江西新建水库除险加固工程设计浅析

罗红兵

（江西省南昌县象湖联圩管理站，江西 南昌 330200）

0 引言

水库作为一项重要的民生措施，其安全性尤为重要[1～2]。上世纪以来，我国修建了较多的水库，用以解决灌溉、洪涝等问题[3～5]。大多数年代久远的水库由于建设时设计不规范等原因，其安全性下降[6～8]。针对这种水库进行除险加固工程处理是十分必要的[9～10]。本文以新建水库为例，对小型水库除险加固工程设计进行研究。

新建水库建于1959 年，设计灌溉面积1200 亩，是小（2）型水库工程，建成至今，为保护大坝安全，于2005 年对该水库大坝进行培土加固并衬砌加固了溢洪道。设计校核洪水位22.75 m，总库容为24.18×104m3。死水位18.43 m，对应库容0.19×104m3；正常蓄水位21.99 m，对应库容18.53×104m3；设计洪水位为22.52 m，相应库容为22.15×104m3。现状坝基及两坝肩存在接触渗漏，加固前渗流量为1.05 m3/（d·m）。

大坝为均质土坝，坝顶长186.00 m，高程22.93 m～23.71 m，最大坝高5.4 m，坝顶宽3.5 m～5.2 m。上游坡比1∶3～1∶3.8，下游坡比1∶2.5～1∶3.3。无护坡和反滤排水设施。溢洪道在大坝左侧山体中开挖而成，控制段为宽顶堰。进口底板高程为21.99 m，明渠宽2.50 m，长21.3 m，底板坡度为0.029。坝下涵管位于大坝右侧坝体内，斜卧管坐落在左侧坝坡上；涵管型式为砼预制圆管，直径0.50 m，壁厚0.2 m，坝下涵管全长36.5 m。涵管进、出口底板高程18.43 m、17.93 m，进口设斜卧管控制放水。

由于水库渗漏情况较为严重，坝体缺少护坡及反滤措施，现状水库安全系数较低，因此，需要进行加固处理。

1 水库、流域特征参数

（1）水库流域特征参数

水库流域特征参数结果见表1。

表1 水库流域特征参数复核表

（2）水库水位～库容、面积关系复核

绘制库容曲线图，见图1，20.43 m 高程以下采用原有死库容数据推出，水位～面积曲线列表见表2。

图1 水位～库容、面积曲线图

表2 水库水位～库容、面积关系表

2 新建水库除险加固工程设计

2.1 大坝出险加固设计

2.1.1 高程复核

坝顶高程复核计算结果见表3。

表3 坝顶高程安全复核表

现状坝顶局部高程基本满足设计所需的高程要求，加固坝顶高程取23.72 m。

2.1.2 大坝加固方案

（1）坝顶整治设计方案

水库现状坝顶均满足设计所需的高程要求，将坝顶高程修整为23.72 m，宽度修整为4.5 m；坝顶采用C20 砼结构路面。

（2）坝坡整治设计方案

现状坝坡基本稳定，但坝顶宽度宽窄不均，大坝结合现状坝坡上游按1∶2.5、下游按1∶2.25 进行草皮护坡。

（3）防渗加固设计方案

大坝为均质坝，现状坝基、坝脚渗漏严重，需进行防渗处理，采用冲抓套井回填黏土心墙对坝体、坝基及两坝肩进行防渗加固处理。回填土料要求渗透系数小于1×10-5cm/s，并且有较好的塑性和渗透稳定性，含水量控制在20%～30%左右，粘粒含量为35%～50%，粘土的设计干密度要大于土体天然干密度的1.02～1.12 倍并且不小于1.5 g/cm3，粘聚力19 kPa，内摩擦角18°。

冲抓套井钻孔排数由防渗有效厚度T 确定:

式中：T 为防渗墙有效厚度；H 为设计水头，H=3 m；J允许为允许渗透比降，取 J允许=5。

则需防渗有效厚度T=0.6 m，选用一排，孔距0.78 m，有效厚度为0.78 m，钻孔孔深嵌入坝基覆盖层不小于1.5 m。

根据坝体工程地质条件和险情，采取治理措施后坝体稳定性和水库渗流计算结果见表4～表5。

表4 稳定性计算结果

表5 渗流数值模拟计算结果

从以上结果可以看出，加固工程前，设计洪水位条件下，水平出逸坡降为0.78，水库渗漏量达1.05 m3/(d·m)；除险加固工程完成后，水平出逸坡降为0.04，渗漏量为0.30 m3/(d·m)。说明防渗措施可解决大坝渗漏问题。

（4）大坝下游反滤设计方案

原大坝下游坝脚未设排水体，新建贴坡式排水反滤，根据设计导则，贴坡排水体顶高程为19.63 m，用块石、碎石、中砂分层筑成，中砂层厚0.2 m，碎石层厚0.2 m，上部干砌石厚0.4 m。

（5）上、下游护坡加固设计方案

水库大坝现状上、下游均未护坡，上游坡采用砼预制坡护坡，下游采用草皮护坡。

护坡方案采用两种方案择优选取：

①干砌块石护坡（方案Ⅰ）

砌石护坡厚度按下式计算：

式中：D 为石块换算球形直径；Kt为与坡率相关系数，查表取值1.3；ρk、ρw为块石、水密度；m 为坡度；hp为设计波浪高度（累积频率为5%）；t 为护坡厚度。

计算得D=0.21 m，t=0.15 m，取干砌块石护坡厚度为0.3 m，护坡下砂砾石垫层厚0.10 m。

②砼预制块护坡（方案Ⅱ）

方案Ⅱ为C15 砼预制块（正六边形，边长0.3 m）护坡，预制砼护坡板厚为：

式中：η 为系数，取 η=1.1；b 为沿护坡板向长度，取 0.52 m；ρc为板的密度，取 ρc=2.4 t/m3；ρw为水的密度，取 ρw=1.0 t/m3；hp为累积频率为 0.5%的波高，hp＝0.438 m；Lm为平均波长，Lm＝5.57 m；m 为护坡坡率，m=2.50。

经计算，砼预制块护坡板厚t=0.06 m，取砼预制块护坡板厚0.10 m，板下设置0.10 m 厚砂卵石混合垫层。

③方案比较

以面积1 m2进行两方案工程量及造价比较，结果列于表6。

表6 两方案工程量及造价比较表

从表6 中比较结果可知，砼预制块护坡（方案Ⅱ）比干砌块石护坡（方案Ⅰ）多投资15.23 元/m2。但方案Ⅱ比方案Ⅰ施工干扰少，质量更容易控制，外形美观，本次加固设计选取方案Ⅱ为大坝上游护坡方案。

④砼预制块护坡布置

本次设计结合大坝边坡放缓，使大坝断面规范平整。设计将坝坡杂草进行全面清除，填土培厚，然后对坝体进行培坡，使其符合设计要求的坡比，并夯实坡面，在护坡坡脚及与两岸岸坡相接处均设置阻滑齿槽，护坡坡脚齿墙尺寸为顶宽0.5 m、高1.0 m、底宽0.7 m，采用现浇C20 砼结构，待齿砼强度满足要求后，整个坝面铺筑0.1 m 厚砂砾石混合垫层，并夯实紧密。然后采用C15 砼预制块进行护坡，护坡上限至校核洪水位，下限至坝脚，两侧护至两岸坝肩与岸坡相接。

⑤坝顶构造设计

由于坝顶高低不平，根据坝顶现状将坝顶高程统一为23.72 m。坝顶宽4.5 m，为改善交通条件，坝顶铺设C20 砼路面，向上游侧设2%的横坡排水。

2.2 灌溉建筑物除险加固设计

根据涵管现状存在的问题，灌溉涵管为预制砼圆管，结构强度不满足要求，管内淤堵严重。坝下涵管主要为下游农田灌溉，所以加固涵管是本次除险加固重点项目之一。

本次加固设计对涵管采用开挖重建，斜卧管拆除重建。

为方便与坝下涵管连接，拟定灌溉涵管进口段为矩形断面，涵管总长36 m，内空尺寸为0.6 m×0.8 m，壁厚25 cm，底部10 cm 厚C15 砼垫层，采用现浇钢筋砼结构，并设2 道截水环，截水环顶厚取0.4 m，环高取0.5 m。

斜卧管沿坝坡布置，坡度为1∶2.5，顶高程为22.94 m，级差0.4 m，台阶宽1.0 m，放水孔径ø300。

2.3 溢洪道除险加固设计

2.3.1 布置方案

现状溢洪道进口底板高程为21.99 m，明渠宽2.5 m，长21.3 m，底板坡度为0.023，现状溢洪道无护砌，两侧边坡稳定性一般，溢洪道无泄槽段、消力池及尾水渠，控制段砼边墙、底板均老化；陡槽段砼边墙、底板均老化，尾部无消能设施。溢洪道除险加固的主要任务是对溢洪道拆除拓宽重建，疏通退水渠。

溢洪道堰顶高程为21.99 m，泄流宽度为3.5 m，长5 m，满足防洪标准要求。溢流堰为钢筋砼结构，陡槽段长38.0 m，底坡i=0.05。边墙、底板分别为C20 砼结构、C25 钢筋砼结构。

2.3.2 泄流能力计算

采用宽顶堰计算公式，堰顶高程为21.99 m，溢流宽度为3.5 m。按有关计算公式得Q～Z 水位流量关系见表7。

表7 溢洪道水位流量关系表

溢流堰后接长38.0 m，宽3.5 m 的陡槽段，底坡i=0.05，其糙率系数n 均取0.015。

（1）泄槽首端端面计算的临界水深计算

起始计算断面定在堰下收缩断面，h1=0.60 m。

（2）边墙高度计算

以0 桩号（溢流堰末端）为陡槽起点，相应水深为收缩断面水深，推算出沿水流方向各断面的水深。边墙高度根据计算掺气水深加0.5 m 超高确定，见表8 中边墙高。

表8 泄槽边墙高计算表

由以上计算表可知，陡槽所需最大墙高为1.24 m，最小墙高为0.87 m，为安全起见，陡槽段起点取1.6 m，末端取1.25 m。

2.3.3 消能设计

消力池位于陡槽末端，设计下泄流量按50 年一遇3.8 m3/s。采用底流消能，根据前节所用方法计算出陡槽出口h1=0.35 m，V1=5.43 m/s。

取陡槽出口h1、V1为消力池进口计算水深。则共轭水深h2可用下式：

式中：Fr1为收缩断面弗氏数；h1为收缩断面水深，h1=0.35 m；V1为收缩断面，V1=5.43 m/s。

经计算，h2=1.12 m。

消力池长 Lk=0.8×6.9×（h2-h1）=5.17 m，取 LK=6.5 m。

消力池深：

式中：d 为池深；δ 为水跃淹没度，δ=1.05；h2为跃后水深，h2=1.12 m；ht为下游水深，ht=0.49 m；ΔZ 为出池落差；Q 为流量，Q=3.8 m3/s；b 为池宽，b=3.5 m；φ 为流速系数，φ=0.95。

经计算d=0.61 m，取d=0.7 m。

3 结论

结合新建水库特征，研究小型水库加固工程设计。采用冲抓套井进行坝体防渗处理，采用砼预制块护坡对坝体边坡进行加固；采用拆除重建涵管、斜卧管作为灌溉建筑物加固方法；采用拆除拓宽重建溢洪道的方式改善水力条件，并进行消力池设计。