中山市长江水库溢洪道结构安全评价

苏艺明

（中山市水库水电工程管理中心，广东 中山 528400）

溢洪道作为水库泄洪建筑的重要组成部分，在洪水防御方面起重要作用，其主要作用在于及时容纳常规库容难以容纳的多余洪水，以保证大坝的整体安全，结构主要以开敞式为主[1]。溢洪道的工作概率较小，但仍是水库防洪建筑中最关键的建筑物之一。根据泄洪标准对其进行划分，可分为正常与非常溢洪道，两者分别起宣泄常规洪水与宣泄非常洪水的作用[2]。按照建设位置的不同，又可具体划分为岸边溢洪道与河床溢洪道等[3]。中山市长江水库溢洪道初建时间久远，距今已有40余年，其建筑本身的结构安全性有可能受到影响。基于此，该文提出了一种对中山市长江水库溢洪道进行结构安全评价的方法。

1 中山市长江水库溢洪道工程概况

1.1 整体建筑情况

该溢洪道最初建于1978年，主要按照100年遇到一次洪水设计，1000年一遇洪水校核标准进行建设，主要为敞开式建筑。该工程为中型水库，工程等级Ⅲ等，溢洪道为主要建筑物，建筑物级别为 3级。该工程主要的施工地基为原山石土，密度较好，石质坚硬且全部以挖方的形式进行施工建设。溢洪道整体为喇叭口状进行设计，使其起到汇水与导流的作用，并以直立式浆砌石挡土墙进加固。陡坡处使用0.5m厚度的浆砌石进行堆砌，混凝土护面为170号，厚度约为200mm，在堆砌底板处每间隔10m左右便设置一道反滤沟（横向），从而达到减少渗透压力的作用；边墙处主要使用50号浆砌石进行堆砌，消力池底板板面建材厚度为600mm；海漫由50号浆砌石堆砌，整体厚度约为500mm，在海漫尾端设置齿墙。该建筑由于建筑年限距今已有40余年，受到风力侵蚀、温差变化以及水力冲刷等的影响导致其建筑稳定性受到影响，并且该建筑已进行多次洪水的宣泄作业，其溢洪道的正常作业能力受到了一定影响，同时，由于受到地面沉降的影响，溢洪道边墙的高度与整体的结构安全性与稳定性有待考核。整体上，该建筑的溢洪道存在一定的安全隐患，需要对其进行系统性的安全性校验。

1.2 工程现状与存在问题

泄槽边墙处以及进口的翼墙处有多条明显裂缝，初步检测可能由于翼墙处的混凝土结构过于松散导致。由于溢洪道运行时间久远，周边的浆砌石结构不紧密，导致泄槽边墙处以及进口的翼墙出现几处明显裂缝，上述裂缝的走向主要为由东至西且存在裂缝面积逐渐增加的趋势，在外力作用的影响下，未来有可能对该溢洪道边墙的结构稳定性产生影响。具体的，有3条较宽的裂缝位于溢洪道的右端侧翼墙处，总体宽度在2 mm～5 mm，长度整体达到3.4m；有1条较细裂缝位于溢洪道的流面处，宽度约为2mm，总长为19.6m。同时，有一处非连通式竖向裂缝，其长度小于1 m，宽度为2mm左右。其形成原因是周边的浆砌石结构不紧密导致。在溢洪道的入口段存在几处走向为由东至西的裂缝，该裂缝在雨季对入口段溢洪道的洪水汇集能力产生了影响，并且导致洪水渗漏，使周边建筑的稳定性受到了影响。控制段由于其混凝土密度较入口段更高，所以此处出现的显性裂缝较少，整体上不存在较严重的建筑安全问题，而溢洪道的出口段由于长期受到来自控制段所排入洪水的冲刷，导致周围出现多处由于水力侵蚀而造成的裂缝，降低了出口段的排水能力。

泄槽的边墙处经检查还存在多处裂缝的修补痕迹。其原始裂缝主要为由昼夜、季节温差导致的收缩式裂缝，对整体溢洪道结构的影响程度不大。在该道的进口处其混凝土护坦方有一处明显裂痕，裂痕长约5m，宽约1mm，其主要产生原因可能是地面沉降，裂缝存在面积逐渐增加的趋势。此外，由于地面沉降作用，导致泄槽处的地面存在凹凸不平的现象，并且部分凹面存在较多积水，在雨季时，积水现象更加严重，对泄槽部分的排水能力产生影响。

2 溢洪道结构安全评价过程

水库溢洪道是一个复杂的建筑系统，由多个具有不同功能的建筑物构成，因此对溢洪道的结构安全进行评价时，要着重对关键部位的安全情况进行检查。该文中，根据各部分建筑对溢洪道结构安全的影响程度以及泄洪能力的重要性，分别从溢洪道进口段边墙高度复核、溢洪道控制段顶部高程复核、溢洪道泄槽段边墙高度复核、溢洪道消能防冲计算、溢洪道边墙结构与稳定复核共5个溢洪道关键建筑部位的复核结果对溢洪道的结构安全进行评价。

2.1 溢洪道进口段边墙高度复核

溢洪道进口段是宣泄洪水的建筑基础，在出现非常洪水时，其首先进入进口段，进口段的边墙对洪水具有引导与顺延作用，当高度不符合标准要求时，造成洪水溢出漫过边墙，威胁大坝的安全运行。此外，在溢洪道进行排水作业时，入口段对洪水的汇聚能力是控制端与排出段溢洪道起作用的基础，只有溢洪道入口段的边墙符合高度要求时，才能保证溢洪道整体的正常作业能力。因此，对溢洪道进口段边墙的高度进行测算与核验是溢洪道结构安全评价的首要工程。本次研究，按照相关水文的核实结果，根据《溢洪道设计规范》（SL 250-2018）第3.2.5条标准规定，溢洪道的进口边墙顶的总体高度应大于进行泄洪时的最高水位。经测定，溢洪道进口边墙处的最低高度为30.53m，较进行泄洪时出现的最高水位29.67m显著更高，因此，进口段边墙的整体高度满足相应的规范标准。

2.2 溢洪道控制段顶部高程复核

溢洪道控制段是对进口段所进入洪水进行引流与控制的主要建筑段。非常洪水在进行排放时，由入口段进入控制段进行汇流，在对洪水的流速、水压进行控制后，引导其从出口段进行排出。控制端在溢洪道的3段结构中，其构造最复杂，起承上起下的作用，洪水进入控制端后，需要经过该段口的消力与混流作用，使入口段的水压与水流符合溢洪道排水的作业标准。控制段的边墙长度较进口段更长，以起到对洪水形成堰流作用，当溢洪道控制段的顶部高程与标准高程相差较远时，会导致控制段对洪水的引流作用大幅度降低，洪水有可能溢出边墙，威胁闸墩与周围相关设施的正常运行。本次研究根据《溢洪道设计规范》（SL 250-2018）第3.3.9条规定，溢洪道的控制段其闸墩与周边墙顶的高度应高于校核标准洪水位累加安全最大值的要求。本溢洪道在进行泄洪操作时的安全加高取0.3m，因此得到该道控制段边墙的最小高度为30m，其符合校核洪水位累加安全最大值的要求。因此，溢洪道控制段顶部高程满足规范要求。

2.3 溢洪道泄槽段边墙高度复核

溢洪道泄槽段主要起排出洪水的作用，其主要工作机理是对控制段洪水形成的堰流进行宣泄，将其洪水宣泄至溢洪道消力池，若泄槽段的边墙高度与标准不符合，则会导致控制段洪水漫过泄槽段边墙，对下游建筑物进行冲刷。适当的边墙高度不仅可以增强泄洪道对洪水的排放能力，还能保证在雨季溢洪道能够稳定、持续进行泄洪作业。随着建筑使用年限的增加，泄槽控制段的结构稳定性与排水能力受到影响，并且由于地面沉降作用对边墙地基的影响，导致边墙高度随着建筑物作业年限的增加，其自身高度有所下降，并在有可能使原本符合建筑标准要求的边墙高度低于规定标准值。基于此，对溢洪道泄槽段的边墙高度进行复核。

泄槽段水流掺气水深根据《溢洪道设计规范》（SL 250-2018）中相关公式计算，如公式（1）所示。

公式（1）中，h、hb代表泄槽计算断面的水深及掺气后的水深，单位为m；v代表不掺气情况下泄槽计算断面的流速单位为m/s；ς代表修正系数，取值为1.0s/m～1.4s/m，流速大者取大值。

溢洪道泄槽上游处与宽顶堰相连接，泄槽段开始所计算的断面位置定在泄槽的首部，计算水深为h，取泄槽首部的断面进行计算时的掺气后水深为hb。下泄流量相较上泄流量而言，其总量更大，流速也更快，因此该工程在参考掺气水深的前提下，对泄槽周边墙体的高度进行复核时，在采用校核水位水面线的基础上再增加0.5m～1.5m的预计安全超高，其具体计算方式如公式（2）所示。

公式（2）中，h代表不掺气水深，单位为m；v代表断面评价流速，单位为m/s。由此得到溢洪道泄槽段边墙高度复核结果，如表1所示。

表1 溢洪道泄槽段边墙高度复核结果（P=0.05）

结果显示，各断面现状边墙高度均显著高于计算边墙高度，其中，断面9-9的现状边墙高度较计算边墙高度高出4.06m，由此表明泄槽边墙高度满足要求。

2.4 溢洪道消能防冲计算

该溢洪道的消能防冲功能主要以底流消能为主，其是最常见的消能方式之一。主要原理是通过泄槽段将上游所宣泄的洪水在出口处产生水跃，使水流流态发生变化并使其能量耗散，水流之间产生强烈的紊动作用，使部分动能转化为热能，达到消减动能的目的，保障水库大坝的安全运行。溢洪道在长期使用后，由于受到水力侵蚀与风蚀等外力作用，导致自身的建筑结构工作效能降低，消能冲防能力有所下降，进而影响溢洪道结构安全，并且溢洪道处的消能冲防能力在其整体作业过程中产生着至关重要的决定性作用。因此，对其进行消防冲能计算。

本次研究根据文件规范要求，将溢洪道的消能防冲设计依据30年遇到一次洪水的标准进行设计，按照100年遇到一次洪水的标准进行校验。本次复核中其主要依据为溢洪道的消能工按底流消能，溢洪道30年遇到一次洪水的标准泄流量为25.24m3/s，100年遇到一次洪水的泄流量46.08m3/s。消力池的总体池深及总体长度的复核标准主要依据（《溢洪道设计规范》（SL 253-2018））计算。消力池的校核工况计算参数，如表2所示。

表2 校核工况（P=1%）消力池计算参数表

2.5 溢洪道边墙结构与稳定复核

长江水库溢洪道于1978 年由当时中山县水电局设计并施工兴建，采用 30cm 厚的浆砌石砌底，170#砼护面，厚20cm，陡坡边墙为 50 号浆砌石筑砌而成。2006 年完工的长江水库达标加固工程对陡槽重行进行砌护加固，原泄槽底板浆砌石全 部拆除，新建底板浆砌石厚 300mm，采用 C25 混凝土护面，厚 200mm，底板浆 砌石中埋入锚筋，挂钢筋网；泄槽边墙表面凿毛、拉毛，清除松动浮块，冲刷干 净，采用C25 混凝土护面，厚 200mm，打孔植入锚筋，挂钢筋网。本次安全鉴定工作溢洪道边墙结构复核以能找到的设计图纸、竣工图纸、资料、现场测量和本次地勘成果为基础进行。本次研究中对溢洪道边墙结构进行复核所用到的材料具体有（1）《水工设计手册》（第二版）；（2）《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）；（3）《水工建筑物抗震设计标准》（GB51247-2018）；（4）《溢洪道设计规范》（SL253-2018）； （5）《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007） ；（6）《水工建筑物荷载设计规范（SL744-2016）；（7）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）；（8）《中山市长江水库达标加固施工图》（2006年）；（9）《广东省中山市长江水库大坝安全鉴定项目工程地质勘察报告》（2020年）。

溢洪道为主要建筑物，建筑物级别为 3 级，根据《溢洪道设计规范（SL253-2018）》和《水工挡土墙设计规范（SL379-2007）》，确定稳定安全系数如表3所示。

表3 挡土墙安全系数

查《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），该工程地区地震动峰值 加速度为 0.10g，相应地震烈度为 7 度，根据《水工建筑物抗震设计标准》（GB51247-2018）规定。

溢洪道边墙结构的稳定性是保证溢洪道进口段能够正常工作的基础，稳定的边墙结构可以保证溢洪道在雨季持续作业时其泄洪能力不受影响。按照对泄洪产生的作用，主要有如下几种典型断面：（1）溢洪道入口处圆弧的最高侧墙；（2）溢洪道陡坡段最高侧墙；（3）陡坡段中间侧墙；（4）消力池挡土墙。本次研究主要对上述4种典型断面进行结构与稳定性校验。

经现场复核，溢洪道处的进口段净宽为10m，堰顶的高度为25.98m，陡坡处的坡度为1/4，堰后所紧密连接的陡坡处使用等宽的矩形样断面进行截取，总共长度为76.34m，净宽为9.6m。陡坡末端处的消力池底板总高度为6.62m，总长度为23m，深度为2.82m，消力池出口处的池底高度为9.44m，挡墙为浆砌石挡土墙，顶宽 0.7m，埋深 0.5m。各洪水频率下的水位（水深）资料，按《长江水库工程防洪标准复核专题报告》成果及泄槽水面线计算成果。其中，各工况下的挡土墙水位如表4所示。

表4 各工况下挡土墙水位表

结果显示，断面1-4不同洪水工况时的墙后水位与墙后水深均符合国家标准要求，由此得出，该溢洪道的挡土墙水位情况校核结果符合标准。

3 中山市长江水库溢洪道结构安全评价结果

经复核，长江水库溢洪道底部石板无隆起现象，其侧墙无显著位移且无沉降现象。根据安全核算结果，溢洪道的周围边墙高度满足对泄洪安全标准的要求，并且最低边墙高度要高出标准高度13cm，能够保证边墙在较长时间内不会因为地面沉降作用而导致其边墙高度不符合标准要求。消能池的消能工尺寸与相应的规范相符合，可以有效使水流流态发生变化并使其能量耗散，促使水流之间产生强烈的紊动作用，使部分动能转化为热能，达到消减动能的目的，保障水库大坝的安全运行。边墙的稳定性符合相关要求，不同洪水工况时的墙后水位与墙后水深均符合国家标准要求，该溢洪道的挡土墙水位情况校核结果符合标准。消力池深度、长度及边墙高度满足设计要求，溢洪道控制段顶部高程满足规范要求，各工况下边墙稳定性满足要求，溢洪道边墙结构与稳定性良好。依据《水库大坝安全评价导则》（SL258-2017），溢洪道结构安全评价性评价的最终结果为 B 级。

4 结语

本次研究主要对中山市长江水库溢洪道的安全结构进行了评价。首先对该建筑的整体建设情况与存在问题进行分析，其次，分别从溢洪道进口段边墙高度复核、溢洪道控制段顶部高程复核、溢洪道泄槽段边墙高度复核、溢洪道消能防冲计算、溢洪道边墙结构与稳定复核5个方面对溢洪道的安全结构进行评价。经核算，各部分评价结果均符合相关标准与要求，其最终评价结果为B级。本次研究对溢洪道安全结构的评价方法与流程对全国范围内水库溢洪道安全结构的评价具有借鉴意义。