桥上部为现浇T形梁板结构，桥板厚度0.15 m，主梁高800 mm，梁宽250 mm，每跨布2根主梁，梁间距1.55 m；次梁高550 mm，梁宽200 mm，每跨布3根次梁，梁间距4.1 m。T形梁板用C30混凝土现浇。

输水涵管管身内套DN500钢管，在管身两侧进行充填灌浆，灌浆孔共22个，进尺总深度为297.68 m。

输水涵管出水口拆除重建，出水口接消力池，采用C25钢筋混凝土U型结构，池宽1.5 m，底板及侧墙厚均为0.4 m，底板下铺设C15素混凝土垫层厚0.1 m，两侧边墙高为3.0 m；消力池后接砖砌排水渠，净尺寸为1.5 m×1.0 m(宽×高)。

4 结 语

马岭水库除险加固工程实施后，不仅能消除水库安全隐患，提高水库防汛防洪能力。同时，还保障了水库下游村镇人民的生命财产安全。这对促进当地经济发展，发挥水库效益都具有十分重要的意义。