密云水库溢洪道除险加固技术方案优选研究

李婵娟

(北京市密云水库管理处，北京 101500)

密云水库溢洪道位于大坝右岸，全段已衬砌加固。八字形进口引水段长14.2 m。控制段堰型为开敞式宽顶堰，宽度为10.0 m，长度为7.0 m，堰顶高程229.0 m。堰后接10.0 m等宽泄槽，坡比为1∶5，斜长58.5 m。泄槽末端设鼻坎挑流消能，反弧段长5.0 m。溢洪道全长84.7 m,进口段局部无挡墙衬砌，挑流鼻坎下游被占用为菜地和人行交通路面，路面和菜地高程与鼻坎基本持平，洪水不能安全下泄，溢洪道下游河道杂树丛生，影响洪水归槽，控制段人行桥栏杆锈蚀严重等问题，为此亟须对密云水库溢洪道进行除险加固。溢洪道是水库工程重要的组成部分，在水库除险加固工程中，溢洪道的加固质量直接影响水库工程总体的加固效果[1-5]。

因此，本文以密云水库溢洪道除险加固工程为例，通过对溢洪道存在问题的分析，提出了加固技术方案，并对溢洪道设计方案进行了计算，保障了结构稳定性，确保了整体水库工程的设计工作[6-8]。为确保水库的安全运行，充分发挥水库的灌溉、防洪、发电等综合效益，对水库进行应急除险加固[9-10]。

1 工程概况

密云水库位于北京市密云区城北13 km处，位于燕山群山丘陵之中，面积180 km2，环密云水库有200 km。密云水库库容40亿m3，平均水深30 m。密云水库有两大入库河流，分别是白河和潮河。坝址以上集雨面积15 505 km2，主河道长5.5 km，河道平均坡降23.6‰。库区雨量充沛，流域两岸一带，山高岭峻，草深林茂，土壤植被良好，水土保持完善。

水库自建成以来，为灌区内农田的灌溉和灌渠沿岸的经济作物灌溉提供了可靠的水源保证，直接捍卫了下游2800多人口以及1500多间房屋、200多公顷耕地、村镇路道和大批供电、通信等重要设施的安全。水库一旦出险，将直接威胁沿岸各镇的安全。由于水库存在着安全隐患，天然来水不能得到很好的利用，使水库无法充分发挥其灌溉效益。因此，为了充分发挥水库的综合效益，特别是避免水库可能的出事风险，本水库除险加固刻不容缓。经现场踏勘，溢洪道右侧岩土层为山体，左侧为坝体填土，两侧均已修建挡墙，稳定性较好。消能方式为挑流消能。溢洪道全段已衬砌，结构完好。溢洪道现有侧墙批荡脱落严重，浆砌石水泥砂浆标号较低，强度不够，墙体部分除险裂隙。溢洪道进口段首端未完善，没有侧墙。现有溢洪道底板为浆砌石护面底板，已出现裂缝、松动。原人行道从溢洪道进口底经过到坝顶。

2 溢洪道加固技术方案分析

2.1 消能防冲方案比选

如图1所示，密云水库溢洪道原设计采用挑流消能方式，现状挑流鼻坎结构完好。鼻坎下游侧河道已被填至坎顶高程，现状为菜地和化粪池，村民在菜地旁修建1条3.5 m宽混凝土道路连接两岸。溢洪道已无法正常挑泄，洪水无法归槽。

图1 溢洪道挑流鼻坎现状

为保证洪水安全下泄，保证水库运行安全，须对溢洪道现状消能防冲段进行除险加固。根据工程现状，本次溢洪道除险加固拟对挑流消能和底流消能方案进行比选。

方案一：挑流消能方案(比选方案)本方案保留原设计挑流消能，挖除下游侵占泄洪断面内的道路、菜地等构筑物，恢复鼻坎挑流下泄功能，两岸新建挡墙闭合。在下游27 m河道处新建跨河桥梁，供居民出行。本方案消能防冲布置按现状，只对影响泄洪构筑物进行清理、拆除，施工难度低，造价低。但下游新建跨河桥梁布置困难，两岸为农田，需进行征地，实施困难。且下游河道多为砂卵石层，采用鼻坎挑流下泄洪水，将对河床产生较大冲刷，危及河道边坡及农田。

方案二：底流二级消能方案(推荐方案)本方案将原设计挑流鼻坎拆除，重建底流消能方式。为二级消能，矩形等宽断面，宽度为10 m。第一级消力池长16.93 m(含斜坡段长度)，底高程为215.29 m。在第一级池内布设两排消力墩，梅花形布置。第二级消力池长25.18 m(含斜坡段长度)，底高程为211.50 m，为突槛式消力池，池深1.6 m。后接浆砌石海漫，长10 m。人行桥布设在第一级消力池，为2孔钢筋混凝土桥涵结构。

方案三：底流消能方案(比选方案)本方案将原设计挑流鼻坎拆除，重建底流消能方式。矩形等宽断面，宽度为10 m。斜坡段长19.84 m，坡比1∶3.3。消力池采用突槛式，长20 m，槛高1.6 m，底高程为211.50 m。后接浆砌石海漫，长10 m。人行桥布设在消力池内，为1跨×10 m钢筋混凝土桥梁结构。

2.2 方案比选分析

方案一为挑流消能，按原溢洪道布置，但人行桥布置需占用农田。

方案二为底流二级消能型式，基本按现状进行布置，底板高程适中，开挖深度不大，不会产生深基坑，无占地。

方案三为底流消能，斜坡段出现2.87～6.53 m临空面，开挖深度大，出现深基坑，危及两岸边坡和房屋，且人行桥布置需占用农田。故方案二较优。

工程施工的比较：方案一原址布置，仅需挖除侵占构筑物，容易实施。方案二、三消能防冲在原址拆除重建。现状两侧为房屋，其中左侧房屋边线距离侧墙边线1.8～4.7 m(水流方向)。方案二为二级消能布设，第一级池底离岸顶高约2.84～3.51 m，最大开挖深度3.0 m，施工时用钢板桩支护，容易实施。方案三斜坡段按坡比1∶3.3 布置，后接消力池底部。斜坡段底高程离岸顶高约2.87～6.53 m，最大开挖深度达6.0 m，施工时需排桩支护，施工困难，极容易扰动左侧房屋基础。故方案一、方案二较优。

工程占地的比较：方案二消能设施和桥涵在原址布置，无须进行征地拆迁，容易实施。方案一和方案三人行桥布置需占用基本农田，实施困难。故方案二较优。综上所述，考虑溢洪道左侧房屋边线离侧墙近，为确保不扰动现状房屋安全，选择开挖深度不大，施工容易实施，且不涉及征地补偿的方案是合适的。因此，本次溢洪道除险加固消能防冲选取方案二消能方式。

2.3 溢洪道布置

本溢洪道为2级建筑物，开敞式宽顶堰型式，断面为矩形，堰顶净宽10 m。溢洪道全段已衬砌加固，结构完好，本次仅对消能防冲段进行加固。通过上述加固方案加固后，溢洪道达到如下标准：

(1)进口段。进口段断面为喇叭口状，底板高程为229.0 m。两侧挡墙和底板维持现状，清除进口段行洪断面内的障碍物。

(2)控制段。控制段堰顶高程为229.0 m，堰顶净宽10.0 m，两侧挡墙和底板维持现状。

(3)泄槽段。原设计泄槽段断面采用矩形断面，宽度为10.0 m，长58.50 m。泄槽段坡比为 1∶5。本次加固泄槽段侧墙和底板均维持现状。

(4)消防防冲段。消能防冲段采用矩形断面，宽度为10.0 m。原挑流消能拆除，重建为底流消能方式，为二级消能型式，第一级长16.93 m，第二级长25.18 m，全长42.11 m，池深1.6 m。

3 溢洪道加固设计计算分析

3.1 进口段和控制段

现状进口段为喇叭口形式，梯形断面，进口渠底宽17～10 m，堰顶高程为229.0 m，墙顶高程232.74 m，墙高3.74 m。在下泄各频率流量时，近似地将进口段水位与水库水位相等。现状墙顶高程满足计算要求的高度值。本次设计不改变水库的运行水位，断面为矩形，加固整平后堰顶高程仍然保持为229.0 m，堰顶宽10.0 m。经调洪演算得：50 a一遇设计洪水位231.15 m，相应下泄流量为52.48 m3/s；500 a一遇校核洪水位231.81 m，相应下泄流量为78.30 m3/s。本次设计溢洪道型式为开敞式宽顶堰，净宽10.0 m，堰顶高程229.0 m，进行过流能力复核。溢洪道泄量计算采用堰流公式(1)：

(1)

式中：Q为流量，m3/s；m为流量系数，取0.385；B为堰净宽，取10.0 m；H0为堰上总水头，m；ε为堰墩侧收缩系数；σs为淹没系数，本工程堰后接泄槽，取1。根据上述公式计算，溢洪道水位泄量成果见表1。

表1 溢洪道水位泄量成果表

根据表1的水位(H)～流量(Q)关系绘制H～Q曲线经调洪演算，计得各频率的水库水位和相应的下泄流量成果列于表2。

表2 各频率水库水位与相应下泄流量

3.2 泄槽段

泄槽水面线计算如式(2)～式(3)，确定临界水深：

(2)

(3)

式中：hk为泄槽的临界水深，m；α为动能修正系数，取1.0；q为泄槽的单宽流量，m3/(s·m)；g为重力加速度，取9.81 m/s2；b为底宽，m。将相关数据代入上式，计算结果如表3所示。

表3 各频率相应的临界水深hk

4 溢洪道结构设计稳定计算

本工程需进行验算的下游河道挡墙。挡墙采用C20混凝土，基础高0.50 m，底宽2.02 m。迎水面垂直，背水面坡度为1∶0.4的斜坡，墙体容重γ=23 kN/m3。计算断面见图2。

图2 挡墙计算简图(单位：cm)

计算参数如下：墙后填土内摩擦角12.0°；墙后填土黏聚力13.2 kPa；墙后填土容重18.00 kN/m3；墙背与墙后填土摩擦角9.0°；地基土容重18.00 kN/m3；地基承载力特征值120.0 kPa；墙底摩擦系数0.38。

挡土墙稳定计算分二种工况：①完建工况；②洪水降落期工况。同时计算挡墙在各种工况下的应力及稳定情况。取1 m单宽长度作单元进行计算。挡土墙后的土压力按朗肯公式计算主动土压力。计算结果如表4所示。

表4 挡墙稳定验算成果

由计算结果可知：挡墙各工况下抗滑稳定及抗倾覆稳定均满足规范要求；挡墙基底最大应力均小于地基容许承载力(120 kPa)。

5 结 论

溢洪道是水库工程重要的组成部分，在水库除险加固工程中，溢洪道的加固质量直接影响水库工程总体的加固效果。以密云水库溢洪道除险加固工程为例，通过对溢洪道存在问题的分析，提出了加固技术方案，并对溢洪道设计方案进行了计算，保障了结构稳定性，确保了整体水库工程的设计工作。为确保水库的安全运行，充分发挥水库的灌溉、防洪、发电等综合效益，对水库进行应急除险加固。密云水库溢洪道除险加固工程实施完成后，可恢复下游水田灌溉133 hm2有余，彻底解决水库存在的病险问题，水库能正常防洪和灌溉，促进水利事业更好的发展，结果可为类似工程提供参考。