东沟水库除险加固工程拦河坝设计

李晓东 李杨

1沈阳农业大学，辽宁 沈阳110866；2抚顺市水利勘测设计研究院，辽宁 抚顺 113000

东沟水库除险加固工程拦河坝设计

李晓东1李杨2

1沈阳农业大学，辽宁 沈阳110866；2抚顺市水利勘测设计研究院，辽宁 抚顺 113000

首先确定了拦河坝、溢洪道、 输水洞等枢纽工程总布置，并分别从拦河坝设计、坝顶高程和坝体稳定复核、 上下游块石护坡稳定计算等方面进行水库除险加固工程设计。

水库除险加固；工程设计

reservoir reinforcement; designing

东沟水库位于东沟河上，水库总库容149.43万m3，依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000及《防洪标准》GB50201-94的规定，东沟水库工程等别为Ⅳ等，工程规模为小（1）型，枢纽永久性建筑物（大坝、溢洪道、输水洞）等级为4级，永久性次要建筑物（溢洪道尾水渠等）为5级，临时性水工建筑物为5级。

校核洪水标准重现期为300年，设计洪水标准为30年。溢洪道消能防冲标准为20年一遇洪水。根据《中国地震动峰值加速度区划图》GB18306-2001东沟水库枢纽工程的设计烈度为7度。

1 枢纽工程总布置

本次工程总布置包括：拦河坝、溢洪道、输水洞等。

1.1 拦河坝

大坝坝型为黏土心墙坝，全长23 0.0m，坝高19.24m，坝顶高程339.24m，防浪墙顶高程340.24m，高出坝顶1.0m，坝顶宽4.0m。坝顶路面为碎石土路。心墙顶高程337.70m，心墙底宽4.0m，心墙最大宽度7.0m，黏土心墙直接与岩基相接，岩基开挖深度1.5m，基槽底宽4.0m。上游坝坡坡比为1：2.5，1：3.0；下游坝坡坡比为1：2.0，1：2.5，在高程330.00m处上下游各设戗台一道，宽度为1.5m。坝壳填筑料为风化砂。

1.2 溢洪道

溢洪道设在大坝右端，为开敞式正堰溢洪道。由进口段、控制段、收缩段、泄槽段、消能段组成。堰型为WES实用堰，堰宽18.0m，堰顶高程为336.40m，不设闸门。堰下为收缩段，长8.0m，由18.0m收缩为16.0m，下接陡槽，陡槽及挑坎宽16.0m，溢洪道总长为70.5m。

1.3 输水洞

输水洞位于大坝左端，采用坝下埋管的形式，输水管采用承插式预制混凝土管，直径D＝800mm，长度为73.50m，在桩号0+034.5至0+037.5为竖井，竖井内设D＝600mm的闸阀，闸阀前设1.0×1.0铸铁闸门一道，输水洞进口高程为325.00m，进口为混凝土八字墙，其长度为5.0m，输水洞出口消力池与渠道相连。

2 拦河坝设计

2.1 坝顶高程复核

2.1.1 坝顶超高按下式计算

y=R+e+A

式中：y——坝顶超高，m；R——最大波浪在坝坡上的爬高，m；e——最大风雍水面高度，m；A——安全加高，m。按规范规定，Ⅳ级坝（山区、丘陵区）设计情况下A=0.5m，校核情况下A=0.3m。

2.1.2 坝顶高程和防浪墙顶高程确定，详见表1。

表1 各种情况下的坝顶高程和防浪墙顶高程 ( 单位：m)

设计取最大值，计算防浪墙顶为340.22m，现状坝顶高程为339.00m，防浪墙顶340.00m，不满足防浪墙设计高程。所以本次设计将坝顶高程加高至与校核洪水位齐平339.24m，防浪墙高取1.0m，故本次设计防浪墙顶为340.24m，高出计算防浪墙顶高程0.02m，满足要求。

2.2 坝体稳定复核

东沟水库原大坝为黏土心墙坝，坝长230.0m，坝顶宽4.0m，坝顶高程339.00m，防浪墙顶高程340.00m，上游坝坡坡比为1：2.5，1：3.0；下游坝坡坡比为1：2.0，1：2.5。本次加固设计将坝顶加高0.24m，坝顶高程339.24m，防浪墙顶高程340.24m，上下游坡比不变。根据抚顺地区黏土、砂砾料、风化砂的物理力学性质，东沟水库筑坝材料设计强度指标见表2。

表2 筑坝材料设计强度指标

2.2.1 渗流稳定分析

渗流计算按达西定律进行计算，透水地基上心墙土坝正常高水位稳定渗流浸润线按达西定律建立方程式求解。基岩按不透水层考虑，侵润线偏高，偏于安全，计算方法按《水工设计手册》。

2.2.1.1 下游坝坡逸出点验算：

渗透系数：心墙黏土渗透系数K0=5.2×10-6cm/s；上下游坝壳风化砂K1=5.2×10-4cm/s；地基砂质粉土渗透系数K2=6.5×10-3cm/s；

各层厚度：地基砂质粉土层平均厚度T1=4.2m；心墙厚度 d1=2.0m，d2=7.0m，d3=4.0m

2.2.1.2 正常运用条件下浸润线计算：

边界条件：上游正常高水位336.40m；下游无水（地面320.0m）；）心墙渗透系数K0与坝壳K1相差100倍，故库水位当做1—1断面水位，偏与安全；基岩面以下为不透水层。

根据《水力计算手册》中心墙土坝在有限透水地基上，心墙至不透水层，计算公式：

联立上式解方程求得浸润线和大坝主河槽单宽渗流量得：

h1=5.18m，h0=1.22m，q=6.1×10-4m3/s。

心墙下游侧浸润线高程为325.64m，排水体处逸出高程为319.0m。

经坝体浸润线计算，下游坝坡逸点在排水棱体内，满足渗流稳定要求。

2.2.2 坝体边坡稳定计算

坝体边坡稳定计算方法根据土坝规范（SL274-2001）的规定，可采用简化毕肖普法计算坝坡抗滑稳定。大坝建成后已运行多年，故坝体边坡复核仅对稳定渗流期的上下游坝坡稳定及水库水位骤落期的上游坝坡稳定计算。

新设计大坝断面为在原大坝断面的基础上，坝顶加高0.24m，上下游坡比不变。

坝坡稳定工况为：正常蓄水位3 3 6.40m；设计（P=3.33%）338.45m；校核（P=0.33%）339.24m。计算结果见表3。

表3 稳定计算成果表

由结果得出：各工况下的坝坡稳定满足规范要求。

2.3 上游块石护坡稳定计算

2.3.1 块石护坡直径计算

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001，确定护坡块石直径：

式中，D—石块的换算球形直径，m；m—坡率，取2.5；Kt—随坡变化的系数，取1.3；ρ k—块石密度，2.7t/m3（片麻岩）； ρ w—水的密度，1.0t/m3；hp—累计频率为5%的波高。

经计算，护坡块石直径为0.28m，本次设计护坡块石直径采用0.30m。

2.23.2 护坡厚度计算

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001，护坡厚度计算公式为：

式中：t—护坡厚度，m；K—随频率变化的系数，取1.3。

其余符号同前。

经计算护坡厚度为0.17m，本次设计护坡厚度采用0.30m，下设0.20m碎石垫层和100mm混合砂。

2.4 大坝上游护坡拆除重建范围

大坝上游块石护坡由于坝体沉降，水位变动及风浪淘刷，块石护坡凹凸不平，在正常蓄水位以上常有块石翻起，垫层被淘空，块石风化严重，本次加固设计将坝坡上风化严重的块石拣出来，在水库死水位以上重新铺设3 00m m厚块石，下设200mm碎石和100mm混合砂。

2.5 下游草皮护坡

下游坝坡无护坡，现状为土坡，本次加固设计下游护坡铺设草皮护坡。

2.6 防浪墙设计

原防浪墙为砖砌结构，顶高程为340.00m，底高程为337.70m，结构形式为 L型挡墙，墙厚400mm。本次设计将原防浪墙全部拆除，重新修建混凝土防浪墙，墙顶高程为340.24m，底高程为337.70m，墙厚250mm, 防浪墙结构形式为 L型挡墙。

［1]李炜.水力计算手册（第二版）.中国水利水电出版社,2006,06

［2]SL274-2001碾压式土石坝设计规范.中国水利水电出版社,2004,07

Designing for Donggou Reservoir Reinforcement

Li Xiaodong1Li Yang21.Shenyang Agricultural university, Shenyang 110866, Liaoning, Chi；na2.Water Resource Investigation and Design Institute of Fushun City，Fushun 113000, Liaoning, China

This paper determined the Reservoir reinforcement scheme, form embankment, spillway, water conveyance tunnel and metal structure, etc.Then, the design indicated arrangement of multi-purpose project.And this article separately conducted the reservoir reinforcement design, from dam design, dam crest elevation and embankment stability reviewing, upstream and downstream crushed-stone side-slope stability calculation, etc.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.023