朴家沟水库除险加固方案比选及病险情况复核探析

(辽宁沈阳利鑫土木工程有限责任公司，辽宁 沈阳 110179)

朴家沟水库位于辽宁盖州市陈屯镇朴家沟村，是冷水河一个支流，是一座灌溉兼防洪、养鱼综合效益的小(2)型水库。主要由大坝、溢洪道及输水洞及组成。本次除险加固内容：大坝工程、溢洪道工程、输水洞工程。

1 除险加固方案选择

1.1 大坝加固方案

1.1.1 坝体加固设计方案

现状心墙顶高程125.0 m，低于校核洪水位125.34 m，本次设计在心墙上设防浪墙，防浪墙顶高程126.40 m。为了满足心墙抗冻要求，坝顶由现状坝顶高程125.39～125.90 m加高至126.10 m。

1.1.2 护坡加固及下游贴坡排水方案

大坝迎水坡护坡部分风化严重，局部脱落、沉陷不平整。本次设计将108.0 m(死水位)至坝顶范围内的原护坡进行拆除翻新，在迎水坡上铺设100 mm厚的中粗砂垫层，碎石垫层200 mm厚，干砌石护坡300 mm厚。迎水坡坡比为1:2.3。由于部分护坡块石风化，本次工程原块石利用率为1/3，其它全部外购。

背水坡现状为二级坡，坡比分别为1:1.5、1:2.0。对下游坝坡进行除险加固方案有两种：

1)方案一：保持现状坝顶宽度5.7～8.3 m不变，下游路上坝坡坡比1：1.5保持原坝坡不变，为减少背水坡的培厚土量，在一级坡脚处设置挡墙，二级坝坡统一为1：2.25，为此需对下游背水坡进行培厚。

2)方案二：将坝顶5.7～8.3 m修整为4.0 m，一级坝坡削坡为1：2.0，二级坝坡为1：2.25，加固后，仍需对下游坝坡进行培厚。

通过技术可行、经济合理及工期等多方面比选，采用方案二作为推荐方案，整治后坝顶宽度为4.0 m，下游坝坡路上、路下分别为1：2.0和1：2.25。下游坡采用播种草籽形成草皮护坡。

1.2 溢洪道加固方案

大坝溢洪道渠底板为裸露风化岩石，没有衬砌，如果长期搁置不处理，风化日趋严重，将会对大坝、溢洪道渗流及稳定构成威胁，需要衬砌。溢洪道渠底衬砌处理，先将风化破碎岩进行开挖清理，溢洪道底板上浇筑250 mm厚钢筋混凝土面层，每隔6m设置沥青木板伸缩缝。溢洪道0+086至0+104处右侧山体部分岩体风化严重，溢洪道行洪时岩体易脱落，易造成溢洪道堵塞，影响行洪安全，危及大坝安全，为了行洪通畅，需对风化岩石进行整形，整形面积约为200 m2。在上坝路0+114处的挡墙已破损，为了防止溢洪道水流下泄时对上坝路产生冲刷，此次除险加固对此处的挡墙进行重建，长度约40 m。

1.3 输水洞处理方案

输水洞闸阀超年限使用，漏水严重，无法正常开启，需要更换。更换闸阀，直径为0.3 m。在更换闸阀时一般采用施工围堰的方法，但是由于库水位较高，如采用施工围堰方法，围堰需填筑较高，施工完毕后拆除也不方便，结合工程实际情况，采用水下封堵的方法进行输水洞更换闸阀工作。

2 水库病险情况复核

2.1 大坝工程复核

2.1.1 坝顶超高计算

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)及水库运用方式，分别按以下两种运用条件计算，取其最大值：

(1)设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；

(2)校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；

(3)正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；

(4)正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高。

计算公式：Y=R+e+A

式中：Y为坝顶超高，m；R为最大波浪在坝坡上的爬高，m；e为最大风壅水面高度，m；A为安全加高，m；

2.1.2 波浪爬高R计算

本次坝顶超高复核风浪要素的计算采用莆田试验站公式。

(1)平均波高h计算：

式中：g为重力加速度，g=9.81，m/s2；H为水域平均水深，m；D为由计算点逆风向量到对岸的距离，m；W为正常运用条件下的3级、4级和5级坝，采用1.5倍的多年平均年最大风速，非常运用条件下，采用多年平均年最大风速18 m/s；

(2)平均波长Lm按公式计算如下：

式中：Tm为平均波周期，按公式Tm=4.438 h0.5计算；H为水域平均水深；

(3)波浪爬高Rp计算

平均爬高：

近年来，随着党和国家支农惠农政策的深入人心，农民种粮的积极性空前高涨。特别是在购机补贴政策的激励下，广大农民加大了对购置农业机械的投入，农业机械化水平迅速提高。

设计波浪爬高Rp，按爬高分布进行换算，该工程为5级建筑物，确定波高累积频率P=5%，根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)，查表A.1.13得出：校核、设计、正常高水位情况R/Rm=1.84

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)A.1.15条，当来波波向线与坝轴线的法线成β夹角时，波浪爬高等于按正向来波计算爬高值乘以折减系数Kβ，朴家沟水库β夹角为0°，查表A.1.15得Kβ=1。

所以朴家沟水库设计波浪Rp=1.84Kβ×Rm=1.84×1×Rm=1.84Rm。

2.1.3 风壅水面高度e计算

式中：K为综合摩阻系数，K=3.6×10-6；β为风向与水域中线的夹角，取β=0°；W为水面上10 m处的风速，(m/s)；D为从计算点作水域中线(或坝轴中线)的平行线与对岸的交点到计算点的距离，m；H为水域的最大水深，m。

朴家沟水库波浪爬高计算参数及成果见表1。

表1 大坝波浪爬高计算参数及成果表

2.1.4 安全加高A

根据《碾压式土石坝设计规范》(S274-2001)表5.3.1取用：

设计水位时A=0.5 m，校核水位时，A=0.3 m。

2.1.5 坝顶超高计算成果

根据以上所列公式和计算参数，朴家沟水库土石坝坝顶超高计算结果见表2。

表2 朴家沟水库土石坝超高计算结果表 m

2.1.6 正常蓄水位加地震组合情况

根据《水工建筑物抗震设计规范》(SL203-97)5.2.3条规定，确定地震区土石坝的安全超高时应包括地震涌浪高度，可根据设计烈度和坝前水深，取地震涌浪高度为0.5～1.5 m，朴家沟水库地震设计烈度为7，坝前水深较小，取地震涌浪高度1 m。正常蓄水位加地震组合情况，设计坝顶超高Y=1.64+1=2.64 m。

2.1.7 坝顶高程复核

根据《碾压式土石坝设计规范》(S274-2001)第5.3.3 条规定，土坝各种运用情况的坝顶高程计算结果见表3。

根据表3计算成果，确定加固后坝顶高程为126.40 m。

2.2 防洪安全复核

水库原设计标准为20 a一遇，校核标准为300 a一遇，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)，朴家沟水库防洪设计标准确定为20 a一遇，校核标准为200 a一遇，按照水库溢洪道现状进行调洪演算，经计算设计洪水位为124.54 m，校核洪水位125.34 m，现状坝顶高程为125.39～125.9 m，心墙顶高程为125.0 m，校核洪水位超出心墙顶0.34 m，不符合规范要求。

表3 朴家沟水库加固后坝顶高程计算成果表 m

3 结语

朴家沟水库原设计标准为20 a一遇洪水设计，设计水位为123.7 m，相应库容为34万 m3，300 a一遇洪水校核，校核水位为125.0 m，相应库容为39.4万 m3。朴家沟水库最大坝高26.0 m，上下游最大水头差为25.1 m，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)规定，朴家沟水库按山区丘陵区水库确定洪水标准，根据《辽宁省小(2)型水库除险加固工程初步设计报告编制规程》，本次洪水复核按规范取下限，洪水复核按水库设计洪水20 a一遇，校核洪水200 a一遇。

[1]严祖文,魏迎奇,李维朝.水库除险加固技术方案关联分析与决策[J].中国水利水电科学研究院学报.2012(02).

[2]孙靓.清河水库除险加固工程施工方案优化研究[D].沈阳农业大学. 2017.

[3]严祖文,魏迎奇,张国栋.病险水库除险加固现状分析及对策[J].水利水电技术.2010(10).

[4]徐敏.北井水库防洪标准复核分析[J].黑龙江水利科技.2015(02).

[5]王萍,夏仲平.病险水库除险加固中的主要技术措施[J].人民长江.2006(08).