小型水库除险加固工程主要水工建筑的安全与设计研究.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER90第 40卷第 4期0 引言小型水库在水资源利用中具有良好的经济效益，已经成为涵盖养殖、防洪抗旱、发电灌溉等功能的重要基础设施1。这些水库大多建成于上世纪 50-70 年代，受制于当时的社会和经济，在设计和施工等方面技术水平不高，小型水库存在的问题主要有坝体渗漏、坝基渗漏、溢洪道布置不合理、坝体稳定性差等2，大部分水库面临的问题具有复杂性，是多种问题的综合，开展除险加固工作既要有针对性的方式方法，也要综合施策。开展病险水库除险加固工作，要针对病险水库的特点，采取适宜的设计、施工方案，提高实施效果。朱家胜等3分析了水库大坝防洪、渗流、溢洪道等泄洪建筑物存在的安全问题的表现形式、形成原因，并对水库的主要安全问题及其除险加固的技术措施进行了讨论，对各地水库除险加固工作提供一定的参考依据；邓厚展等4对水库运行中存在的缺陷进行了分析，并提出相应的除险加固措施，解决了水库运行中存在的安全风险；曾小芳等5通过分析不同除险加固方案的风险，得出了最优方案，推出了针对水库除险加固方案的分析、评价以及完善的办法，能够有效在技术方面助力大坝进行除险加固。在前人的研究成果基础上，针对某小型水库存在的典型问题以及除险加固处理措施进行分析，简析某小型水库除险加固的安全复核方法及加固设计要点，对保证水库的安全稳定运行，保障周边人民的生命安全具小型水库除险加固工程主要水工建筑的安全与设计研究赖宇宁（梅州市梅江区水务服务中心，广东 梅州 514000）摘要：某小型水库存在渗流稳定，溢洪道不满足泄洪要求的问题，这些安全隐患严重影响水库的安全稳定运行。以某小型水库为研究对象，在其除险加固工程的过程当中，对大坝坝体和溢洪道进行安全复核和加固设计，通过比对相应的除险加固方案，最终发现采用充填灌浆，重建溢洪道消力池等方案处理小型水库的病险问题具有良好效果。关键词：小型水库；除险加固；安全复核；加固设计中图分类号：TV697.3文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)04-0090-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.04.022Research on Safety and Design of Main Hydraulic Buildings in Small Reservoir Reinforcement EngineeringLAI Yuning(MeizhouMeijiang District Water Service Center,Meizhou 514000,China)Abstract:The seepage of a small reservoir is stable,and the spillway does not meet the discharge requirements.These safety hazards seriously affect the safe and stable operation of the reservoir.Taking a small reservoir as the research object,safety review and reinforcement design were carried out on the dam body and spillway during its hazard removal and reinforcement project.By comparing the corresponding reinforcement plans,it was ultimately found that the use of filling grouting,rebuilding the spillway and stilling pool,and other solutions have good effects in dealing with the dangerous problems of small reservoirs.Keywords:small reservoir;reinforcement;safety check;reinforcement design收稿日期：2023-07-12作者简介：赖宇宁（1991-），男，广东梅州人，工程师，主要从事水利工程质量监督和管理工作。*赖宇宁 小型水库除险加固工程主要水工建筑的安全与设计研究91有重要意义。1 工程概况该水库是一座以防洪、灌溉为主，兼有养殖功能的小（二）型水库。兴建于 1956 年，资料记载总库容 55104m3，正常库容 48104m3，集雨面积1.78km2，所在河流长度4 km，河床坡降0.033。经近期安全鉴定复核情况，该水库主要建筑物情况为（85 高程）：大坝为均质土坝，现状坝顶高程为 105.24 m，最大坝高 15.50 m，坝顶长108 m，宽7.8 m。现状迎水坡坡比12.813.0，混凝土面板护坡；背水坡坡比约为 1 2.7，坡面植草，坡脚设反滤棱体。溢洪道控制堰堰型为宽顶堰，堰顶高程103.30 m，现状溢洪道布置于大坝右岸坝肩，由进水渠段、控制段、泄槽段、消力池段组成。宽顶堰过水净宽 6.5 m，进水渠段长 15 m，控制段长 17.6 m，泄槽段水平长度为 70.3 m 陡槽坡度为1 5.271，消力池段长 7.5 m，深 0.5 m。消能方式为底流消能。2 坝体安全复核及加固设计2.1 坝体安全复核该 工 程 校 核 洪 水 标 准 为 300 年 一 遇（P=0.33%），设计洪水标准为30年一遇（P=3.33%）。土坝工程等别为小（2）型，主要建筑物等级为5级。水库多年最大平均风速为 16 m/s，设计洪水工况下取 1.5 倍的计算风速为 24 m/s，校核工况下取 1 倍的计算风速为 16 m/s。2.1.1 坝顶高程复核根据碾压式土石坝设计规范，坝顶高程由设计洪水位加坝顶超高确定，其中坝顶超高按式（1）确定：Y=R+e+A （1）式中：Y坝顶超高，m；R设计波浪爬高，m（该工程主要建筑物级别为 5 级，设计波浪爬高值应采用累积频率为 5%的爬高值 R5%）；e设计风雍增水高度，m；A安全加高，m（该水库工程级别为 5 级，设计工况下取为 0.5m，校核工况下取为 0.3m）。平均波高计算公式：（2）风壅水面高度：（3）波浪爬高：Rm=KKVR0hm（m 1.25 时）（4）式中：hm平均波高，m；W计算风速，m/s（该设计取 W 20 m/s）；D风区长度，m；Hm水域的平均水深，m；g重力加速度，m/s2；K综合摩阻系数，可取K3.610-6；m边坡系数；风向与垂直于堤轴线的法线的夹角，；K斜坡的糙率及渗透性系数；KV经验系数；R0无风情况下，平均波高为1 m时，光滑不透水护面（K=1）的爬高值。根据式（1）至式（4）计算得到坝顶高程复核成果见表 1，因为坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，那么设计工况下坝顶高程为 Z设计=105.33 m；校核工况下坝顶高程 Z校核=105.28m；此次地震安全加高取 0.5 m，地震工况下坝顶高程Z地震=104.37m。通过对 3 种工况下的坝顶高程结果选取最大值，计算坝顶高程最大值为 105.33 m。表 1 坝顶超高复核成果表m工况风壅水面高 e 波浪爬高 Rp安全超高 A坝顶超高 Y水库静水位地震安全加高坝顶高程设计工况0.002 170.450 360.50.95104.38/105.33校核工况0.000 920.256 250.30.56104.72/105.28正常水位+地震工况0.001 120.267 600.30.57103.300.5104.37根据小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范，当坝顶上游侧设防浪墙时，坝顶超高可改为对防浪墙顶的要求，在正常运行条件下，坝顶应高出静水位 0.5 m，在非正常运行条件下，坝顶应不低于静水位。该工程现状防浪墙高度为0.17 m，现状坝顶防浪墙高程为 105.41 m，大于92云南水力发电2024 年第 4 期105.33 m；坝顶高程为 105.24 m，比设计洪水位104.41 m 多 0.86 m，坝顶超高复核成果见表 1。因此，大坝现有坝顶高程满足抗洪要求。2.1.2 结构安全复核工程稳定计算采用公式法进行计算，计算时选取典型断面计算，利用理正 6.0 软件进行计算。根据 SL 189-2013小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范的有关规定，最小安全系数在正常运用条件下为 1.15，在非常运用条件下为1.05，在非常运用条件下为 1.026。各种工况大坝上、下游坝坡稳定计算成果见表 2。表 2 各运行工况上、下游坝坡稳定计算成果表运行工况水位/m上游坡安全系数下游坡安全系数最小安全系数正常蓄水位103.31.781.2551.15设计洪水位104.38（P=3%）1.7671.264校核洪水位104.7（P=0.33%）1.7671.1751.05水位骤降94.501.1041.129正常蓄水位（地震）103.31.5591.1571.02设计洪水位（地震）104.38（P=3%）1.5391.210对大坝实测断面进行复核稳定分析可知，各运行工况的坝坡抗滑稳定最小安全系数均大于规范要求的允许值，现状坝体是安全的。2.1.3 渗流安全复核根据坝体和坝基的渗透流量，通过式（5）复核水库的渗漏损失。q=（H21 h20）/（2L）（5）式中：q单宽渗流量，m3；H1上游水面至水平轴的水深，m；h0下游逸出点高度，m；L坐标原点至虚拟垂直坡的距离，m。坝体渗流计算结果见表 3。表 3 坝体渗流计算结果计算工况单位宽度渗流量/（m3/（dm）逸出点高度正常水位0.4891.295设计水位0.5931.572校核水位0.6291.668根据表 3 坝体渗流计算结果可以发现，各工况下土坝浸润线逸出点均在堆石棱体范围内，不会引起严重的渗流破坏。但根据现场勘查来看，棱体表面杂草纵生，杂草树根阻碍排水，堵塞严重，故此次加固工程拟采取对大坝进行简单防渗处理。2.2 大坝防渗安全加固2.2.1 方案拟定该水库主要以防洪为主，根据质报告以及安全鉴定结论，此次设计采用2种防渗方案进行比较，大坝防渗方案见表 4。表 4 大坝防渗方案表序号方案名称布置形式孔距/m针对坝体形式投资金额/（104元）方案一充填灌浆单排孔2渗漏现象不严重24.51方案二劈裂灌浆单排孔2渗漏部位多，缝隙孔穴等分布范围广31.522.2.2 方案比选从技术运行角度来看，充填灌浆和劈裂灌浆都是加固坝体，防治渗漏的施工技术措施，但是两者之间也存在一定的区别，主要表现在对施工对象的不同和施工工艺的不同，充填灌浆技术主要用于坝体渗漏现象不严重，且渗漏部位能够得到确定的坝体修复工程中。而劈裂灌浆则是主要应用于坝体整体质量都存在问题，渗漏部位较多，缝隙孔穴等分部范围较广，坝体存在较多隐患的坝体修复工程中。根据安全鉴定书分析工程存在的问题来看，坝体填筑材料密实度较差，但是坝体渗漏现象不严重，为让坝体形成稳定、整体的防渗体系，再结合工程造价的角度，充填灌浆投资约24.51104元，劈裂灌浆投资约31.52104元，劈裂灌浆较充填灌浆投资高约 7104元；因此该工程拟采用充填灌浆，在提高坝体防渗能力的同时，也提高了坝体的稳定性。2.2.3 实施方法顶全坝段进行充填灌浆，在坝轴线偏上游 1m布置一排孔，灌浆由坝顶至坝基面，采用单排孔，孔距2 m。施工中，应坚持采用“少灌多复”的方法。灌浆应分为 2 个次序进行。充填式灌浆自较低的一端向较高的一端推进。低处灌浆时，高处孔可用于排气排水。当高处孔排出浓浆后，可将低处孔堵塞，改从高处孔灌浆，依次类推，直至结束。每孔灌浆次数应通过试验确定，一般为 5 10 次。2 次灌浆间隔时间不应少于 5d。赖宇宁 小型水库除险加固工程主要水工建筑的安全与设计研究93浆液采用水泥黏土浆，黏土占 85%、水泥占15%，其中水泥标号不低于 325 号，密度控制在1.2 g/cm3 1.6 g/cm3之间，按先稀后浓的原则进行施灌，稀浆密度 1.2 g/cm3左右，浓浆密度 1.3 g/cm3 1.6 g/cm3。充填式灌浆采用分段灌注的方法，由下至上，下套管分段灌注，分段长可为 5 10 m。按分序加密的原则进行。充填灌浆采用由下至上垂直控制，单孔偏斜不得大于孔深的 2%，应用干法造孔，不得用清水循环钻进。灌浆的压力拟控制在0.05 MPa 0.2 MPa，不大于 0.2 MPa。灌浆机压力应大于最大设计压力的 1.5 倍，波动压力宜小于20，以保证灌浆工作的顺利进行。3 溢洪道安全复核及加固设计3.1 溢洪道安全复核3.1.1 溢洪道泄流能力复核该水库溢洪道为开敞式宽顶堰形式，堰顶高程 103.30 m，为正常蓄水高程。堰顶泄流能力按式（6）计算。（6）式中：Q流量，m3/s；B每孔净宽，m；m自由溢流的流量系数；n闸孔孔数；H0包括行近流速水头的堰前水头，m；淹没系数，自由出流取 1.0；侧收缩系数。泄流能力曲线如图 1 所示。加固前的校核洪水位（P=0.33%），最大下泄量为 26.4 m3/s。3.1.2 溢洪道边墙高度复核1）水面线计算。泄槽水面线应根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式如式（7）所示。（7）（8）式中：l1-2分段长度，m；h1、h2分段始、末断面水深，m；v1、v2分段始、末断面平均流速，m/s；1、2分段始、末断面平均流速，m/s；泄槽底坡角度；i泄槽底坡，i=tg；分段内平均摩阻坡降；n泄槽槽身槽率系数；分段平均流速，m/s；分段平均水力半径，m。2）泄槽段水流掺气水深计算由式（9）计算。（9）式中：hb、h泄槽计算断面的水深及掺气后水深，m；v不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s；修正系数，可取 1 s/m 1.4 s/m，流速大者取大值。3）泄槽边墙高程验算。根据水工设计手册中的公式计算安全超高，如式（10）。=0.61+0.0371VH1/3 （10）式中：H不掺气水深，m；V断面平均流速，m/s。边墙高度 H墙=掺气水深+安全超高。校 核 洪 水 位（P=0.33%），最 大 下 泄 量 为26.4m3/s，该工况时泄槽水面线及墙顶高程计算成果见表 5。表 5 溢洪道泄槽水面线及边墙顶高程计算成果表桩号0+0090+0070+0220+059断面距离/m072259水深/m1.2460.6310.4960.34断面的流速/m/s3.336.590.4960.34掺气水深/m1.2960.6810.5460.390安全超高/m0.7430.8200.8560.926边墙高度/m2.0031.4981.4021.316由于此次工程溢洪道泄槽边墙实测墙体高度为 1.5 2 m，计算复核边墙高度基本满足泄洪要求。3.1.3 溢洪道消能工复核消力池长度可按式（11）计算：Lsj=0.8Lj （11）式中：Lsj消力池长度，m；Lj水跃长度，m。?图 1 溢洪道水位-流量关系曲线图94云南水力发电2024 年第 4 期结合设计规范，根据计算结果，确定消力池护坦长度15.42 m，现有消力池护坦段长度为7.5 m，实际护坦长度比计算长度小 7.92 m，不符合现行规范要求，因此加固工程拟对溢洪道消力池进行重建。3.2 溢洪道加固设计根据现场踏勘情况，溢洪道侧墙两边边坡不存在明显变形、不稳定或有滑坡迹象，溢洪道底板陡槽段混凝土有破损严重，侧墙衬砌局部有裂缝，缝内有杂草生长，墙脚衬砌局部有隆起，未发现存在塌坑、凹陷等现象，溢洪道基础及边墙无渗水，不存在岸坡及边墙失稳现象。溢洪道下游情况来看，泄洪时不存在冲刷坝体及下游坝脚的情况，下游河道杂草丛生，阻碍排洪。同时，根据溢洪道消能工复核成果，现有溢洪道消力池长度不满足泄洪要求。此次加固工程对溢洪道做出以下加固措施。1）根据实际情况，对溢洪道陡槽段底板进行拆除重建和侧墙衬砌按建筑物结构缝进行修复。2）拆除重建消力池采用底流消能，根据溢洪道消能工复核消力池消能复核计算，消力池池长不得小于 15.42 m，故本次重建消力池长 16 m，底板高程 91.40 m，边墙顶高程 93.40 m。并在消力池末端设置 10 m 长生态格网固滨笼海漫，海漫厚1 m，海漫坡降为 1 10。3）根据现场勘查情况来看，现状溢洪道下游河道淤积堵塞较为严重，影响泄洪通畅，为保证泄洪通畅，拟对溢洪道下游 300 m 河道进行清淤清障，提高河道行洪能力，溢洪道下游河道清淤典型断面图如图 2 所示。清淤后河道河床最小宽度不小于 6.5 m，两岸按 1 2 坡比对两边岸坡进行修整。?图 2 溢洪道下游河道清淤典型断面图4 结束语以某小型水库为研究对象，基于相关行业规范对坝体高程、结构、渗流和溢洪道泄流能力、边墙高度、消能工进行安全复核计算，对复核不合格部分进行除险加固设计。发现充填灌浆适合该工程坝体防渗，是较优的防渗方案，并提出适合坝体灌浆的浆液配比和施工方法，黏土占85%、水泥占 15%，密度控制在 1.2 g/cm3 1.6 g/cm3之间，按先稀后浓的原则进行施灌，稀浆密度在 1.2 g/cm3左右，浓浆密度在 1.3 g/cm3 1.6 g/cm3范围内，该方案实施后大坝整体安全稳定；同时针对溢洪道消能工不满足规范要求的问题，对溢洪道进行拆除重建，采取了 3 种除险加固措施，解决了溢洪道不满足泄洪要求的问题，确保了水库的安全稳定运行。参考文献：1石建国，薛江伟，万永正，等.某水库改建施工导流围堰设计J.云南水力发电，2023,39（2）:50-54.2 王增.水利工程中小型水库除险加固设计研究 J.工程技术研究，2020,5（18）:223-224.3朱家胜，池昌静.水库除险加固主要技术措施探析J.黑龙江水利科技，2022,50（1）:170-171.4 邓厚展.白水礤下游水库除险加固措施 J.河南水利与南水北调，2022,51（2）:64-66.5曾小芳.基于大坝综合评价指标的中型水库除险加固设计方案优化J.内蒙古水利，2021,（4）:35-37.6鹿阳.中小型水库大坝除险加固方案的设计及其实施效果J.四川水泥，2023,（2）:34-36.