探讨泄洪与消能建筑物加固改造设计

杨娟

（贵州省岑巩县水务局，贵州 岑巩 557801）

1 标子塘水库工程概述

标子塘水库建于1976 年10 月，于1978 年9 月建成蓄水。总库容39.3 万m3，是一座V 等小（2）型水库工程。水库枢纽由大坝、泄洪表孔和放水涵管等主要建筑物组成，主要建筑物级别为5 级，水库正常蓄水位597.90m。大坝为浆砌石圆弧单曲拱坝，两端设推力墩，坝顶宽度为1.25m，坝顶弧长43.5m，左坝端推力墩长9m 左右，右坝端推力墩长5.2m 左右。坝顶高程598.38m，建基面高程585.0m，坝底宽1.9m，最大坝高13.38m。溢流表孔布置于大坝偏右坝段，为单孔净宽12m 的自由溢流表孔，堰型为宽顶堰形状的坝顶溢流堰，两端无导墙，堰顶高程597.9m，堰顶和堰壁破损严重，放水涵管布置于588.125m 高程右坝端，钢管穿坝体引至下游渠道，管径25cm，出口设闸阀和闸阀室。各频率洪水及水位成果如表1 所示。

表1 各频率洪水及水位成果

2 标子塘水库存在的问题

大坝存在的主要问题就是大坝坝体上游面防渗层脱落和破损严重，防渗层在蓄水位以下部位局部出现裂缝，坝体未见错动及裂缝等异常迹象，大坝坝面较平整，坝基岩体透水率大，左、右岸山体存在绕坝渗漏现象，在大坝下游坝脚放水涵出口存在约5.0L/s 的渗漏流量。堰顶和堰壁破损严重，溢流堰过流能力严重不足。下游设有消力池，拱冠梁断面位置池身长7.5m，底板高程586.5m 左右，表面堆积物较多，平整度较差。放水涵管钢管穿坝体引至下游渠道，管径25cm，出口设闸阀和闸阀室，钢管和闸阀锈蚀严重，闸阀已不能正常工作，闸阀室破损严重。其次是水库运行管理存在的问题，水库未设置基本的水情及工程监测设施，缺乏必要的交通、通讯等管理设施，不利于水库的运行管理和防洪调度。水库运行管理的规章、制度不齐全。

3 加固改造方案分析

现有溢流表孔的过流能力不足导致大坝的防洪标准偏低，通常可采取3 种处理方案：①方案一：维持现有的溢流表孔现状，加高大坝。②方案二：不加高大坝（或加高大坝但不增加淹没），加宽溢流表孔过流净宽，并且改造溢流表孔形状，提高过流系数。③方案三：维持现有溢流表孔现状，不加高大坝，增设新的溢流设施。方案一单纯从加高大坝来抵御防洪要求，必然会导致校核洪水位和设计洪水位抬高，故坝体承担的应力水平增加，对基础的灌浆处理方案要求更加严格，并且导致库区尤其是左岸的部分农田淹没，此方案不经济且技术风险较大。方案三需要新增过流建筑物，结合现场的实际情况看，只有新增泄洪隧洞，从过流复核成果看，不足的过流流量并不大，显然此方案极不经济。方案二只针对溢流表孔进行改造，适当加高坝体，不新增泄洪设施，从提高表孔自身的过流效率考虑，从技术风险和投资上是最合理的。坝顶整治如图1 所示。

图1 坝顶整治

4 泄洪、消能建筑物的加固改造设计

4.1 消力池设计

现有消力池池身最大净长度（拱冠梁剖面位置）为7.5m，混凝土浇筑，底板高程586.5m，尾部设40cm 厚80cm 高的导墙接两坝肩岩体，形成小型水垫塘。在右端结合取水管闸阀室，设有混凝土支墩，再靠右部设有过水口，宽30cm 左右。目前消力池导墙质量尚完好，在底板上存留部分杂土杂石和堆积物，此次改造予以清除。考虑到减小消力池底板扬压力作用，本次除险加固增设底板基础固结灌浆，深入基岩5m，灌浆孔间距2m，梅花形布置。消力池改造断面如图2 所示。

图2 消力池改造断面

4.2 溢流表孔设计

为提高溢流堰过流能力，需将现在的宽顶堰形状的溢流头改造成过流效率较高的实用堰，将堰顶向上游沿597.9m 高程拱圈平移，以延长溢流堰的吃水长度，加宽溢流堰的溢流净宽度至15m。施工时，将溢流坝段坝体拆除至596.9m 高程，浇筑C20 溢流头混凝土，布置φ25 锚筋（植筋的方式植入坝体）以增加实用堰与坝体的连接的稳定性，上、下游面分别形成悬挑，增加溢流面的流程，改善过流条件，同时，增加跌流水舌的射距。为使过流流态更加顺畅，在溢流堰两端的坝体上采取植入锚筋的方式，增设C20 混凝土导墙，厚0.5m，流向长度2.95m，使得下泄水流进流顺畅，出流归槽。溢流表孔改造断面如图3 所示。

图3 溢流表孔改造断面

4.3 坝下消能设计

与有利的消能区水利条件相结合，在对坝下消能防护进行设计规划时，应使用护岸不护底的天然水垫塘进行消能。通过现实实践的过程成中，可以运用水工试验的方式进行验证，在消能洪水工况下，中控的最大的冲坑深设置在4m，中控控制下泄流量控制为700m3/s，冲坑的坝脚与上端的距离应保持在114m，两侧坡比是1:7.7，上游坡比为1:3.75，中孔的挑距设置较远。因考虑到对冲坑会产生一定的影响，所以对水垫塘消能区域的坡脚设置混凝土铁坡防护。大坝下游面现状如图4所示。

图4 大坝下游面现状

4.4 泄洪设计

标子塘水库工程的泄洪设计主要分为，泄洪中心线与泄洪轴线的选择和表、中孔的布置两种。对于泄洪中心线与泄洪轴线的选择方面，可以根据其下游的地势情况，可以向拱坝中心线的右岸位置偏移6.5°来作为泄洪的轴线。通过运用模型实验进行验证可以得出，水舌入水的宽度都能基本的落在主河床内，不会冲刷到岸坡。对于泄洪轴线的选择，因为泄洪轴线的直径的选择会直接影响到泄洪水流的落点，一般情况下，当半径的取值越小时下泄水流向心集中的现象越严重，在一定程度上造成下河床的冲刷。由于大坝下游的基本情况，可以把表孔堰顶选择为泄洪轴线，可取半径为300m，在此选择的泄洪轴线可以在一定程度上保障水布满河床，并且还不会对两岸的岸坡造成冲击。对于表、中孔的布置，可以与下游到地势特点相结合，以控制水舌入水的宽度为基本原则，在平面上进行相间布置的措施，把中孔设置在表孔的左右中墩下部的位置，并且还要与泄洪的中心线保持对称，溢流前缘的宽度应控制在58m 左右。表孔孔口的宽度为12m，堰顶高程为408m。因考虑到消能的需要，表孔出口设置俯角鼻坎或者是挑角，这样可以进一步促使表孔水舌可以再纵向上分入水，减轻下泄水流所带来的冲刷。此外，表孔在堰顶设置弧形闸门，但是没有设置检修闸门，当在枯水时期，水位下降到地域408m 的高度的时候，可以开展工作闸门检修的工作。在孔的出口设置尺寸为5m×7m 的弧形工作闸门（这里指的是宽5m，高为7m）。通过运用泄流能力计算，可以得出夏季的防汛水位一般都在403m 左右，中孔泄流量为1673m3/s，可以达到下游防洪调度的要求。在对谢工建筑物进行设计时，应结合枢纽工程防洪调度，做一下调洪演算的工作[1]。

4.5 基坑的排水及清污

围堰填筑并进行机械碾压夯实后进行基坑排水，按照基坑水量约10 万m3计算，配备8 台排污泵进行排水。在对基坑进行排水的过程中，应采用缓慢降低水位的方式，并在排水的过程中加强对堰体的变形检测和巡视检查的工作，从而确保围堰的安全性。为进一步对新旧混凝土面和地板基础免得粘结性进行加强，需要对消力戽地板的基岩面的松动块及淤积的东西进行清理，可以采用切割机、煤气喷枪、冲击钻等设施对原始的河床进行人工凿毛处理。引水管及控制闸阀室设计断面如图5 所示。

图5 引水管及控制闸阀室设计断面

4.6 溢流面常态混凝土缺陷处理

在施工的过程中，可以运用基面处理、喷涂底胶、填筑弹性环氧砂浆、压平处理等施工方式进行处理。在对溢流面常态混凝土缺陷处理的过程中，首先可以使用切割机对修补边界切割规整，然后再使用手钎对混凝土基面的松土部分进行凿除，这里值得注意的是对于深度不足0.5cm 的区域可以凿到0.5cm 即可，可以清楚混凝土基面的松散颗粒、薄弱层等，用高压水进行反复的冲洗，然后使用煤气烤枪进行烘干处理。等到表面干燥后，就可以对基面涂上涂一道环氧树脂底胶，等表面干燥后再填筑弹性环氧砂浆[2]。当深度在超过5cm 的混凝土蜂窝，可以使用拌制的环氧树脂细石混凝土分层填入坑槽，这里的每一层都不能超过5cm 厚，特殊情况下可以将表面设置模板，修补边缘用角向磨光机打磨深5mm 的连接槽，用弹性环氧砂浆将周边和表面修补密实平顺。

5 结语

综上所述，本文通过对标子塘水库泄洪消能设置加固处理，进一步增大了溢流面预制块间和预制块与碾压混凝与之间的连结作用，加强了大坝的底部及坝趾的防护结构，大坝泄洪消能设施整体的冲刷性也得到了显著的提高。本次通过对其加固采用的方法也是多种多样的，比如对泄洪进行改造设计以及溢流表面补强加固等方式进行泄洪消能。且此次改造的结果也表明了这些方法的优点也很多，比如施工质量易于控制、施展性好等，为以后对此类工程的补强加固积累了丰富的实践经验，为以后工程的施工提供借鉴。