乐昌市恒源水利设计有限公司 广东乐昌 512200
摘要：水库是我国重要的基础设施，是水利工程中的重要组成部分，其除险加固施工具有十分重要的意义。本文结合某水库除险加固工程，对水库工程中存在的问题进行了分析，并对水库进行了除险加固优化设计，详细介绍了加固设计的方案，旨在为类似工程设计提供参考。
关键词：水库；除险加固；优化设计
随着我国社会主义经济的快速发展，水库作为水利工程中的重要组成部分，对促进社会经济的发展，保障人民群众的生命财产安全具有十分重要的作用，越来越受人们的重视。但是当前许多水库工程存在着不同程度的病险情况，严重影响到了水库工程的安全运行及工程效益的发挥，对人们的生命财产安全构成了威胁。对这些工程进行除险加固优化设计具有十分重要的现实意义。对此，笔者进行了相关介绍。
1 工程概况
某水库工程水库以上控制面积2.28km2，河道长度3.3km，河道平均比降124‰。拦河坝坝型力粘土心墙砂壳坝，坝顶高程24.72m，坝顶宽4.1m，大坝上游坝坡：高程在20.38m以上，坝坡为1：2.5，高程在20.38以下坝坡为1：3.0，下游坝坡为1：2.4，大坝全长124.51m；溢洪道位于右岸，为开敞式溢洪道，由进口侧堰、陡坡段、消能工等组成，全长87.29m，堰顶高程22.7m，侧堰长16.28m，采用挑流式消能形式；输水洞设在大坝右端，进水口采用分级卧管方式，输水洞采用浆砌石渠槽钢筋混凝土拱涵结构。
2 工程主要问题
2.1 大坝坝体
（1）坝坡局部破坏变形。上游坝坡变形，存在局部破坏及沉陷现象。通过现场检查发现，大坝上游坝坡局部塌陷，迎水坡底部（水面以下）下沉比较明显，下游坝坡坡面参差不齐。
（2）护坡。上游护坡干砌石严重破坏。下游无护坡、排水设施，坝体产生破坏。
（3）坝顶防浪墙。防浪墙有十多处开裂，并向库区倾斜。
（4）坝顶路面无防护措施，对大坝防汛、交通不利。
2.2 大坝坝基
坝基渗漏，坝下形成沼泽，集水井附近有涌水现象，个别时段涌黄浊水。
2.3 溢洪道
（1）溢洪道右侧山体岩石风化严重易塌落。
（2）溢洪道左右岸边墙的混凝土护面部分出现裂缝现象。
（3）溢洪道控制段、陡槽段岩石裸露，风化严重。
3 水库加固措施优化设计
3.1 调洪演算
该水库为开敞式溢洪道，起调水位按溢洪道堰顶高程22.7m开始起调，输水洞不参与调洪。因所求设计洪水过程线形状系数rp＜0.05，则采用以设计洪峰流量QP为最大流量，按式W调P=0.67W24P+0.12Qp*τ计算出的为洪水总量，洪水历时为r=5.56W调p/Qp的简化三角形过程线（过程线不必画），计算出不同频率参与调洪的洪量W调P，代人简化公式：qp=Qp（1-错误！未找到引用源。）进行调洪计算。各频率调洪计算成果见表1、表2。
表1 p=5%调洪计算成果表Qp=45.18m3/s W调p=27.24万m3
经过水库调洪计算后得：
设计标准P=5%时，设计洪水位为23.91m，相应下泄流量36.10m3/s。
校核标准P=0.5%时，校核洪水位为24.37m，相应下泄流量58.38m3/s。
3.2 坝顶高程复核
3.2.1 计算风速的确定
多年平均年最大风速为16.0m/s，风向南风。各种特征水位在经过大坝洪水标准复核之后，按照相关规定，再对坝顶的高程进行复核。
3.2.2 计算坝顶超高
根据《碾压式土石坝设计规范》的规定，对于坝顶超高，分别进行两种情况的计算，并取其最大值：
第一种，坝顶超高的计算是在设计洪水水位加正常运用的情况下；第二种，坝顶超高的计算是在校核洪水水位加非常运用的情况下。其具体公式如下：
y=R+e+A（1）
上式中，y代表坝顶超高，m；R代表坝坡上最大波浪的爬高，m；e代表最大风壅水面高度，m；A是安全加高，m。
（1）波浪爬高的计算
采用莆田试验站的公式来分析和计算本次坝顶超高复核风浪要素。
①平均波长$的计算：
错误！未找到引用源。（2）
其中，T代表平均4.438h0.5来进行计算，而H 则代表水域平均深度。
②平均波高h的计算：
错误！未找到引用源。（3）
其中g代表重力加速度，g=9.81m/s2；H代表水域平均深度；D是吹程（对岸到计算点逆风向量的距离），m；W则代表最大风速，即设计洪水位为1.5倍的多年平均最大风速，校核洪水位取多年平均最大风速。
③波浪爬高RP的计算：
采用莆田试验站的计算公式，来计算错误！未找到引用源。，即平均爬高：
=错误！未找到引用源。（4）
其中，错误！未找到引用源。代表护面类型为砌石护坡的斜坡糙率系数，错误！未找到引用源。=0.8； 代表经验系数； 则为平均波高（坡前波浪），m；m代表土坝斜坡的坡率、其值为2.5；错误！未找到引用源。为波长（坝前波浪），m。
按照爬高分布，设计波浪爬高RP，并进行换算，则可以确定该工程属于5级建筑物，且是一个P=5%，即波高累计频率为5%的建筑物。
（2）风壅水面高度e的计算
错误！未找到引用源。（5）
其中K=3.6×10-6，代表综合摩阻系数；W代表风速（距离水面10m处风速），m/s；D为吹程，是对岸交点到计算点与坝轴中线的平行线的距离，m；错误！未找到引用源。=8°，代表水域中线与风向的夹角；H为平均水深，m；g代表重力加速度。
（3）安全加高A的计算：
根据《碾压式土石坝设计规范》规定，当校核水位时，安全加高为0.3m；当设计水位时，安全加高为0.5m。
因此，坝顶超高计算可根据上述所列计算参数、公式计算，其结果如表4：
表4 坝顶超高计算成果表
由表5看出，复核后坝顶高程取设计水位的坝顶高程25.28m为水库的坝顶高程。目前水库实际坝顶高程为24.56m，浆砌石防浪墙高0.96m，防浪墙顶高程25.52m，因水库校核洪水位24.37m低于现状坝顶高程24.56m，即现状坝顶高程满足现行规范的要求。
4 加固方案设计
4.1 防浪墙
根据坝顶高程计算结果，现状坝顶高程24.56m，设计水位的坝顶高程25.28m，浆砌石防浪墙高0.96m，防浪墙顶高程25.52m，因水库的防浪墙为浆砌块石，比较坚固与坝体防渗体结合较好，且水库校核洪水位24.37m低于现状坝顶高程24.56m，所以防浪墙顶高程25.52m代替坝顶高程是可行的。
4.2 护坡及坝坡整理
4.2.1 上游坝坡
大坝上游坝坡，高程在20.38以上，坝坡为1：2.5，高程在20.38以下坝坡为1：3.0，从死水位13.1m以上设置干砌石护坡，死水位以下为抛石体护坡。其加固处理内容为：
（1）从13.1m高程起始向上，原干砌石护坡因损坏严重和坝坡整理需清挖并重新砌筑，具体护坡形式由上往下为300mm厚的干砌块石护坡、200mm碎石垫层、100mm粗砂垫层。
（2）从13.1m高程起始向下，利用原干砌石护坡及碎石垫层（总厚50cm）进行抛石护坡。
4.2.2 下游坝坡
大坝下游面边坡为1：2.4，选用的加固处理方案为：
（1）对现状边坡进行坝坡整理。
（2）坝顶至13.79m高程设置草皮护坡；水库在正常高水位时下游逸出点高程为12.64m，故在13.79m高程至坝脚地面加设干砌块石贴坡排水。排水体自下而上的砂砾料粒径与厚度分别为（G=1～5mm）厚150mm、（d=5～20mm）厚250mm和（d=300mm）厚300mm。
4.3 坝基防渗处理
坝后出现沼泽化，并有3处涌水现象，主要集中在输水洞附近。采取帷幕灌浆进行坝基防渗处理。帷幕灌浆共62个孔，平均深19m，由下至上：基岩灌浆6m，其余为心墙钻孔回填混凝土。
4.4 溢洪道工程设计
加固工程在溢洪道原位进行，其主要结构形式特性：为开敞式溢洪道，由进口溢流堰、陡坡段、消能工等组成，全长87.29m，堰顶高程22.7m，侧堰长16.28m，陡坡段长度79.75m，下接挑流鼻坎消能。主要加固内容：
（1）溢洪道右侧山体风化严重、一旦在泄洪时坍塌，容易堵塞溢洪道，影响溢洪道泄洪，对右侧山体进行挂网衬砌，右侧山体衬砌高度与左侧边墙等高，衬砌高度以上为喷锚，衬砌厚度为200mm，喷锚厚度为100mm。
（2）溢洪道左右岸边墙为混凝土护面结构，现场检查部分出现裂缝现象，拆除原混凝土护面，对边墙进行挂网衬砌，衬砌厚度为200mm。
（3）控制段、陡槽段底板衬砌300mm钢筋混凝土。
4.5 输水洞优化设计
4.5.1 进水口
新建工作桥及启闭平台，工作桥的结构形式为1.5m宽钢混结构人行桥，启闭平台尺寸为2.5m*2.5m，上设启闭机室一座。进水口设一扇SFZ800方闸门，配备一台QDA-60式启闭机。
4.5.2 输水洞
试算输水洞过流量：
错误！未找到引用源。（6）
错误！未找到引用源。（7）
式中：Q—通过管道的流量，m3/s；
错误！未找到引用源。-管道系统的流量系数；
错误！未找到引用源。—局部水头损失系数和，取1.5；
错误！未找到引用源。-沿程主力系数，取0.018；
d-管径，m；
A-过水断面面积，m2；
H-管道出口断面中心与上游水位的高差，m。
经试算，当管径D=0.6m时，错误！未找到引用源。=0.44，Q=0.56m3/s，原输水洞过流量为0.5m3/s，新建φ630PE管输水，满足流量要求。
4.5.3 回填混凝土
输水洞存在严重渗漏，影响输水洞安全运行。原输水洞为矩形洞，净宽0.8m，高0.8m，现新建φ630PE管，对PE管周边进行混凝土填充。
4.6 渗透稳定复核计算
利用大坝最高断面，采用有限元法，作为典型断面分析计算大坝的渗流问题。渗透稳定复核计算假设下游的水位刚好淹没地面一点，而上游为正常蓄水位。这样采用水泥帷幕灌浆的坝基、粘土充填式灌浆的坝体以及加固下游边坡之后，就会满足大坝对于渗流稳定的要求。
稳定计算方法根据规范（SL274-2001）规定，采用计及条块间作用力的简化毕肖普法计算坝坡抗滑稳定安全系数。稳定计算成果见表6。
表6 土坝稳定计算成果表
5 结语
综上所述，水库的除险加固优化设计关系到水库工程的安全运行及工程效益的发挥，并与人们的生命财产安全息息相关。因此，要根据病险水库的实际情况，认真计算相关数据，并应用先进的除险加固施工技术进行水库除险加固优化设计，采用合理的施工设计方案进行施工，从而保证除险加固工程的施工质量，保障水库工程经济效益及社会效益的发挥。
参考文献：
[1]严有风.水库除险加固工程施工设计探析[J].中国水运（下半月）.2014（11）
[2]李正琼，朱文兰，童远华.白鹤水库除险加固工程优化设计[J].水利规划与设计.2014（06）
论文作者:尹慧平
论文发表刊物:《基层建设》2016年8期
论文发表时间:2016/7/15
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