太平沟水库病险情况复核探析

杨秋菊

(营口市水利勘测建筑设计院，辽宁 营口 115000)

1 概 述

太平沟水库位于陈屯镇太平沟村，于1972年竣工投入运行，水库当时的设计标准是20a一遇，校核标准为100a一遇，是一座以灌溉、防洪、养殖等综合效益的小(2)型水库。水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道、输水洞组成。

2 工程现状

2.1 大坝

水库坝型为粘土心墙坝，坝壳为壤土，坝长216m，坝顶宽8 m-10m，最大坝高18.36m，坝顶高程17.2m，迎水坡1∶2.5，背水坡1∶2.25。迎水坡为干砌块石护坡。

坝顶局部高低不平，上游干砌石护坡局部脱落，沉陷不平整。背水坡无护坡。大坝下游坡无排水体。

2.2 溢洪道

河岸式溢洪道位于大坝右侧，进口为棱柱体平底槽，净宽16.0m，槽底高程14.5m。

2.3 输水洞

输水洞位于大坝左侧，型式为坝下埋管，洞身为铸铁管，洞径0.3m闸阀控制。

3 工程存在的主要问题

1)在非常运用条件下，防渗体顶高程低于静水位，不满足防渗要求，坝顶高程均不满足规范要求。

2)大坝迎水坡护坡石有的风化严重，局部脱落、沉陷不平整。背水坡无护坡。

3)溢洪道右侧无挡土墙，消力池漏水严重，尾水渠底板已破坏[1]。

4)输水洞闸阀、输水洞管理房已不能使用，输水洞出水渠道在坝脚，严重威胁大坝安全。

5)缺少大坝观测设施。

6)上坝公路在溢洪道进水口处中断，但是上坝公路作为库区里青龙山旅游区交通公路的一部分，如遇汛期，交通会受一定影响[2]。

4 水库病险情况复核

4.1 大坝工程复核

根据《碾压式土石坝设计规范》确定计算公式：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y为 坝顶超高，m；R为最大波浪在坝坡上的爬高，m；e为最大风壅水面高度，m；A为安全加高，m。

1)本次坝顶超高复核风浪要素的计算采用莆田试验站公式。

a)平均波高hm计算：

(2)

式中：g为重力加速度，g=9.81m/s2；Hm为水域平均水深，m；D为由计算点逆风向量到对岸的距离，m；W为设计洪水位取1.5倍的多年平均年最大风速，27m/s，校核洪水位取多年平均年最大风速，18m/s。

b)平均波长Lm按公式计算如下：

(3)

式中：Tm为 平均波周期，按公式Tm=4.438hm0.5计算；H为水域平均水深。

c)波浪爬高Rp计算

平均爬高：

(4)

式中：K△为斜坡的糙率渗透性系数，护面类型为砌石护坡，K△=0.78；KW为经验系数；m为坡坡率；hm为坡前波浪的平均波高；Kβ为斜向来波折减系数，其中：风向与坝轴线法线夹角β=40°；Lm为坝前波浪的波长，m。

按照《碾压土石坝设计规范》的规定进行波浪爬高累积频率换算，该工程为5级建筑物，确定Rp累积频率P=5%。

2)风壅水面高度e计算

(5)

式中：K为综合摩阻系数，K=3.6×10-6；β为计算风向与坝轴线法线的夹角，取β=40°；W为水面上10m处的风速，本工程取为18m/s；D为从计算点作水域中线(或坝轴中线)的平行线与对岸的交点到计算点的距离，m；H为水域的平均水深，m。

3)安全加高A：

根据《碾压式土石坝设计规范》，正常运用条件时A=0.5m，非常运用条件时，A=0.3m。

4)地震涌浪高：

地震区的安全高应增加地震沉降和涌浪高度，按《水工建筑物抗震设计规范》的规定，根据设计烈度和坝前水深，取地震涌浪高度为0.5-1.5m。在设计烈度为8、9度时，安全超高应计入坝和地基在地震作用下的附加沉陷[3]。

本工程设计烈度7度，地震涌浪高度取为1.0m，不计地震附加沉陷。

5)坝顶超高计算成果：

根据以上所列公式和计算参数，对大坝进行计算，取其最大值控制坝顶超高。计算结果见表1。

表1 坝顶超高计算成果表

6)坝顶高程计算：

计算结果见表2。

表2 太平沟水库坝顶高程计算成果表

由表中可以看出，在非常运用条件下，防渗体顶高程低于校核洪水位，不满足防渗要求，坝顶高程也不满足规范要求。

4.2 溢洪道工程复核

4.2.1 陡槽计算

4.2.1.1 陡槽水力计算

1)计算方法：

根据《溢洪道设计规范》，陡槽水面线应根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式如下：

据能量方程，用分段求和法计算，计算公式如下：

(6)

(7)

2)起始计算断面位置及其水深h1按陡槽上游段形式选取：

太平沟水库陡槽上游与棱柱体平底槽衔接，起始计算断面定在陡槽首部，水深h1取用陡槽首端断面计算的临界水深hk。

(8)

不同频率陡槽起点临界水深hk计算结果见表3。

表3 陡槽起点临界水深hk计算结果表

3)掺气后水深计算：

公式如下：

(9)

式中：h、hb为陡槽计算断面的水深及掺气后的水深，m；v为不掺气情况下陡槽计算断面的流速，m/s；ζ为修正系数，可取1.01.4，取大值1.4。

水面线推求及掺气后水深计算成果见表4。

4.2.1.2 陡槽边墙高度计算

陡槽段边墙高度计算标准为200a一遇，为计入掺气后的水面线，再加上0.5m的超高。陡槽段边墙高度计算成果见表5。

利用脑卒中神经功能缺损程度进行效果分析,分为显效、有效、无效三个等级,显效是指患者治疗后的功能缺损分值减少超过90%。有效是指患者治疗后神经功能缺损分值减少超过50%,未达到90%。无效是指患者治疗后分值减少情况低于50%[3]。

表4 陡槽(0+066-0+129.5)水面线推求成果

表5 陡槽段边墙墙顶高度计算成果表

由以上计算可知，溢洪道左侧边墙高度满足挡水要求。

4.2.2 消能工计算

4.2.2.1 尾水渠设计及坝下水位-流量关系曲线

由于河道内多年干旱，大坝下游河道部分被占用，为了保证大坝汛期泄水顺畅，消力池下游接尾水渠[4]。尾水渠设计标准为10a一遇，按明渠均匀流公式推求，各设计参数见表6。

经计算，尾水渠10a一遇设计水深为0.47m。

4.2.2.2 消力池计算

现状水库溢洪道下游设有消能措施，本次消力池计算采用10a一遇洪水标准。

消力池计算采用《溢洪道设计规范》(SL253-2000)中等宽矩形断面消力池相应公式：

1)自由水跃共轭水深h2按下列公式计算：

(10)

式中：Fr1为收缩断面弗劳德数；h1为收缩断面水深，m；v1为收缩断面流速，m/s。

2)水跃长度L 按下式计算：

L=6.9(h2-h1)

(11)

3)等宽矩形断面下挖式消力池池深、池长按下列公式计算：

(12)

式中：d为池深，m；σ为水跃淹没度，取σ=1.05；h2为池中发生临界水跃时的跃后水深，m；h1为消力池出口下游水深，m；△Z为消力池尾部出口水面跌落，m；Q为流量，m3/s；b为消力池宽度，m；φ为消力池出口段流速系数，取0.95；L自由水跃的长度，m。

经计算太平沟水库下游消力池计算参数及成果见表7。

表6 下游标准尾水渠设计成果表

表7 消力池计算参数及成果表

结论：现状消力池池长、池深均满足规范要求。

4.2.3 溢洪道边墙稳定复核

太平沟水库无施工资料，现状左侧边墙经现场检查，没有断裂倾斜现象，故认为边墙是稳定的。右侧无边墙，需要重新砌筑边墙[5]。

4.3 输水洞复核

1)输水洞输水能力计算：

(13)

输水洞布置在大坝左侧埋铸铁管，直径300mm，管道长45m，管底进口高程8.0m，管底出口高程7.7m。出口设管理房，内设闸阀控制流量。

按有压流隧洞泄流计算公式：

(14)

(15)

式中：μ为流量系数；ω为洞出口断面面积；H为管路出口断面中心与上游水面的高差；λ为沿程阻力系数；d为隧洞直径；ζ为隧洞的局部能量损失系数；l为隧洞的长度，l=45m。

∑ζi=进口0.5+出口0.81+阀门0.05=1.36

输水洞水位-泄量关系曲线见表8。

表8 输水洞水位—泄量关系曲线表

2)输水洞结构计算：输水洞下游消力池完好，现状没有破坏现象，满足正常输水消能防冲要求，但输水洞出口排水渠道紧靠坝脚，给大坝安全带来隐患，需更改出水线路。闸阀有漏水现象，需更换。输水洞管理房已不能正常运用，需重建。

5 结 语

太平沟水库总库容37.94万m3，本设计主要从大坝主体、溢洪道及输水洞三方面着手,通过对大坝主体的渗流和坝体稳定的复核完成了对水库的除险加固的设计。该设计目标明确、经过计算, 满足规范要求。

[1]秦立雁,杨革,孙维.刍议黑龙江省水库病险成因分析与对策[J].黑龙江水利科技，2010(01)：67-68.

[2]刘金岩.庆丰水库大坝除险加固研究[J].大连理工大学，2012 (S1)：101-102.

[3]姚小丰,胡长江.水库大坝除险加固工程设计探究[J].河南水利与南水北调，2013(02)：39-40.

[4]姚小丰,胡长江.黄泥田水库洪水复核方法分析[J].黑龙江水利科技，2013(08)：16-18.

[4]黄立华,李钧,清水河水库大坝安全分析[J].赵燕.中国农村水利水电，2011(08)：27-29.