石陂水库除险加固工程设计方案分析

刘伟忠

(兴宁市水利水电建设工程公司，广东 梅州 514500)

小型水库作为重要的蓄水工程，在保障国家防洪安全、供水安全、粮食安全、生态安全等方面发挥重大作用。由于长期重使用而轻维护，工程带病运行问题十分突出。近年来，国家高度重视小型水库病险问题，大力推进水库除险加固工作，恢复水库正常防洪功能，完善江河防洪体系[1-2]。本文以石陂水库为例，分析确定其除险加固方案，以期为类似病险水库除险加固设计提供参考。

1 工程概况

石陂水库位于广东省梅州市兴宁市叶塘镇石新村，属宁江水系。水库兴建于1972年，是一座以防洪、灌溉功能为主的小(2)型工程。坝址以上集雨面积0.21km2，河长0.72km，河道比降0.0529，总库容11.87万m3。水库设计灌溉面积840亩，保护下游人口、耕地及交通、通讯、电力等设施安全。水库于2020开展安全鉴定，结论属三类坝，应尽早实施除险加固[3]。

2 工程现状及主要病险问题

2.1 水库大坝

石陂水库大坝为均质土坝，坝顶高程170.27m，坝长50m，坝顶宽4.0m，防浪墙高0.8m。上游坝坡为混凝土护坡，坡比1∶2.0；下游坝坡为草皮护坡，坡比1∶2.04；坝后坡脚设贴坡排水体，坡比1∶2.56，排水体顶高程为161.60m。

大坝主要存在的问题有：渗流逸出点位于坝后坡上，高于贴坡排水体顶高程；坝体填土渗透系数平均值为2.72×10-4cm/s，属中等透水层；坝顶为泥结石路面，且已生长杂草；路沿石完整性差、局部破损严重；防浪墙局部破损且随处可见批荡脱落现象；上游坝坡为混凝土护坡，存在多处裂缝，坡面见少量杂草；下游坝坡杂草丛生，坡面养护较差，有动物巢穴，坡面排水沟严重堵塞；贴坡排水体表面杂草丛生，堵塞明显，块石松散。

2.2 溢洪道

溢洪道位于大坝左坝端，为开敞式宽顶堰型式。堰顶高程168.92m，控制段净宽3.7m，长度10m，侧墙高2.1m；泄槽段宽度3.7～4.6m，侧墙高1.0m，陡坡斜长37.9m，坡比1∶33.5，陡坡末端设挑流鼻坎。溢洪道控制段顶部布置钢筋混凝土交通桥，桥面宽度4.5m，桥板厚度0.2m，跨长5.2m。

溢洪道存在的主要问题有：进口段侧墙局部裂缝，损坏严重；泄槽段侧墙多处破损严重，局部裂缝、墙身有大面积批荡脱落现象；挑流消能设施、下游河道被杂物覆盖、淤积严重，行洪不安全。

2.3 输水涵

输水涵位于大坝右坝端，为坝下钢筋混凝土圆涵埋管，涵管内径为0.50m，涵管总长50m，采用斜拉闸放水。闸门为铸铁闸板，启闭设备为3t手动斜拉式启闭机。

输水涵管存在的主要问题有：出水口边墙损坏严重，渠道内垃圾、杂物散布，影响涵管输水灌溉；起闭金属拉杆锈蚀严重；拉杆墩老化、破损严重；输水涵管关闭后，涵头存在严重漏水现象。

3 特征水位确定

石陂水库原设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200年一遇，符合《防洪标准》及《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定，本次除险加固设计仍遵从原设计洪水标准。因水库的地形、地质条件的兴利需求未发生变化，本次仍然延用原设计死水位161.42m和正常蓄水位168.92m。但是，由于复核后水库集雨面积变化导致设计洪水系列发生了改变，需要进行调洪演算，以重新确定水库设计水位与校核水位。

水库调洪演算通过建立水库的水量平衡和蓄泄关系，采用试算法计算出水库的下泄流量过程。水量平衡是在某一时段内入库水量与出库水量之差等于该时段内水库蓄水量的变化，用公式(1)表示。

(1)

式中，Q1、Q2—Δt时段初、末的入库流量，m3/s；q1、q2—Δt时段初、末的出库流量，m3/s；V1、V2—Δt时段初、末的水库的蓄水量，m3。

石陂水库溢洪道为无坎宽顶堰，根据堰流公式建立水库的蓄泄关系，用公式(2)表示。

(2)

式中，B—堰宽，m；ε—侧收缩系数；H0—堰顶水头，m；m—宽顶堰自由出流系数。

联立水量平衡方程和蓄泄方程，逐时段试算水库的下泄流量过程，由此确定水库设计洪水位169.33m，校核洪水位169.49m。水库调洪演算成果见表1。

表1 石陂水库调洪演算成果表

4 大坝除险加固设计

4.1 大坝加固方案

坝顶路面硬底化建设，采用C30混凝土路面结构，厚度200mm，路面整体向下游侧倾斜、坡度2%，在坝顶路面下游侧设排水沟；坝顶上游侧拆除重建C25钢筋混凝土防浪墙，防浪墙厚300mm、长度68.0m；加固后坝顶宽度为4.3m、坝顶长度57.60m、坝顶高程170.50m。大坝坝体防渗采用充填灌浆处理，灌浆钻孔沿坝顶轴线采用双排梅花型布置，孔距为3.0m，排距为2.0m，材料为黏土浆(掺和15%水泥)，防渗墙渗透系数要求小于1×10-4cm/s。

上游坝坡混凝土护坡及坡脚处齿墙拆除重建。护坡采用C25混凝土结构，厚120mm，下设砂石垫层厚150mm，护坡坡比1∶2.0；坡脚处齿墙采用C25混凝土结构，齿墙顶部高程与死水位齐平；下游坝坡清理修整后进行培厚，并重铺草皮护坡(满铺)，加固培厚后坡比为1∶2.5；重建两侧坝肩排水沟，长度分别为46.0m和47.0m，重建坝后坡步级，长33.0m。

拆除原贴坡排水体，新建堆石排水棱体，高3.9m、长24.0m、外坡比1∶1.5、内坡比1∶1.0；排水棱体顶部采用C20混凝土压顶，厚度120mm，顶部宽度2.0m、高程160.98m；排水棱体外坡脚处设集渗沟，宽度500mm。大坝库区左岸坡新建C25混凝土护坡，厚120mm，护坡底下设砂石垫层厚150mm；护坡坡比1∶2.0，并与大坝前坡协调衔接。

4.2 大坝渗流分析

大坝进行防渗处理后，坝体及坝基渗流主要受防渗体系控制，由于各坝体主要断面结构形式相同，选取坝体最大断面作为典型断面复核坝体的渗流情况[4-5]。大坝渗流分析的主要考虑5种工况：①水库正常蓄水位，下游无水时的稳定渗流。②水库设计洪水位，下游无水时的稳定渗流。③水库校核洪水位，下游无水时的稳定渗流。④库水位由校核洪水位非常泄洪降落至正常蓄水位的非稳定渗流。⑤库水位由正常蓄水位非常泄洪降落至死水位的非稳定渗流[6]。

采用渗流有限元分析计算大坝各种工况下浸润线逸出点坐标及逸出点处渗透比降情况统计见表2。结果表明，除险加固后，各个计算工况下，大坝渗流逸出点的渗透比降均小于允许值，浸润线出逸点均位于坝脚新建排水棱体内，满足规范要求。

表2 坝体各工况浸润线逸出点坐标及渗透比降表

4.3 大坝稳定性分析

稳定性计算断面采用加固后大坝断面，浸润线采用加固后渗流计算结果，计算工况仍然采用前节中的5个工况，按照毕肖普有效应力法计算，成果见表3，得到的抗滑稳定系数均大于允许值，满足规范要求。

表3 大坝抗滑稳定性验算成果表

5 溢洪道除险加固设计

5.1 溢洪道除险加固方案

对溢洪道进行拆除重建，进口段长4.8m，断面为喇叭口状，宽度8.0～4.0m，底板高程为168.32～168.92m；两侧挡墙高0.4～1.8m(底板以上)，底板采用C25钢筋混凝土结构厚300mm，下设C15混凝土垫层厚150mm。控制段长15.6m，采用宽顶堰型式，矩形断面，堰顶高程为168.92m，堰顶净宽4.0m；两侧挡墙高1.8m(底板以上)，底板采用C25钢筋混凝土结构厚300mm、底下铺设C15混凝土垫层厚150mm。泄槽段长36.8m，坡比为1∶15，矩形断面；两侧挡墙高1.2～1.8m(底板以上)，底板采用C25钢筋混凝土结构厚300mm、底下铺设C15混凝土垫层厚150mm，并在垫层底下设置纵横排水暗沟；重建泄槽段末端消能设施，为挑流消能方式，采用C25钢筋混凝土结构，挑坎段反弧半径4.0m，挑坎挑角25°

5.2 溢洪道结构稳定计算

溢洪道结构稳定计算包括进水渠、控制段、泄槽挡墙，取最不利典型断面进行验算，计算工况分4种：①完建工况；②设计洪水位工况；③洪水降落期工况；④正常蓄水位遇地震[7]。根据朗肯土压力理论计算基础底面的法向应力、抗滑稳定和抗倾覆稳定性(公式(3)—(5))。

(3)

(4)

(5)

溢洪道各部位的稳定验算结果见表4。经计算，各工况下抗滑、抗倾覆均满足要求，最大应力小于地基容许承载力。

表4 溢洪道稳定验算成果表

6 输水涵除险加固设计

6.1 输水涵除险加固方案

重建输水涵管涵头，采用C25钢筋混凝土结构，底下设C15混凝土垫层；更换拉杆闸门及起闭设备、重建拉杆支墩、重建拉杆处步级；拉杆采用不锈钢圆钢拉杆，直径8cm，起闭设备采用5t手电两用起闭机；坝后坡培厚后需对现状涵管(φ=500mm)涵尾进行接长，采用DN500钢管、长度12.6m，并且新建涵管出口处消力池及下游出水渠，长度分别为5.0m和13.0m；对现有拉杆房进行维修及装饰。

6.2 输水涵过流能力复核

根据输水管的布置型式，管道管口出流，行近流速很小，过流能力按公式(6)计算[8]。

(6)

式中，μc—管道系统的流量系数，本计算中取0.6；A—管道孔口的断面面积，m3；H—管道的水头(m，不计行近流速)。

现状输水涵管直径为0.50m，涵管过流量由闸门开启决定，经计算复核可知，该输水涵最大输水流量为Q计=1.46m3/s，满足灌溉需水要求。

7 结语

通过对石陂水库病险问题的系统分析，制定的除险加固方案，经分析计算加固效果显著，达到了除险目的，方案满足设计要求。石陂水库除险加固工程是以防洪为主要任务的公益性工程，工程完成后，增强了项目区抵御洪涝灾害的能力，推动区内经济社会的可持续发展。除险加固完成后，应通过进一步加强水库工程设施的安全监测和维修养护等工作，减缓工程功能的衰减速度，保障效益持续发挥。