浅谈小型水库除险加固设计——以王三水库为例

谢嘉文

(江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东 江门 529000)

1 王三水库基本概况

王三水库位于江门市台山市境内，该水库上游有老营底水库，下游有坂潭水库,水库集雨面积14.38 km2，干流河长6.2 km，河道比降0.0313。水库始建于1976年，大坝溢流段顶高程为136.00m，大坝非溢流段顶高程为138.00 m，正常水位136.00 m，相应正常库容290×104m3。设计洪水位(P=3.33%)137.61 m，相应库容337×104m3，校核洪水位(P=0.2%)138.26 m，相应库容357×104m3。是一座以防洪、灌溉为主，供水、发电综合利用的小(1)型水库。

经安全鉴定，王三水库大坝评定为三类坝，属于病险水库，迫切需要进行除险加固。如何做好水库除险加固的前期工作十分重要，尤其是前期水库加固的勘察设计工作，勘察设计的深度关系到日后施工和运行维护的工作。为此，对水库除险加固必须选取合理的设计方案，以确保水库日后安全有效运行。

2 王三水库水库除险加固设计

本工程根据水库实际情况，根据相关复核计算，得出结论，提出相应的除险加固措施。

2.1 大坝坝顶高程复核

坝体高度复核计算两种情况，即设计情况和校核情况，本工程地处台山境内，根据地质报告，无需计算地震工况。

(1)计算参数根据台山气象站1961—2007年各年最大风速统计资料计算得多年平均年最大风速为14.6 m/s。计算波浪要素所用的设计风速的取值：正常运用情况下，采用多年平均年最大风速的1.5倍，即21.9 m/s；对于非常运用条件下，采用多年平均年最大风速14.6 m/s。本次鉴定通过万分一图测得库区风区长度吹程为150 m。

根据水文复核计算的现状条件下的特征水位和计算的坝顶超高，确定坝顶高程，并与现状坝顶高程比较。计算情况：(1)正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高；(2)校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。

依据《混凝土拱坝设计规范》(SL 282—2018),计算坝顶上游防浪墙顶高程与水库正常蓄水位或校核洪水位的高差，现状大坝波浪计算成果见表1。

表1 现状大坝坝顶高程计算成果表

由以上计算可知，坝顶防浪墙顶计算高程为138.87 m。实测大坝溢流坝段坝顶高程为138.00 m，坝顶未设防浪墙，而大坝校核洪水位为138.26 m(P=0.2%)时要求坝顶高程138.87 m，故现状非溢流坝段坝顶高程不满足规范要求。

2.2 消能复核

2.2.1 下游水深计算

水库溢流堰溢洪后，水流进入大坝下游河床。应进行过流能力复核，保证下泄的洪水能尽快流走。

选择最大下泄流量进行计算，最大下泄流量为Q=449.8 m3/s(P=0.2%)。下游河床为天然河道，近似为梯形断面，底宽11 m，两岸边坡1∶0.5，河道纵坡i=0.0311，本河属于山区河流，河道乱石较多，根据《溢洪道设计规范》(SL 253—2018)糙率n=0.035，采用理正工程水力学计算软件进行计算。从计算成果看，下游水深3.77 m。现状下游河床底高程116.00 m，最大下泄流量情况时下游水面高程119.77 m，挑流鼻坎高程124.26 m，满足要求。下游河道流速9.3 m/s，溢流段下游冲刷坑出露弱风化～微风化花岗岩，其抗冲流速为15.0 m/s以上，满足要求。

2.2.2 堰顶溢流水深计算

王三水库大坝为混凝土埋石拱坝，坝顶溢流段为实用堰，无闸门控制，堰顶高程136.0 m，溢流堰顶净宽60 m。

根据溢流坝30年一遇设计流量为Q=271.1 m3/s；500年一遇校核流量为Q=449.8 m3/s。消能防冲建筑物按20年一遇设计，洪水流量为Q=246.80 m3/s。按曲线型实用堰，分别计算溢流水深。计算结果见表2。

查规范SL 253—2018，边墙高程不低于校核水位加安全超高值，安全超高值取0.3 m，则现状条件下设计溢流堰边墙顶高程=溢流堰顶高程+溢流水深+安全超高=136.00+2.26+0.3=138.56 m。现状边墙顶高程为138.00 m，现状边墙高不满足规范要求。溢流段两侧无导墙，水流条件差，且下泄水流易对两侧岸坡进行冲刷。

表2 王三水库拱坝溢流水深计算

2.2.3 消能复核

王三水库溢流堰下游采用挑流消能。按《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2000)规定，该水库溢洪道下游消能防冲的洪水标准按20年一遇(P=5%)洪水设计。20年一遇下泄流量为246.80 m3/s，20年一遇溢流水深为1.51 m，单宽流量q=4.11 m3/(s·m)。下游河道顶高程为116.0 m，鼻坎顶高程为124.30 m,堰上水位为137.51 m(P=5%)。采用《水利水电工程设计程序集V3.0》(pc1500)进行计算。计算结果为：挑流射程Ld=18.6 m，冲刷坑深度ds=2.05 m，i=ds/Ld=0.11。由于i=0.11<0.25，满足要求。

2.3 大坝结构安全复核计算

2.3.1 计算参数及控制指标

坝体材料为细石混凝土砌石结构，容重22.2 kN/m3，弹性模量1.0×104MPa，泊松比0.26，线膨胀系数4×10-6/℃。

应力控制指标按照规范SL 282—2018执行，见表3。

表3 拱坝允许应力表

2.3.2 应力计算

(1)计算方法及荷载组合

拱坝应力按纯拱法计算。计算初拟采用9层拱圈。荷载组合情况分基本组合及特殊组合两类。①基本组合为：正常蓄水位+设计正常温降+自重+淤沙压力+浪压力。②特殊组合为：校核洪水位+设计正常温升+自重+淤沙压力+浪压力。工程所在区域抗震设防烈度为6度，故不作抗震计算。

(2)计算断面选择

大坝溢流坝段坝顶高程136.00 m，非溢流坝段坝顶高程138.00 m，现状条件下，水库正常蓄水位为136.00 m，设计洪水位为137.61 m(P=3.33%)，校核洪水位为138.26 m(P=0.2%)。校核洪水位稍微大于坝顶高程，进行安全复核计算，水位取与坝顶齐平，为138.00 m。

采用水利水电工程设计计算程序集(PC1500)计算，计算成果见表4。

表4 现状拱坝138.00 m应力计算成果表

根据以上应力计算结果，大坝最大应力计算见表5。

表5 现状拱坝应力计算最大应力成果表

大坝在基本荷载组合下，最大拉应力为1.13 MPa，小于规范要求的1.20 MPa，最大压应力为2.73 MPa，小于允许值4.8 MPa；大坝在特殊荷载组合下最大拉应力为1.20 MPa，小于规范要求的1.50 MPa，最大压应力3.32 MPa，小于允许值5.70 MPa。

2.4 大坝坝肩稳定分析

左坝肩山体雄厚，透水性弱，坝肩稳定性和渗漏稳定性均较好。右坝肩小山体相对低矮，浅表岩体稍破碎，但碎裂岩体厚度较小。根据现场钻探及地质测绘资料，左、右坝肩山体出露弱～微风化岩，岩体节理闭合，倾角陡，主要节理面多倾向上游，不存在缓倾结构面。从现场看未发现坝肩山体有稳定问题，坝肩山体稳定。但左坝肩拱端位置相对凹入，拱坝拱端未延伸入坝肩山体的岩石层，对坝体整体安全带来隐患。

2.5 大坝存在的安全隐患和除险加固措施

2.5.1 大坝存在的安全隐患

根据现场勘查以及复核计算结果，王三水库大坝主要存在以下问题：

(1)坝顶高度不满足防洪要求。

(2)坝体上部较单薄，坝身发现渗漏，坝体溢流段两侧无导墙。

(3)左岸拱端未延伸入坝肩山体岩石层。

(4)左坝肩表层土受山洪冲刷，形成一道冲沟。

(5)大坝下游无上下坝步级。

(6)坝体无安全监测设施。

2.5.2大坝除险加固措施

(1)坝体加固

大坝目前有渗漏现象，坝体长期渗水会引起坝体钙质流失，导致材料强度降低。因此在坝体上游侧增设C25混凝土防渗面板。另外现状坝体上部较为单薄，非溢流堰段坝134.0～138.0 m高程坝身厚度仅有1.3 m，在结构上不够合理、安全，也不方便管理人员上坝观察。

综合考虑各种需求，C25混凝土防渗面板坝顶处加宽厚度为1.0 m，面板外坡1∶0.05，放坡至坝底114.00 m处混凝土面板厚1.5 m。

坝体加固基础部分应开挖至弱风化层中部，且不得高于现状坝体基础高程。加厚部分混凝土抗渗等级采用W6。

本次加固新增防渗面板后增设一排垂直导渗排水，沿坝纵向每4m间距设一条φ150 mm导渗排水管，排水管采用多孔PVC管。管顶高程至135.50 m(正常水位以下0.5 m)高程，各导渗排水管底部按两坝肩地形及建基面位置布置φ250 mm纵向PVC管一道，将各垂直导渗排水管连接起来，把混凝土面板渗水最后从现状放水涵管导出(放水涵管进口底高程121.50 m)，有利于坝体的稳定。

在浇筑新混凝土面板前，先将现状坝体表面凿毛，布置锚筋，间距、排距均为1.5 m，梅花型排列，锚固长度为40 d，再安装钢筋网，最后浇筑C25新混凝土面板，使新浇筑混凝土防渗面板与原坝面紧密结合。为了防止温度变形而产生裂缝，防渗面板设伸缩缝。按规范要求，伸缩缝的间距采用为15 m，缝宽2 cm，内填沥青砂板，布设紫铜片止水。紫铜片厚1.2 mm，宽20 cm。

现状拱坝左岸拱端未延伸入坝肩山体岩石层，采用C25混凝土接长坝身延伸至坝肩山体弱风化层中部以下。接长部分坝段长11 m，顶宽5.0 m。

(2)坝顶构造

拱坝非溢流段将现状坝顶高程凿除至137.00 m，然后采用C25混凝土加高至138.00 m，坝顶设钢筋混凝土防浪墙，防浪墙高0.90 m，厚0.25 m，墙顶高程138.90 m。为方便管理，坝顶内侧设置不锈钢栏杆。

(3)坝体溢流堰

坝顶溢流坝段两侧导墙高程增高至138.90 m，溢流坝段两侧增设C25混凝土导墙，墙高1.0 m，厚0.4 m。

(4)左坝肩冲沟

左坝肩冲沟处增设M7.5浆砌石挡土墙，挡墙为重力式挡墙，总长13.5 m，墙高8.8 m，墙顶高程138.00 m，墙底高程129.20 m，墙前坡比1∶0.3，墙后坡比1∶0.2。挡墙后填土至138.00 m，并采用C20混凝土护面，墙前采用C20混凝土护面。墙体设置φ75PVC排水管，间距2 m，管后设反滤体，墙顶设置不锈钢栏杆。左坝肩处平台紧靠着山体，因此在山脚处修建混凝土排水沟，收集雨水排走。

(5)背水侧下坝台阶

为方便管理以及观测，在左坝肩新建挡墙处设置C20混凝土步级一直至坝底，步级宽1.2 m，坡比1∶2.0，部分区域坡比、走向根据实际地形进行调整。局部地区采用M7.5浆砌石找平后再铺设台阶。

(6)观测设施设计

大坝目前无沉降、位移观测标点，在坝顶每隔30 m设置两个沉降位移观测标点，一共14个观测标点，左坝肩新建挡土墙设置2个观测标点。在坝体左侧位置设置1条水位尺，定期采用人工观测，并做好测量记录。

3 结 语

王三水库作为台山市重点扶持的水利工程，不仅为下游灌区333 hm2耕地提供灌溉水源，为当地18万人口提供生活用水与生产用水，同时，也在抵御防洪中发挥了重要的作用。为此，水库除险加固设计对查清水库所存在的病险问题尤为重要，不仅能让设计人员根据存在的问题，有针对性的制定合理的除险加固设计方案，还能有效提高水库的防御洪水灾害能力，使工程正常运行发挥灌溉、防洪、供水等综合效益，进而保障库区及下游灌区的人民生命财产安全。