石 佳

(撫順市水利勘測設(shè)計研究院有限公司,遼寧 撫順 113000)

1 概況

天橋子水庫位于遼寧建昌縣老大杖子鄉(xiāng)境內(nèi),屬于清水河流域,壩址位置在東經(jīng)119°16′北緯40°36′處。河道平均比降8.85‰。水庫在遼寧水文分區(qū)中屬Ⅵ2水文分區(qū)。工程建設(shè)內(nèi)容包括:溢流壩混凝土面層拆除重建,重力壩右側(cè)壩頂增設(shè)欄桿,溢流壩后拋石護(hù)底,左側(cè)重力壩后岸坎漿砌石防護(hù)(0.4 m),重力壩后、兩側(cè)護(hù)岸增設(shè)混凝土墻,輸水洞、沖砂閘壩內(nèi)埋管維修,輸水洞、沖砂閘房屋改造維修,右側(cè)重力壩下原電站廠房拆除,右側(cè)上壩路山體增設(shè)邊坡防護(hù)網(wǎng),右側(cè)上壩路非標(biāo)兩波段防護(hù)欄桿,溢流壩、泄水洞沖砂閘進(jìn)口各增設(shè)水位尺一處。

2 除險加固設(shè)計方案

2.1 大壩

2.2 泄水洞、沖砂閘

輸水洞、沖砂閘壩內(nèi)埋管破損處維修;輸水洞、沖砂閘房屋改造維修;右側(cè)重力壩下原電站廠房拆除;重力壩下沖砂閘輸水洞破損漿砌石基礎(chǔ)拆除,灌注混凝土(C25F200);泄水洞沖砂閘閘門、啟閉機(jī)除銹保養(yǎng)。

2.3 管理設(shè)施

右側(cè)上壩路山體增設(shè)邊坡主動防護(hù)網(wǎng)800 m2;右側(cè)上壩路非標(biāo)兩波段防護(hù)欄桿180 m,欄桿柱高1.1 m,間隔4 m設(shè)置1座混凝土基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深1 m。

2.4 安全觀測設(shè)計

更換溢洪道進(jìn)口處右側(cè)邊墻水位尺一處,泄水洞進(jìn)口增設(shè)水位尺一處。

3 樞紐建筑物現(xiàn)狀復(fù)核

3.1 大壩

3.1.1 筑壩材料及填筑標(biāo)準(zhǔn)

采用漿砌石對重力壩、溢流壩進(jìn)行砌筑,漿砌石砌筑到基巖,重力壩迎水測和頂部設(shè)鋼筋混凝土面板,迎水測面板底部位于基巖以下0.5 m,迎水測面板厚度0.3 m,溢流面混凝土面板厚度0.6 m。

3.1.2 壩頂高程

1)大壩高程現(xiàn)狀與水位

現(xiàn)狀大壩壩頂高程與現(xiàn)狀溢洪道調(diào)洪水位見表1。

表1 現(xiàn)狀壩頂高程復(fù)核特征水位 m-s

2)壩頂高程復(fù)核、平均波高h(yuǎn)m及安全超高h(yuǎn)c

壩頂高程依據(jù)砌石壩設(shè)計相關(guān)規(guī)范的計算公式;平均波高h(yuǎn)m按《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》公式進(jìn)行計算;安全超高h(yuǎn)c參考《砌石壩設(shè)計規(guī)范》,工程大壩級別為4級時,設(shè)計水位時,hc=0.3 m,校核水位時,hc=0.2 m。計算結(jié)果見表2。

大壩各種運用情況的壩頂高程計算結(jié)果見表3。

根據(jù)復(fù)核后壩頂成果表及《砌石壩設(shè)計規(guī)范》壩體結(jié)構(gòu)要求:大壩現(xiàn)狀頂高程大于本次復(fù)核壩頂高程,壩頂無需加高。

表2 壩頂超高計算成果表

表3 壩頂高程計算成果表

3.1.3 壩頂寬度

根據(jù)《砌石壩設(shè)計規(guī)范》,擋水壩段壩頂寬度應(yīng)大于3 m。天橋子水庫大壩壩頂寬3.1 m,滿足設(shè)計規(guī)范。

3.1.4 壩體穩(wěn)定

按砌石壩設(shè)計規(guī)范相關(guān)規(guī)定,作用在大壩上的荷載可按下面兩種工況進(jìn)行復(fù)核。工況及荷載組合見表4。

3.1.5 大壩滲流

由于天橋子水庫修建至今沒有安裝任何觀測設(shè)備,原有技術(shù)資料也已遺失,所以,滲流的安全性評價不能通過監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行,現(xiàn)場檢查未發(fā)現(xiàn)大壩、泄水洞、沖砂閘有明顯滲漏現(xiàn)象發(fā)生。大壩沒有進(jìn)行滲流觀測及揚壓力監(jiān)測,但是上游側(cè)建了鋼筋混凝土防滲板,面板底部進(jìn)入基巖0.5 m,在后期運行中未發(fā)現(xiàn)明顯滲漏,壩基接觸面無斷層斷裂帶、薄夾層和裂縫充填材料。

3.2 溢流壩

溢流壩、擋水壩穩(wěn)定及基礎(chǔ)應(yīng)力計算成果表5。

表4 荷載組合

表5 擋水壩段抗滑穩(wěn)定計算成果

表6 岸墻頂高程復(fù)核成果表 m

3.2.1 泄流能力

溢流壩位于壩體的中部,為敞開式,總長44.80 m,泄流方式為自由溢流。溢洪道控制段為開敞式WES實用堰,泄流能力按《溢洪道設(shè)計規(guī)范》公式計算,經(jīng)計算,實用堰最大泄流量963.36 m3/s>本次計算最大泄量720.24 m3/s。滿足大壩泄洪要求。

3.2.2 控制段頂高程復(fù)核

依據(jù)溢洪道設(shè)計相關(guān)規(guī)范進(jìn)行計算,其結(jié)果詳見表6。

從表6可以看出,無論何種工況,控制段側(cè)壁高度符合規(guī)范要求。

3.2.3 泄槽邊坡岸頂高程復(fù)核

泄槽邊坡岸頂高程按20 a一遇校核洪水(11.75 m,720.24 m3/s)摻氣水面線高程加安全超高計算,安全超高根據(jù)工程重要性取0.3 m。溢洪道邊坡岸頂頂高程見表7。

表7 溢洪道邊坡岸頂成果表 m

3.2.4 消能計算

1)基本參數(shù)

消能工類型為連續(xù)式挑流鼻坎,挑流鼻坎頂部高程為3.640 m,鼻坎的挑角為25.000度,下游河床高程為-0.800 m,堰面流速系數(shù)為0.950,基巖沖刷系數(shù)為1.100,許可的沖刷坑最大后坡為0.400,詳見表8。

表8 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選取表

2)計算過程

(1)計算最大沖坑深度。

最大沖坑水墊厚度tk(自水面至坑底)計算公式:

tk=kq0.5×H0.25

(1)

式中:q為單寬流量m3/s;H為上下游水位差(m);k為沖刷系數(shù)。

沖坑深度的計算公式:

T=tk-ht

(2)

式中:ht為下游水深(m)。

計算結(jié)果見表9。

表9 沖坑深度計算表

表10 挑流消能計算成果表

(2)計算水舌拋距

計算公式:

(3)

式中:L為指壩下游垂直面到挑流水舌外緣進(jìn)入下游水面后與河床面交點的水平距離(m);v1為坎頂水面流速(m/s);θ為鼻坎挑角;h1為坎頂垂直方向水深(m);h2為坎頂與河床面高差[6](m)。

ΔL=T/tanβ

(4)

式中:ΔL為指水舌外緣與河床面交點到?jīng)_坑最深點的水平距離(m);β為入水角,指水舌外緣與下游水面的夾角。

LZ=L+ΔL

(5)

式中:LZ為總拋距(m)。

計算結(jié)果詳見表10。

(3)驗算沖坑深度與總拋距

經(jīng)計算:T/LZ=0.156,滿足規(guī)范要求,經(jīng)計算挑流沖坑較深,因此本次設(shè)計壩后拋石。

3.3 泄水洞、沖砂閘

泄水洞、沖砂閘設(shè)在大壩右側(cè),為壩下圓涵型式,長20.0 m。泄水洞進(jìn)口設(shè)有閘閥,進(jìn)口底高程2.0 m,洞徑0.4 m,進(jìn)口設(shè)有閘門和啟閉設(shè)備。沖砂閘緊鄰泄水洞,洞徑1.0 m,進(jìn)口設(shè)有閘閥,口底高程為2.0 m。天橋子水庫泄水洞、沖砂閘均為壩內(nèi)埋管型,泄水洞、沖砂閘進(jìn)口為螺桿式啟閉機(jī),出口處為閘閥。

當(dāng)水庫處于正常蓄水位8.00 m時,沖砂閘進(jìn)口水深8.00-3=5 m,H/D=5/1=5>1.5;泄水洞進(jìn)口水深8.00-2.4=5.6 m,H/D=5.6/0.4=14>1.5;出口水流進(jìn)入河道,因此泄水洞、沖砂閘流態(tài)為有壓力流,自由出流,計算公式:

(6)

式中:Q為流量,m3/s;μ為有壓隧洞流量系數(shù),本次取0.708;ω為洞身斷面面積,m2;H0為進(jìn)水深度包括行進(jìn)速度水頭,m;g為重力加速度,m/s2。

經(jīng)計算:泄水洞正常蓄位8.0 m對應(yīng)的泄水洞泄量為:0.88 m3/s;泄水洞設(shè)計洪水位1.17 m對應(yīng)的泄水洞泄量為:1.13 m3/s;泄水洞校核洪水位11.75 m對應(yīng)的泄水洞泄量為:1.16 m3/s;沖砂閘正常蓄位8.0 m對應(yīng)的泄水洞泄量為:5.50 m3/s;沖砂閘設(shè)計洪水位11.17 m對應(yīng)的泄水洞泄量為:7.03 m3/s;沖砂閘校核洪水位11.75 m對應(yīng)的泄水洞泄量為:7.28 m3/s。

4 結(jié)語

經(jīng)復(fù)核計算,該水壩頂高程符合規(guī)范所規(guī)定的要求,無需加高。根據(jù)溢流壩現(xiàn)狀復(fù)核,溢流壩控制段閘墩、泄槽邊坡岸頂高程均滿足規(guī)范要求,無需加高。溢洪道無滲流穩(wěn)定和滲漏問題。溢洪道坐落在基巖上,未發(fā)現(xiàn)沉降、變形等異常;本次加固工程主要針對天橋子水庫大壩,壩型為溢流壩,壩下游壩面混凝土表面出現(xiàn)嚴(yán)重剝蝕現(xiàn)象,壩面混凝土強(qiáng)度降低;左側(cè)壩后漿砌石護(hù)坡不完整;溢流壩壩底有沖坑,威脅壩基安全;重力壩壩后水位變化區(qū)受沖刷和凍脹影響,漿砌石砂漿粘性喪失、石塊松動,右側(cè)壩后混凝土墻局部破損,且防護(hù)長度不足。