李嬋娟

(北京市密云水庫管理處，北京 101500)

密云水庫溢洪道位于大壩右岸，全段已襯砌加固。八字形進口引水段長14.2 m?？刂贫窝咝蜑殚_敞式寬頂堰，寬度為10.0 m，長度為7.0 m，堰頂高程229.0 m。堰后接10.0 m等寬泄槽，坡比為1∶5，斜長58.5 m。泄槽末端設(shè)鼻坎挑流消能，反弧段長5.0 m。溢洪道全長84.7 m,進口段局部無擋墻襯砌，挑流鼻坎下游被占用為菜地和人行交通路面，路面和菜地高程與鼻坎基本持平，洪水不能安全下泄，溢洪道下游河道雜樹叢生，影響洪水歸槽，控制段人行橋欄桿銹蝕嚴重等問題，為此亟須對密云水庫溢洪道進行除險加固。溢洪道是水庫工程重要的組成部分，在水庫除險加固工程中，溢洪道的加固質(zhì)量直接影響水庫工程總體的加固效果[1-5]。

因此，本文以密云水庫溢洪道除險加固工程為例，通過對溢洪道存在問題的分析，提出了加固技術(shù)方案，并對溢洪道設(shè)計方案進行了計算，保障了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確保了整體水庫工程的設(shè)計工作[6-8]。為確保水庫的安全運行，充分發(fā)揮水庫的灌溉、防洪、發(fā)電等綜合效益，對水庫進行應(yīng)急除險加固[9-10]。

1 工程概況

密云水庫位于北京市密云區(qū)城北13 km處，位于燕山群山丘陵之中，面積180 km2，環(huán)密云水庫有200 km。密云水庫庫容40億m3，平均水深30 m。密云水庫有兩大入庫河流，分別是白河和潮河。壩址以上集雨面積15 505 km2，主河道長5.5 km，河道平均坡降23.6‰。庫區(qū)雨量充沛，流域兩岸一帶，山高嶺峻，草深林茂，土壤植被良好，水土保持完善。

水庫自建成以來，為灌區(qū)內(nèi)農(nóng)田的灌溉和灌渠沿岸的經(jīng)濟作物灌溉提供了可靠的水源保證，直接捍衛(wèi)了下游2800多人口以及1500多間房屋、200多公頃耕地、村鎮(zhèn)路道和大批供電、通信等重要設(shè)施的安全。水庫一旦出險，將直接威脅沿岸各鎮(zhèn)的安全。由于水庫存在著安全隱患，天然來水不能得到很好的利用，使水庫無法充分發(fā)揮其灌溉效益。因此，為了充分發(fā)揮水庫的綜合效益，特別是避免水庫可能的出事風(fēng)險，本水庫除險加固刻不容緩。經(jīng)現(xiàn)場踏勘，溢洪道右側(cè)巖土層為山體，左側(cè)為壩體填土，兩側(cè)均已修建擋墻，穩(wěn)定性較好。消能方式為挑流消能。溢洪道全段已襯砌，結(jié)構(gòu)完好。溢洪道現(xiàn)有側(cè)墻批蕩脫落嚴重，漿砌石水泥砂漿標(biāo)號較低，強度不夠，墻體部分除險裂隙。溢洪道進口段首端未完善，沒有側(cè)墻?，F(xiàn)有溢洪道底板為漿砌石護面底板，已出現(xiàn)裂縫、松動。原人行道從溢洪道進口底經(jīng)過到壩頂。

2 溢洪道加固技術(shù)方案分析

2.1 消能防沖方案比選

如圖1所示，密云水庫溢洪道原設(shè)計采用挑流消能方式，現(xiàn)狀挑流鼻坎結(jié)構(gòu)完好。鼻坎下游側(cè)河道已被填至坎頂高程，現(xiàn)狀為菜地和化糞池，村民在菜地旁修建1條3.5 m寬混凝土道路連接兩岸。溢洪道已無法正常挑泄，洪水無法歸槽。

圖1 溢洪道挑流鼻坎現(xiàn)狀

為保證洪水安全下泄，保證水庫運行安全，須對溢洪道現(xiàn)狀消能防沖段進行除險加固。根據(jù)工程現(xiàn)狀，本次溢洪道除險加固擬對挑流消能和底流消能方案進行比選。

方案一：挑流消能方案(比選方案)本方案保留原設(shè)計挑流消能，挖除下游侵占泄洪斷面內(nèi)的道路、菜地等構(gòu)筑物，恢復(fù)鼻坎挑流下泄功能，兩岸新建擋墻閉合。在下游27 m河道處新建跨河橋梁，供居民出行。本方案消能防沖布置按現(xiàn)狀，只對影響泄洪構(gòu)筑物進行清理、拆除，施工難度低，造價低。但下游新建跨河橋梁布置困難，兩岸為農(nóng)田，需進行征地，實施困難。且下游河道多為砂卵石層，采用鼻坎挑流下泄洪水，將對河床產(chǎn)生較大沖刷，危及河道邊坡及農(nóng)田。

方案二：底流二級消能方案(推薦方案)本方案將原設(shè)計挑流鼻坎拆除，重建底流消能方式。為二級消能，矩形等寬斷面，寬度為10 m。第一級消力池長16.93 m(含斜坡段長度)，底高程為215.29 m。在第一級池內(nèi)布設(shè)兩排消力墩，梅花形布置。第二級消力池長25.18 m(含斜坡段長度)，底高程為211.50 m，為突檻式消力池，池深1.6 m。后接漿砌石海漫，長10 m。人行橋布設(shè)在第一級消力池，為2孔鋼筋混凝土橋涵結(jié)構(gòu)。

方案三：底流消能方案(比選方案)本方案將原設(shè)計挑流鼻坎拆除，重建底流消能方式。矩形等寬斷面，寬度為10 m。斜坡段長19.84 m，坡比1∶3.3。消力池采用突檻式，長20 m，檻高1.6 m，底高程為211.50 m。后接漿砌石海漫，長10 m。人行橋布設(shè)在消力池內(nèi)，為1跨×10 m鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)。

2.2 方案比選分析

方案一為挑流消能，按原溢洪道布置，但人行橋布置需占用農(nóng)田。

方案二為底流二級消能型式，基本按現(xiàn)狀進行布置，底板高程適中，開挖深度不大，不會產(chǎn)生深基坑，無占地。

方案三為底流消能，斜坡段出現(xiàn)2.87～6.53 m臨空面，開挖深度大，出現(xiàn)深基坑，危及兩岸邊坡和房屋，且人行橋布置需占用農(nóng)田。故方案二較優(yōu)。

工程施工的比較：方案一原址布置，僅需挖除侵占構(gòu)筑物，容易實施。方案二、三消能防沖在原址拆除重建。現(xiàn)狀兩側(cè)為房屋，其中左側(cè)房屋邊線距離側(cè)墻邊線1.8～4.7 m(水流方向)。方案二為二級消能布設(shè)，第一級池底離岸頂高約2.84～3.51 m，最大開挖深度3.0 m，施工時用鋼板樁支護，容易實施。方案三斜坡段按坡比1∶3.3 布置，后接消力池底部。斜坡段底高程離岸頂高約2.87～6.53 m，最大開挖深度達6.0 m，施工時需排樁支護，施工困難，極容易擾動左側(cè)房屋基礎(chǔ)。故方案一、方案二較優(yōu)。

工程占地的比較：方案二消能設(shè)施和橋涵在原址布置，無須進行征地拆遷，容易實施。方案一和方案三人行橋布置需占用基本農(nóng)田，實施困難。故方案二較優(yōu)。綜上所述，考慮溢洪道左側(cè)房屋邊線離側(cè)墻近，為確保不擾動現(xiàn)狀房屋安全，選擇開挖深度不大，施工容易實施，且不涉及征地補償?shù)姆桨甘呛线m的。因此，本次溢洪道除險加固消能防沖選取方案二消能方式。

2.3 溢洪道布置

本溢洪道為2級建筑物，開敞式寬頂堰型式，斷面為矩形，堰頂凈寬10 m。溢洪道全段已襯砌加固，結(jié)構(gòu)完好，本次僅對消能防沖段進行加固。通過上述加固方案加固后，溢洪道達到如下標(biāo)準(zhǔn)：

(1)進口段。進口段斷面為喇叭口狀，底板高程為229.0 m。兩側(cè)擋墻和底板維持現(xiàn)狀，清除進口段行洪斷面內(nèi)的障礙物。

(2)控制段?？刂贫窝唔敻叱虨?29.0 m，堰頂凈寬10.0 m，兩側(cè)擋墻和底板維持現(xiàn)狀。

(3)泄槽段。原設(shè)計泄槽段斷面采用矩形斷面，寬度為10.0 m，長58.50 m。泄槽段坡比為 1∶5。本次加固泄槽段側(cè)墻和底板均維持現(xiàn)狀。

(4)消防防沖段。消能防沖段采用矩形斷面，寬度為10.0 m。原挑流消能拆除，重建為底流消能方式，為二級消能型式，第一級長16.93 m，第二級長25.18 m，全長42.11 m，池深1.6 m。

3 溢洪道加固設(shè)計計算分析

3.1 進口段和控制段

現(xiàn)狀進口段為喇叭口形式，梯形斷面，進口渠底寬17～10 m，堰頂高程為229.0 m，墻頂高程232.74 m，墻高3.74 m。在下泄各頻率流量時，近似地將進口段水位與水庫水位相等?，F(xiàn)狀墻頂高程滿足計算要求的高度值。本次設(shè)計不改變水庫的運行水位，斷面為矩形，加固整平后堰頂高程仍然保持為229.0 m，堰頂寬10.0 m。經(jīng)調(diào)洪演算得：50 a一遇設(shè)計洪水位231.15 m，相應(yīng)下泄流量為52.48 m3/s；500 a一遇校核洪水位231.81 m，相應(yīng)下泄流量為78.30 m3/s。本次設(shè)計溢洪道型式為開敞式寬頂堰，凈寬10.0 m，堰頂高程229.0 m，進行過流能力復(fù)核。溢洪道泄量計算采用堰流公式(1)：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；m為流量系數(shù)，取0.385；B為堰凈寬，取10.0 m；H0為堰上總水頭，m；ε為堰墩側(cè)收縮系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)，本工程堰后接泄槽，取1。根據(jù)上述公式計算，溢洪道水位泄量成果見表1。

表1 溢洪道水位泄量成果表

根據(jù)表1的水位(H)～流量(Q)關(guān)系繪制H～Q曲線經(jīng)調(diào)洪演算，計得各頻率的水庫水位和相應(yīng)的下泄流量成果列于表2。

表2 各頻率水庫水位與相應(yīng)下泄流量

3.2 泄槽段

泄槽水面線計算如式(2)～式(3)，確定臨界水深：

(2)

(3)

式中：hk為泄槽的臨界水深，m；α為動能修正系數(shù)，取1.0；q為泄槽的單寬流量，m3/(s·m)；g為重力加速度，取9.81 m/s2；b為底寬，m。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，計算結(jié)果如表3所示。

表3 各頻率相應(yīng)的臨界水深hk

4 溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定計算

本工程需進行驗算的下游河道擋墻。擋墻采用C20混凝土，基礎(chǔ)高0.50 m，底寬2.02 m。迎水面垂直，背水面坡度為1∶0.4的斜坡，墻體容重γ=23 kN/m3。計算斷面見圖2。

圖2 擋墻計算簡圖(單位：cm)

計算參數(shù)如下：墻后填土內(nèi)摩擦角12.0°；墻后填土黏聚力13.2 kPa；墻后填土容重18.00 kN/m3；墻背與墻后填土摩擦角9.0°；地基土容重18.00 kN/m3；地基承載力特征值120.0 kPa；墻底摩擦系數(shù)0.38。

擋土墻穩(wěn)定計算分二種工況：①完建工況；②洪水降落期工況。同時計算擋墻在各種工況下的應(yīng)力及穩(wěn)定情況。取1 m單寬長度作單元進行計算。擋土墻后的土壓力按朗肯公式計算主動土壓力。計算結(jié)果如表4所示。

表4 擋墻穩(wěn)定驗算成果

由計算結(jié)果可知：擋墻各工況下抗滑穩(wěn)定及抗傾覆穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求；擋墻基底最大應(yīng)力均小于地基容許承載力(120 kPa)。

5 結(jié) 論

溢洪道是水庫工程重要的組成部分，在水庫除險加固工程中，溢洪道的加固質(zhì)量直接影響水庫工程總體的加固效果。以密云水庫溢洪道除險加固工程為例，通過對溢洪道存在問題的分析，提出了加固技術(shù)方案，并對溢洪道設(shè)計方案進行了計算，保障了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確保了整體水庫工程的設(shè)計工作。為確保水庫的安全運行，充分發(fā)揮水庫的灌溉、防洪、發(fā)電等綜合效益，對水庫進行應(yīng)急除險加固。密云水庫溢洪道除險加固工程實施完成后，可恢復(fù)下游水田灌溉133 hm2有余，徹底解決水庫存在的病險問題，水庫能正常防洪和灌溉，促進水利事業(yè)更好的發(fā)展，結(jié)果可為類似工程提供參考。