沂南县寨子水库输水洞除险加固设计探析

杜以芳

（沂南县张庄镇水利站，山东 沂南 276309）

沂南寨子水库位于临沂市沂南县沂河支流的铜井河上游，坝址座落于沂南县铜井镇张家庄子村西北0.50 km。寨子水库流域面积25.45 km2，流域形状为多支流阔叶型，平均宽度3 km，坝址以上平均坡度0.02%，有挑峪、三山沟等3条支流，呈枝状分布。寨子水库是一座具有防洪、灌溉、养殖等多功能的中型水库，灌区设计灌溉面积1 606.67 hm2，目前有效灌溉面积133.45 hm2。

寨子水库工程主要包括大坝、溢洪道、输水洞3部分，水库输水洞为直径1.50 m的有压隧洞，进口洞底高程535.85 m，洞长86.0 m，出口高程532.81 m。输水洞进口有启闭塔1座，其断面4 m×4 m，安装工作闸门1扇，并配有螺杆启闭机。

1 存在的问题

运行周期较长以及工程建设初期不合理设计都会导致水库存在一定的问题，寨子水库建于1970年，运行至今，输水洞存在很多问题，具体如下：

1）输水洞出口没有消力措施，冲坑越来越深，冲坑面积越来越大。输水洞泄洪渠没有保护措施，不断吞噬耕地，且威胁左侧居民住宅。

2）输水洞金属结构通过现场检查发现如下问题：一是没有检修闸门，在实际运行中，对工作闸门的检修很困难；二是启闭塔工作闸门橡皮止水变型，漏水，已不能正常发挥作用；三是输水洞出口钢阀门启闭不灵，漏水、锈蚀。进口启闭不灵，主丝杆锈蚀现象严重。

2 除险加固措施

根据对输水洞存在问题的分析，确定输水洞的除险加固方案主要为：在输水洞的出口处设置消力池，从泄洪建筑物中流出的湍急水流具有极大的动能，将产生巨大的破坏作用力，设置消力池能将急流转变成缓流，降低甚至避免水流造成的危害。经过多年运行，水库输水洞进口闸门及启闭机均已不能正常运行，已经严重影响到整个水库的功效发挥，因此，应对输水洞进口闸门及启闭机进行重新安装更换。

2.1 输水洞工程布置

消力池除险加固工程主要包括：衔接段挡土墙、消力池及海漫。输水洞总长度为86 m，直径1.5 m，进口洞底高程535.85 m，洞长86.0 m，出口底高程532.81 m。

1）衔接段翼墙。输水洞出口处有一平台，需要修建钢筋混凝土翼墙。

2）消力池。输水洞下游修建消力池，为钢筋混凝土结构。消力池底板高程为525.05 m，宽度为10 m，长度22 m，消力池两侧修建5.6 m高挡土墙，并需要对河道进行土方回填，并对翼墙以上土体按1∶1.5进行削坡。

3）消力池下游需要修建海漫，海漫底板高程为526.65 m，宽度为10 m，长度31 m，海漫两侧前段5 m钢筋混凝土翼墙，墙高由4 m降至2 m，后段长26 m，为浆砌石结构。对海漫两岸进行土方回填，并对翼墙以上土体按1∶1.5进行削坡。

2.2 输水洞出口消能设计

1）消能建筑物标准确定。据水库洪水调节计算结果，300年一遇输水洞最大泄量17.0 m3/s，30年一遇泄流量 16.89 m3/s，10年一遇泄流量15.95 m3/s。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000的规定，消能设施采用10年一遇标准设计，相应库水位为551.6 m。

2）消能型式的选择。水库输水洞为有压式隧洞，单宽流量、流速及设计水头较大，为选择较为经济合理的消能型式，布置了消力槛与消力池2个方案进行比较，主要工程量及投资情况见表1。

表1 消力槛与消力池方案对比表

由表1可知，消力槛方案混凝土量较大，投资亦较消力池方案多10.35万元，故采用消力池的消能型式。

3）衔接段翼墙。输水洞出口处有一平台，需要修建钢筋混凝土翼墙。墙高为1.5 m，上顶宽为0.3 m，下底宽为0.5 m。

4）消力池消能计算。鼻坎距闸下水流收缩断面的距离据公式计算为11.69 m。为了保护两岸的居民房屋和耕地，消力池两侧需要修建5.6 m高翼墙，上顶宽为0.3 m，下底宽为1.2 m，墙后进行土方回填，并对翼墙以上土体按1∶1.5进行削坡。

5）海漫。由海漫长度公式计算得海漫长度为31 m。由于海漫两侧的挡土墙高度需要从4 m渐变到2 m，渐变段采用C20钢筋混凝土结构，长度为5 m，上顶宽0.3 m，下底宽由0.9 m渐变到0.6 m；海漫的其余部分采用浆砌石结构，长度为26 m，上顶宽0.5 m，下底宽1.5 m。为使两岸的边坡稳定，需要对海漫两岸进行土方回填，并对翼墙以上土体按1∶1.5进行削坡。

2.3 电气与金属结构设计

本工程金属结构部分包括：输水洞工作闸门、检修闸门、闸门启闭设备。

1）设计条件：输水洞进口检修闸门及其启闭设备的设计条件如下，设计水位：552.45 m，校核水位：553.90 m，底坎高程：535.25 m，孔口尺寸：1.50 m×1.50 m，孔口数量：1，闸门数量：1。 闸门结构：进口检修闸门采用铸铁闸门，闸门静水启闭。

2）启闭设备计算。当闸门下游无水时：启门力 P1=K[0.5γbf（h12-h32）+G]；当闸门上下游都有水时：闭门力 P1=K[0.5γbf（h12-h22-h32）+W-G]。 式中：K为安全系数，采用1.35；γ为水的容重，10 kN/m3；b为闸孔净宽度，m；f为闸门与闸槽间的摩擦系数，取0.5；h1为上游水深，m；h2为上下游水头差，m；h3为下游水位，m；G为闸门自重，kN；W为水对闸门的浮托力，kN。

表2 启闭设备计算结果表 kN

3）设备选择。通过计算选用启闭机性能如下：型式：LQ-500 螺杆式启闭机， 容量：1×500 kN，扬程：20 m，启门力：500 kN，闭门力：250 kN，电机功率：7.50 kW。

4）金属结构工程量。金属结构工程量：闸门启闭机配备2座闸门，2台启闭机。

5）电气设备。工作闸门与检修闸门交替使用，按一台启闭机容量进行计算。为防止断电而造成启闭机无法工作，在启闭机室安装一台10 kW柴油发电机，在停电时供闸门开启使用。

3 结语

1）在除险加固工程结束后，要做好输水洞养护工作：当输水洞出现分缝渗漏、内外力所引起的各种裂缝时，及时用洞内修补、补强、衬砌、套管及灌浆等措施进行处理，避免裂缝进一步扩张，减轻危害。

2）水库输水洞除险加固后，可以有力地解决水库因工程老化产生的闸门漏水、输水洞进口启闭机启闭困难等问题，可以最大限度地解除水患，为农业生产带来便利，提高水库抵抗水旱灾害的能力，保证了水库周边居民的安全，有力地促进农民增收和农业发展，为当地政治、经济发展提供了保障。