刘家沟水库除险加固工程泄水建筑物加固研究

徐晓莉

（湖北承天水利勘察设计院有限公司，湖北 荆门 431900）

泄水建筑物是水利工程建设过程中的重要组成部分，具有安全排洪、放空水库的功能，对于水库、江河、渠道或前池等的运行十分重要[1-3]。吴小平[4]针对高虎脑水库溢洪道存在的险情，对加固后的溢洪道进行水力和结构复核计算；林浩祥[5]结合碗窑水库工程实际，提出泄水建筑物加固施工的要点；唐杨等[6]采用Midas FEA 建立有限元模型，比选最适宜的挡水墙结构形式；王晓琪[7]采用SPC聚合物水泥砂浆方案处理混凝土表面缺陷，并提出2 种方案进行比选分析；韦鹏举[8]分析了朝太沟骨干坝溢洪道设计的方法；赵明[2]以辽宁北票冰沟水库为例，通过方案比选分析了溢洪道拓宽治理措施；马妍博等[9]以某水库除险加固工程为例，对水库的病害特点进行了分析；张力鹏[10]以田家湾水库除险加固工程溢洪道陡槽续建为例，对溢洪道弯道段增加导流墙的优势进行总结。还有部分学者对泄洪建筑物永久加固方案和溢洪道增设设计进行了分析[11，12]。

刘家沟水库是一座以灌溉为主兼有防洪等综合利用的小（2）型水库，加固后大坝溢洪道未完建，进口段、控制段、泄槽段水毁严重，泄洪不安全直接威胁到水库的大坝安全及正常运行，因此对大坝泄水建筑物进行重新加固设计十分重要。本文以该工程为例，分析了溢洪道水力、泄槽水面线及边墙高度计算方法，并研究了溢洪道消能计算方案，研究成果可为相关工程提供参考。

1 工程概况

刘家沟水库位于钟祥市长滩镇付巷村，承雨面积2.98 km2，总库容26.12 万m3（本次复核），是一座以灌溉为主兼有防洪等综合利用的小（2）型水库。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水管等建筑物组成。上游坝坡整坡后新建混凝土护坡、混凝土脚槽及踏步，坝顶新建防浪墙及混凝土路肩，坝顶铺设砂砾石路面，坝体采用劈裂灌浆防渗处理。加固后大坝存在如下问题：大坝坝顶路面坑洼不平，溢洪道未完建，进口段、控制段、泄槽段水毁严重，泄洪不安全；输水管进口为斜卧管，放水采用人工启闭，出口消力池边墙有裂缝；大坝安全监测设施不完善，无表面变形及视频监测设施。这些问题直接威胁到水库的大坝安全及正常运行，急需整险加固。

2 泄水建筑物加固设计

2.1 溢洪道加固方案分析

溢洪道位于大坝右端，型式为宽顶堰，进口底高程98.80 m，进口宽12.2 m，由进口段、控制段、泄槽段组成。针对溢洪道目前的运行状况及存在的问题，进行如下加固设计。

（1）桩号0+000—0+004 段为进口段，进口底宽16.75 m，底板采用C25 钢筋混凝土衬砌，边墙采用C20 混凝土挡土墙。

（2）桩号0+030—0+034 段为控制段，新建机耕桥，宽13.42 m，长5 m 底板采用C25 钢筋混凝土衬砌，边墙采用C30 钢筋混凝土衬砌。

（3）桩号0+009—0+026 为泄槽段，坡比1∶4，长17 m，设计底宽11.71 m，底板厚30 cm采用C25钢筋混凝土衬砌，边墙采用C20混凝土挡土墙。

（4）桩号0+026—0+039.8为消力池段，长13.80 m，设计底宽10 m，底板厚40 cm 采用C25 钢筋混凝土衬砌，底板下设三级反滤，边墙采用C20 混凝土挡土墙。

（5）桩号0+039.8—0+044.8为海漫段，长5 m，设计底宽10 m，底板采用干砌块石衬砌。

（6）桩号0+044.8—0+119段，开展清障及疏挖。

2.2 溢洪道水利计算

2.2.1 溢洪道泄流能力复核

溢洪道属5 级建筑物，防洪标准为10 a 一遇洪水设计、50 a一遇洪水校核，消能防冲按10 a一遇洪水设计。本次设计对溢洪道加固后进行洪水调节计算。溢洪道为宽顶堰式，矩形断面，本次采用宽顶堰计算结果。泄流能力按下式计算：

式中：Q为流量（m3∕s）；σs为淹没系数，自由出流时取1；ε1为侧收缩系数；m为流量系数，取0.376；H0为堰上水头（m）；b为溢洪道宽度（m），进口宽13.42 m（净宽12.8 m）；g为重力加速度（m∕s2），取9.8 m∕s2。

水位泄量关系，详见表1。

表1 水位泄量关系

由表1 可知，溢洪道的泄流能力能满足各洪水标准下所需的泄量。

2.2.2 溢洪道泄槽水面线及边墙高度计算

（1）泄槽起点临界水深hk的计算公式如下：

式中：hk为宽顶堰与泄槽相交断面临界水深（m）；Q为溢洪道过流量（m³∕s），取63.93 m³∕s；B为相交断面处净宽（m），取12.8 m；g为重力加速度（m∕s2），取9.8 m∕s2。

经计算，得临界水深hk=1.229 m。

（2）根据能量方程，按分段求和法计算泄槽内水深，绘制泄槽水面线，其计算公式如下：

式中：ΔL1-2为分段长度（m）；h1、h2为分段始、末断面水深（m）；v1、v2为分段始、末断面平均流速（m∕s）；α1、α2为流速分布不均匀系数，取1.05；θ为泄槽底坡角度（°）；i为泄槽底坡；-J为分段内平均摩阻坡降；g为重力加速度（m∕s2），取9.8 m∕s2。

（3）掺气水深计算公式如下：

式中：h、hb为泄槽计算断面的水深及掺气后的水深（m）；v为不掺气情况下泄槽计算断面的流速（m∕s）；ξ为修正系数，可取1.0～1.4，流速大者取大值。

泄槽段边墙高度，根据掺气后的水面线再加上0.5～1.5 m的超高确定。泄槽沿程水深，详见表2。

表2 泄槽沿程水深

2.2.3 边墙稳定及应力计算

桩号0+009 断面墙高2.1 m、顶宽0.4 m，底板总宽度13.42 m。荷载组合采用墙前无水，墙后排水不畅的情况。按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数计算公式如下：

式中：Kc为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f为边墙混凝土与基岩接触面的抗剪摩擦系数，取0.3；ΣW为作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的法向分量（kN）；ΣP为作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的切向分量（kN）。

抗倾稳定安全系数计算公式如下：

式中：K0为抗倾稳定安全系数；ΣMy为作用于墙体的荷载对墙前趾产生的稳定力矩（kN·m）；ΣM0为作用于墙体的荷载对墙前趾产生的倾覆力矩（kN·m）。

边墙基底应力的最大值或最小值按下式计算：

边墙（导墙）稳定与应力计算成果，详见表3。

表3 边墙稳定与应力计算成果

由表3可知，泄槽边墙的抗滑、抗倾稳定安全系数均满足相关规范要求；基底应力均小于地基允许承载力，基底未产生拉应力，故上述各边墙基底应力均满足相关规范要求。

2.2.4 溢洪道消能计算

等宽矩形断面下挖式消力池池深、池长按下列公式计算：

式中：d为池深（m）；σ为水跃淹没度，取1.05；h2为池中发生临界水跃时的跃后水深（m）；ht为消力池出口下游水深（m）；ΔZ为消力池尾部出口水面跌落（m）；φ为消力池出口段流速系数，可取0.95；L为自由水跃的长度（m）；g为重力加速度（m∕s2），取9.8 m∕s2；Lk为消力池长度（m）；q为流量（m3∕s）。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（Sl252-2017），山区、丘陵区水利水电工程永久性泄水建筑物消能防冲设计的洪水标准可低于泄水建筑物的洪水标准。该水库溢洪道为5 级建筑物，消力池洪水标准为10 a洪水重现期。根据防洪复核结果，洪水频率10%对应的下泄量为43.88 m3∕s。

经计算，本次加固设计消力池深0.5 m、长13.8 m、底高程94.55 m、宽10 m。

2.2.5 消力池护坦抗浮计算

消力池护坦抗浮采用下式计算：

式中：Kf为护坦稳定系数；P1为护坦自重（kN），按混凝土厚度计算；P2为护坦顶面上的时均压力（kN）；P3为采用锚固措施时地基的有效重量（kN）；Q1为护坦顶面上的脉动压力（kN）；Q2为护坦底面上的扬压力（kN）。

经计算，得Kf=1.85＞1.2，满足相关规范要求。

3 结语

本文以刘家沟水库工程为例，分析了溢洪道水力、泄槽水面线及边墙高度计算方法，并研究了溢洪道消能计算方案。研究成果表明，溢洪道的泄流能力能满足各洪水标准下所需的泄量，同时泄槽边墙的抗滑、抗倾稳定安全系数均满足相关规范要求，基底应力均小于地基允许承载力，基底未产生拉应力，满足相关规范要求。经计算，本次加固设计消力池深0.5 m、长13.8 m、底高程94.55 m、宽10 m。经消力池护坦抗浮计算，得Kf=1.85＞1.2，满足相关规范要求。