岭湖水库大坝除险加固工程设计综述

周静雯

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510000)

0 引 言

水库大坝在水利工程中占据举足轻重的地位，对水利发电、防洪灌溉、景观建设等工程都具有重要意义。位于广州市干部疗养院内的岭湖水库是1962年建成的一座小(2)型水库，既具备雨洪调蓄的功能又是广州干部疗养院自然景观。岭湖水库总库容量30.88万m3，核心建筑物包括一座大坝、一座溢洪道和一条放水涵洞。 岭湖水库已经运行了50多年，一直没有进行过专项修缮。通过相关部门的鉴定，该水库大坝为三类坝的标准，将其确立为应急抢险救灾工程，需要对大坝进行应急抢险加固。

1 土石坝加固设计

1.1 土石坝加固主要任务

加强坝身的防渗功能；将迎水坡护坡上的杂草清除并进行有针对性地修复，修整后护坡采用C20混凝土浇筑，同时清除背水坡杂草和进行平整。

1.2 土石坝防渗灌浆方案布置

对土坝防渗灌浆的设计决定采取霹雳灌浆的方式进行，在轴线上开设灌浆孔，一共16个孔，孔间距离4m，灌浆深度为0.5m处的全风化花岗片麻岩，总共进尺165m。坝体灌浆设计见《坝体灌浆设计图》(SL2509DT-510-006)。

1.3 土石坝坝顶超高及坝顶高程确定

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)规定，坝顶超高与水库净水位之和等于坝顶高程。根据规范的标准确定坝顶超高，然后按照下面公式计算：

Y=R+e+A

(1)

式中：设定A为安全加高，m；常态下设定A=0.5m，非常态下设定A=0.3m；设定e为风雍水面最大高度，m；设定R为坝坡上最大波浪的爬高，m；该计算采用莆田试验站公式，利用的波浪爬高值一般频率为5%。坝顶超高与水库净水位之和等于坝顶高程，然后按照不同的工况进行计算，获取其中最大的值。

1.4 坝身结构加固

1.4.1 迎水坡护坡

清除迎水坡上面现有混凝土护坡的杂草，利用碎石和砂进行回填，进行平整后利用C20混凝土浇筑护坡，混凝土厚度为150mm，设定1∶3.1的迎水坡坡比，设置500mm×1000mm的混凝土固脚C20混凝土固脚。

1.4.2 坝顶加固

现有的坝顶路面为5.3m的混凝土路面，呈现较完整路面，没有很大的损坏和裂缝，加固设计与疗养院目前实施的绿道工程相结合，目前不考虑坝顶路面的维护处理，等到该工程完工后在通过绿道工程处理坝顶。

1.4.3 加固处理背水坡

背水坡的坡比为1∶2.4，其加固项目为：修整坡面，除掉杂草。

1.5 土坝加固前后稳定性对比

1.5.1 渗透性比较

可以把土坝加固前的安全鉴定和初步设计加固后的渗流计算成果列入表1。

表1 土坝加固前后渗流计算成果表

根据表1计算的成果显示：在土坝的正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位的工作情况下，加固土坝前后的总渗流量均相对较小。加固前，在验算洪水位条件下，土坝溢流面最大坡度大于允许坡度，加固后在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位等工作情况下的溢出面积最大坡降值不超标，确保了坝坡的稳定性。通过比较可得出，加固后的土坝坝体的防渗性显著提高，无论是在常规的蓄水位。由此可见，加固后土坝坝体的防渗性能得到明显提高，在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位的不同工作情况下，都能够满足渗流稳定性的要求[1]。

1.5.2 边坡抗滑稳定性比较

将加固前的土坝的安全鉴定和初步设计加固后的抗滑稳定计算成果列入表2。

参照上表2成果不难看出：在正常蓄水位、设计洪水位以及校核洪水位的工作情况下，加固前土坝背水坡的边坡抗滑稳定系数都没有超过规范要求值，难以符合抗滑稳定性；在以上三种工作情况下加固后土坝迎水坡及背水坡的边坡抗滑稳定系数都高于规范要求，可以符合抗滑稳定的要求[1]。

2 溢洪道加固设计

2.1 溢洪道加固任务

1)设计的新溢洪道堰利用单孔、自由开敞式的WES实用堰，将加固前的42.17堰顶高程变更为目前的42.6m，设计堰宽为10.5m。

2)溢流堰后方与下游底板相连接接，利用C25混凝土进行浇筑，其长度为2.58m，厚度为400mm；无需改变原溢洪道下游交通桥。

3)因为原来溢流堰两侧浆砌石挡墙严重漏水，所以计划全部拆除重建。利用总长28m的C20混凝土重力式挡墙，挡墙高3.0m，墙顶部宽0.5m，设定为1∶0.4的挡土侧坡比，设计为0的迎水面比。

通过调洪进行演算，洪水位设计设(P=5%)：上游为42.68m，与其对应的下泄流量为24.68m3/s；设定校核洪水位(P=0.5%)：上游43.78m，相对应的下泄流量为39.66m3/s。

2.2 加固后溢洪道水力计算

2.2.1 基本资料

1)设计洪水(P=5%)：上游为44.16m，最大泄流量设计为24.81m3/s。

2)设计校核洪水位为(P=0.5%)上游为43.13m，设计校核下泄流量最大为38.96m3/s。

2.2.2 结构模型

在水库东侧库尾构筑溢洪道，为单孔的开敞式只有溢流堰，宽度为10.4m，设计43.2m的堰顶高程。设定三圆弧曲线的堰头：R1=0.550m、R2=0.220m，之后进行曲线接幂：y=x1.850/(2.000×Hd0.850)，设定1:1的陡坡段坡度，设定1米的反弧段反弧半径。WES堰大样如图1所示。

图1 溢洪道WES堰大样图

2.2.3 计算溢洪道泄流能力

选择计算方式：按照冷湖水库的设计实际情况，获取的堰顶的宽度为10.5m，参考堰型根据WES实用堰计算。

1)有效计算开敞式驼峰堰泄流能力：

(1)

(2)

式中：设定流量为Q，m3/s；淹没系数为σc，以自由流出为形式，取=1；流量系数设定为m，查取溢洪道设计规范表A.2.1-1里面的相关数据；堰高设定为P，0.8米取值；闸墩侧收缩系数设定为ε；设定B为溢流堰总净宽，长度为10.6m；单孔设定宽度为b，单位m：重力加速设定为g，单位为m/s2；设定上游堰坡影响系数为C，如果为铅直状的上游堰面，c=1.0；如果是倾斜的上游堰面，就要在规范表A.2.1-2中查求C值；设定边墩形状系数为ζk；针对直角矩形的设定，ζk=1.0；针对折线或圆角形的设定，ck=0.7；针对流线形设定，ck=0.4；

设定中墩形状系数为ζo，与其相关联的是淹没度hs/Ho和闸墩头伸出上游堰面距离Lu；其中H0是行进流速内的堰上总水头，单位为m，即H0=H+v02/2g，取v0≈0 m/s。

3 放水涵加固设计

3.1 两种放水涵加固方案比较

1)利用大开挖方式。完成围堰施工且将围堰南侧库水放干后，进行坝体开挖，拆除原来的防水涵洞，在这个位置上埋置预制直径800mm的钢筋混凝土管，然后将坝体和上下游坝坡恢复原状。

2)利用将钢管放置在原涵洞内作为新放水涵管的模式。将内径为650mm的涵管放置到原涵洞位置，利用细石混凝土回填涵管与原浆砌石涵洞之间空隙。

通过对以上两个方案的比较，综合比较以上两个方案，第二个方案造价相对低，所以选择第二个方案(套管方案)进行如下的工程设计。

1)拆除原有放水涵的进水口，进行放水涵闸室的新建，设计闸室规格为 4.5m×宽4.5m×高4.7m，设计增设尺寸1000×1200mm的平面钢闸门；将反坡式进水池设置在闸前，设计进水池长和宽分别为12.3m和8m；在闸后设置长约6m的连接段衔接放水涵。

2)在现有放水涵洞内套长度为62.77m的钢管，钢管壁厚为10mm，内径为650mm。利用细石混凝土填筑钢管外侧。

3)将消力池安装在放水涵出口段，设置1∶3.0的陡坡段比降，设置4.18m长的水平投影，将高程从原来的33.57m下降到32.16m，底板采用550mm厚的C25混凝土；设置9m长的水平段池，下面的反滤层利用150mm厚粗砂。新增C20混凝土重力式挡土墙在消力池两侧，墙高和顶宽分别是2.9m和0.4m，设定1:0.4的挡土侧坡比。

4) 新建启闭机室与交通桥，可以在闸室上方建启闭机室，将手动螺旋启闭机安置其内。与左岸道路相连的交通桥长和宽分别为32m和2.2m。设计交通桥为三跨，跨间距离为11m，设置桥墩两个，桥墩下的独立基础为长×宽为3.4m×2.0m，厚0.6m。

交通桥上桥点可以设计两个方案，方案一是从坝体上桥，方案二是从坝前左岸的道路上桥。通过两个方案的比较，第一个方案需要在原来坝体上进行桥墩施工，会对原坝体造成扰动，也不方便回填土压实的施工。第二个方案是在原来山体上布置桥墩，具备较好的地质情况，不会干扰到原坝体，所以选择第二个方案[2]。

3.2 进水口整体稳定及基底应力计算

该工程进水口左右侧对称布置，靠自重维持稳定，加之该进水口置于土质地基上，因建基面不允许出现拉应力，可不进行抗倾覆稳定计算。通过对进水口整体抗浮稳定与基底应力计算，以复核其是否满足规范要求。经计算，该进水口的抗滑稳定系数大于所要求的安全系数，满足规范要求；各工况的基底应力未出现拉应力，并且都小于进水口段基底承载力(持力层为弱风化花岗片麻岩，fak=500kPa)，因此可认定该工程的进水口为稳定结构。位于坝前左岸岸边坍塌的挡土墙需要拆除重建，重建长度为50m，都为重力式浆砌石挡墙，高4.2m，顶宽0.7m，迎水侧坡比1∶0.4，背水侧坡比为0，墙底宽3.70m，底板厚0.7m，基础埋深1.2m。挡墙开挖后破坏的道路由绿道工程统一修复[3]。

3.3 消力池计算

①放水涵流量计算；②消力池池深、池长计算；计算结果如表3所示。

表3 消力池计算成果表

取池深0.95m，底板厚度0.50m，池长13m。具体设计见《消力池结构图》(图号SL2509DT-510-11)。

3.4 浆砌石挡墙稳定计算

采用理正计算软件中的挡土墙稳定计算进行计算，计算简图见图2。

图2 浆砌石挡墙稳定计算图

重力式挡墙计算工况为完建期工况和非常运用工况。计算结果显示，土质地基基本组合抗滑稳定安全系数≥1.2，特殊组合≥1.05。抗倾覆安全系数基本组合≥1.4，特殊组合≥1.3，最大应力与最小应力之比<2.5(地基持力层为全风化花岗片麻岩)。可见该挡墙断面稳定满足规范要求。

4 结 语

综上所述，水库是区域内人民生活中重要的水利工程，是涉及到国计民生的大事。而对水库大坝进行抢险加固是确保水库运行安全的根本保障，也是影响水库可持续发展的重要因素。因此，在水库的整体建设中，设计人员在对水库大坝进行例行的除险加固的工程设计外，更要对水库未来几年内极易发生的安全问题进行科学预估，制定出相对应的处理预案，而且要充分与当前的除险加固工程设计相结合，保证水库大坝的短期、中期和长期的运行安全。