新地水库除险加固工程设计分析

易会明

（汕尾市水利水电建筑工程勘测设计室，广东 汕尾 516600）

新地水库地处广东省汕尾市城区东涌镇，距离汕尾市区中心约5 km[1]。水库始建于1989年2月，1989年8月竣工并蓄水投入运行，主要用于灌溉农作物，还有防治洪水的作用，同时通过水库调节降低汛期洪水泄量。自从修建运营以来，水库在东涌镇的农业生产活动及人民日常生活中均起着举足轻重作用，促进了经济的较快速增长，满足了1 500名人民的生产生活用水需要。水库加固后保护了约46.69 hm2的耕地，同时保障16.675 hm2的有效灌溉面积。

但是，由于受到修建时期经济条件与技术水平的限制，工人施工质量意识不严谨，同时不具备专业的质量检测和质量控制技术，工程质量较差，且施工过程中盲目追求速度而忽视了相关记录，导致没有留下任何现场施工记录。水库一旦出现失事，不仅会淹没和损害下游耕地，导致减产甚至无产；同时，也会对下游人民的财产安全造成极大危害，甚至威胁百姓生命安全。因此，实施新地水库除险加固工程很有必要。

本次除险加固工程主要涉及大坝、溢洪道和输水涵管三部分的设计研究。

1 大坝除险加固

1.1 大坝现状

（1）坝顶。通过实地踏勘，获悉大坝为均质土坝，全长92 m，坝高9.50 m，混凝土防浪墙高度0.5 m，坝顶分布着崎岖不平的泥结石路面，其宽度约为4.32 m。

（2）上游坝坡。大坝上游坝坡坡比约为1∶2.4，坝面防护措施不够完善，只有部分坡面上设置了混凝土护坡，其余均没有采取任何防护措施。

（3）下游坝坡。大坝下游的坝坡坡比约为1∶2.1，坡面现状没有采取任何防护措施，凹凸不平且长有杂草及灌木；虽然排水棱体设置在下游坝脚的位置，但是体积较小且缝隙内长有杂草致使棱体排水不畅。

（4）输水涵管。输水涵管已出现堵塞导致过流能力减弱，且闸门启闭拉杆已出现老化问题，正常启闭工作受到一定影响；引水涵管出口连接灌溉土渠，土渠与坝脚未采取有效的分隔措施，土渠出口水流易出现淘刷坝脚情况。

（5）水情监测设置。大坝目前没有设置可以实时监测水情的系统，大坝的日常运行情况无法及时报送给主管部门。

1.2 除险加固设计方案

为了解决上述问题，拟定以下设计方案。

（1）坝顶铺设C25的混凝土路面，路面厚度200 mm，坝顶高程统一设置为24.80 m。

（2）拆除上游的混凝土护坡，护坡的衬砌材料为C20混凝土，厚度为150 mm；拆除下游坡面排水棱体，修建坡面贴坡排水以及坡面铺设草皮，下游坝脚修建排水渠道全长为36 m，宽度为1 m，侧墙高度为1.0 m，采用C30钢筋混凝土。

（3）大坝坝体新建防渗心墙，心墙材料为塑性混凝土，深入含强风化板岩层1.0 m，厚度为0.35 m。

1.3 设计计算

1.3.1 坝顶高程计算

本次选取最大坝高处的断面作为计算断面，设置了3种不同工况下的坝顶超高。

（1）在设计洪水位下能够保持正常运行状态的坝顶超高（工况1）。

（2）在正常蓄水位下能够保持正常运行状态的坝顶超高（工况2）。

（3）在校核洪水位下处于非常规运行状态下的坝顶超高（工况3）。

通过下列公式来计算坝顶超高：

式中：y为坝顶超高（m）；R为最大波浪爬高（m）；e为最大壅水高程（m）；A为安全加高（m）。

利用上式计算得到的不同工况下坝顶高程结果，详见表1。

表1 新地水库大坝坝顶高程在不同工况下的计算结果 m

根据表1可知，本次除险加固工程选用的坝顶高程为24.80 m，大于不同工况下所需要的最大坝顶高程24.48 m，因此能够满足要求[2]。

1.3.2 渗流计算

对于土坝渗流的计算，设置5种不同工况。

（1）水库上游处于22.47 m的正常蓄水位，下游处于对应的水位（工况1）。

（2）水库上游处于23.60 m的设计洪水位，下游处于对应的水位（工况2）。

（3）水库上游处于24.08 m的校核洪水位，下游处于相应的水位（工况3）。

（4）水库水位从24.08 m的校核洪水位下降到22.47 m的正常蓄水位（工况4）。

（5）水库水位从22.47 m的正常蓄水位下降到17.47 m的死水位（工况5）。

根据大坝地质勘探情况，本次设计计算选取最大坝高处（桩号0+050）为基本断面进行渗流分析计算，结果详见表2。

表2 新地水库大坝渗流在不同工况下的计算结果

根据上述计算结果可知，大坝设置塑性混凝土心墙且下游坝坡设置贴坡反滤后，浸润线明显降低，上游渗水全部由贴坡反滤体排出，大坝没有出现渗透破坏风险，该方案是合理的。

1.3.3 坝坡稳定计算

新地水库加固后其设计正常蓄水位为22.47 m，设计洪水位为23.60 m，校核洪水位为24.08 m，死水位为17.47 m。

根据相关规范及工程经验[3-7]，在进行土坝坝坡稳定性计算时，需要将各种不同的运行工况均考虑在内。本节结合新地水库的具体情况，设置了5种工况，与进行渗流计算时设置的工况相同。

根据大坝地质勘探情况，本次设计计算选取最大坝高处（桩号0+050）为基本断面进行加固前后的边坡稳定分析计算，结果详见表3。

表3 不同工况下新地水库大坝坝坡加固后稳定计算结果

由表3可知，大坝加固后各种工况下上游与下游的坝坡稳定性都能够满足相关规范的要求，故本次设计合理。

2 溢洪道除险加固

2.1 溢洪道现状

溢洪道设在右岸山坡上，为原始开挖土渠，两侧没有设置挡土墙，泄洪时会对坝体产生一定冲击；末端无消能设施，对底部的冲刷淘空严重。

2.2 除险加固设计方案

为了解决上述问题，拟定以下设计方案。

将溢洪道的形式设置为宽顶堰，全长约94.28 m，顶部高程设为22.47 m，堰宽4 m。

（1）进口段采用C20混凝土挡墙，厚度为300 mm的C25钢筋混凝土护底，进口段总长为15.10 m。

（2）控制段采用C20混凝土挡墙，厚度为600 mm的C25钢筋混凝土护底，控制段总长为8.0 m。

（3）泄槽段采用C20混凝土挡墙，厚度为500 mm的C25钢筋混凝土护底，每隔10 m设置1个分缝，以三油二毡填缝，设置纵横向碎石排水暗沟，泄槽段总长为60.0 m。

（4）设置长与深分别为5.0 m和0.50 m、形式为底流消力池的消能工，在后面接海漫长6.18 m。

2.3 设计计算

2.3.1 溢洪道泄流能力计算

根据此次测量及安全技术认定资料，溢洪道设置于副坝右坝肩，属于岸边开敞式，为宽顶堰，其中进口段长15.10 m、控制段长8.00 m、泄槽段长60.0 m、消能段长5.00 m。泄槽分6段，坡比为1∶55（6段各长10 m）。消能段采用底流消力池消能，高程21.37 m，池长5.00 m，池深0.50 m，后接海漫。

过流流量利用下式进行计算：

式中：Q为流量（m3/s）；m为流量系数；ε为淹没系数；B为进口段宽度（m）；g为重力加速度（m/s2）；H0为进口断面上游总水头（m）。

2.3.2 进水渠导墙及控制段边墙高程确定

对于边墙高程的计算，设置了3种不同的工况。

（1）校核洪水位（0.5%）24.08 m+安全超高0.4 m（工况1）。

（2）设计洪水位（5%）23.60 m+波浪爬高0.165 m+安全超高0.3 m（工况2）。

（3）正常蓄水位22.47 m+波浪爬高0.165 m+安全超高0.3 m（工况3）。

由于溢洪道距离主坝非常近，直接采用大坝的波浪爬高来计算溢洪道的波浪爬高，结果详见表4。

表4 溢洪道上游进水口边墙高程计算结果 m

由表4可知，进水渠导墙边墙计算高程为24.48 m，设计取24.48 m。

2.3.3 消能防冲计算

溢洪道现状由土渠构成，而且在其下游部分没有对水体进行任何消能，本次新建底流防冲刷形式的消能工，并进行各种消能防冲计算，确定其深度与长度符合规范要求。

（1）下游水深计算。下游水深按明槽均匀流公式计算：

式中：A为水流通过的截面积（m2）；C为谢才系数（m0.5/s）；R为水力半径（m）；i为底坡；其余变量含义同上。

（2）判断是否需要建消能工。流速水头计算公式为：

式中：Ek为流速水头（m）；α为水流动能校正系数；v为流速（m/s）；其余变量含义同上。

收缩断面水深计算公式为：

式中：hc为缩窄断面的水深（m）；T0为消力池底部以上的总水头（m）；q为单宽流量（m2/s）；φ为速度系数；其余变量含义同上。

跃后水深计算公式为：

式中：hc′为水跃发生后的水深（m）；b1和b2分别为消力池首端和末端的宽度（m）；其余变量含义同上。

如果水体发生了远离式水跃，就要在溢洪道中修建消能工；如果没有发生，那么在溢洪道中就不用修建消能工。

根据相关规范，设计流量定义为发生水跃以后的水深与下游水深相减最大值相对应的流量。因此，本文最终确定的设计流量为0.755 m3/s。

（3）消力池池深计算。其计算公式为：

式中：S为水深（m）；σ为水跃淹没度；h2为临界水跃时的跃后水深（m）；ht为下游水深（m）；Δz为出口处的水面落差（m）；ϕ为出流流速系数；b为消力池宽度（m）；其余变量含义同上。

消力池池深计算结果，详见表5。

表5 消力池池深计算结果

由表5可知，设计流量所对应的消力池深度为0.362 m，因此设计深度取为0.5 m。

（4）消力池长度计算。其计算公式为：

式中：Lj为跌水长度（m）；L为最终得到的消力池长度（m）；β为水跃长度校正系数；Ls为消力池长（m）；其余变量含义同上。

消力池池长计算结果，详见表6。

表6 消力池池长计算结果 m

设计流量所对应的消力池长度为4.255 m，设计长度取为5.0 m。

本次加固后消力池的池深和长度分别取为0.5 m和5.0 m，满足设计要求。

3 输水涵管除险加固

3.1 输水涵管现状

输水涵管现状为黏土瓦管，管径0.5 m，进口设铸铁闸门，启闭方式为斜拉杆手动启闭，铸铁闸门现状存在锈蚀，漏水现象严重，其他金属启闭设备锈蚀不堪，出口无消能设施。根据水库管理人员反映，涵管于1989年与大坝同期建成，运行年限较长，涵管启闭室顶板及墙壁均有漏水现象，输水涵管闸门手动启闭困难，存在卡死现象，不能及时启闭，严重影响供水。

3.2 除险加固设计方案

为了解决输水涵管的上述问题，拟定以下设计方案。

（1）对涵头进行重建，并更换涵管铸铁闸门。

（2）拆除重建引水涵管，涵管选用型号为DN600的预制混凝土管，管身下设置型号为C25的混凝土管座，钢筋混凝土截水环设置在管身全段，每个截水环之间的距离设置为5 m。

（3）在涵管的出口处新建消力池，深0.30 m，长2.60 m，后接灌溉渠道。

（4）拆除重建涵管启闭室，并更换斜拉杆等启闭设备。

3.3 设计计算

3.3.1 输水涵管过流能力计算

输水涵管进口底高程16.70 m，出口底高程15.00 m，总长55.58 m，采用直径0.60 m的C25预应力钢筋混凝土管。水库正常蓄水位22.47 m，设计水位23.60 m，校核水位24.08 m。

利用下式分别计算不同情况下输水建筑物的过流能力。

有压流计算公式为：

无压流计算公式为：

式中：μ为流量系数；ω为涵管出口处截面的面积（m2）；Z为上游和下游的水头差（m）；H为上游总水头（m）；k2m为系数；B为涵管过水截面宽度（m）；σ为淹没系数；其余变量含义同上。

3.3.2 输水涵管出口消力池计算

因涵管的出口流量较小，本次设计按照构造要求将消力池设置在涵管下游出口处，消力池的深度和长度分别为0.3 m和4.39 m，消力池底板材料为C30钢筋混凝土。

4 结语

为了切实解决新地水库目前存在的一系列较为严重问题，从大坝、溢洪道和输水涵管3个主要方面进行了除险加固工程设计，可为类似大坝除险加固工程设计提供一定的经验与参考。