杨冬冬

（宜川县水利工作队 陕西 宜川 716200）

1 工程简介

刘庄水库位于仕望河上游西川河支流丁盘沟上的刘庄村。该水库枢纽工程由大坝、溢洪道和输水洞三部分组成。大坝为黄土均质土坝，坝顶高程1120.0m，坝高23.0m，坝顶宽 4.0m，最大底宽 122.5m，坝顶长240.0m，迎水面坡比自上而下分别为1∶2.4、1∶3.0，背水坡坡比自上而下分别为1∶2.4、1∶2.5。溢洪道设于坝右侧，为河岸开敞式，全长94.5m，由宽顶堰、陡坡段组成，堰宽17m。最大泄洪能力70m3/s，堰顶高程1117.3m。输水洞位于大坝右岸，由卧管、涵洞组成。卧管为1.20m×1.0m矩形断面，比降1:2，放水台阶高0.35m，最下一台是单孔，其余都是双孔，孔径0.25m，涵洞为拱形，进口高程1104.9m。

2 放水洞及放水塔工程地质条件

放水洞位于坝体右侧，进口高程约为1104.9m，其从坝体右侧中穿过，为浆砌石洞体，洞内砌石完好，无砼剥落及裂缝等不良地质现象。

目前，放水设施为卧管放水，本次除险加固拟拆除毁坏严重地卧管，并在卧管位置设置放水塔，放水塔地基岩性为砂岩及泥页岩，高程为1102m～1102.5m，基岩面为斜坡状，强风化厚度为1m～3m，建议采用砼桩基础，基础深入基岩面以下3m～5m，弱风化砂岩地基承载力2.0MPa，泥页岩承载力1.0MPa。

3 除险加固工程建设的必要性

刘庄水库是该县重大的水利枢纽工程。刘庄水库1970年由宜川县水电局勘测，由于处于十年动乱时，属“三边”工程，系民工施工，缺乏质量监测手段，工程质量无法保证，也无正式档案资料可查，使水库投入运行后无法正常蓄水运行，存在较多病害和险情，特别是坝坡塌岸、溢洪道失效等直接威胁着大坝安全。该坝一旦失事，将危及下游居民、田地、道路的的安全。综上所述，该除险加固工程的建设是非常必要的。在长期的使用下，防水洞放水卧管右侧受库水冲刷，出现滑塌、沉陷、渗漏，严重威胁放水卧管的安全，需要对其设计进一步进行完善。

4 设计径流计算

4.1 大村水文站径流资料

4.1.1 资料审查

对收集到的仕望河大村水文站1959年～2000年实测年径流资料系列进行审查，未发现不合理现象。

4.1.2 大村水文站径流的还原计算

大村水文站1959年～1980年径流资料的还原直接采用《延安地区水文手册》的计算成果，1981年～2000年径流资料还原按水资源评价细则进行。

经计算，大村水文站42年还原水量平均为0.03×104万m3，占实测年径流量的3.8%，占天然年径流量的3.7%。

4.1.3 大村水文站年径流频率计算

将还原后的径流系列，用算术平均法求均值，用矩法求变差系数Cv，经计算机程序计算，目估适线，大村站年径流多年平均值为 0.807亿 m3，Cv值为 0.57，Cs/Cv=3.0。计算结果见图1。Cv=0.57，Cs/Cv=3.0，平均值=0.807。

4.2 刘庄水库径流计算方法

根据流域资料的完整程度，选用水文比拟法与等值线图法。

4.2.1 水文比拟法

刘庄水库所在河流下游设有大村水文站，流域面积2141 km2，多年平均径流量8070×104万m3，面平均雨量610mm。下式为计算刘庄水库面平均雨量580mm时的径流量：

式中：W刘、W参——刘庄水库、参证站多年平均年径流量，104m3；

F刘、F参——刘庄水库、参证站控制集水面积，km2；

H刘、H参——刘庄水库、参证站面平均雨量，mm。

图1 大村站年径流量频率曲线

表1 刘庄水库设计频率年径流量成果表 单位：104 m3

表4 放水洞泄流能力表

图2 放水洞泄流能力曲线

经计算，刘庄水库多年平均年径流量为358×104m3。

4.2.2 等值线图法

查“九五”国家重点科技攻关项目——《陕西省地表水资源调查评价研究》的多年平均径流深等值线图，刘庄水库重心处的径流深为35mm，则刘庄水库多年平均年径流量为350×104m3。

4.3 刘庄水库年径流成果选用

从以上2种方案的计算结果可以看出，水文比拟法和等值线图法算得刘庄水库设计年径流量结果，基本一致，相差很小，说明结果可信。由于大村水文站属于刘庄水库本流域站，故选用该值，即刘庄水库坝址处多年平均年径流量为358×104m3。

4.4 刘庄水库设计频率年径流量计算

由陕西省“九五”国家重点科技攻关项目查得，刘庄水库年径流变差系数Cv=0.45，Cs/Cv=3.0，求得刘庄水库设计频率年径流量见表1。

5 放水洞存在的问题和改进措施

由于水库修建时期较早，施工技术、设计理念都比较落后，设计的放水洞结构比较简单。放水洞管材也主要使用混凝土管材，使用现场浇筑管承插口连接的方式进行连接，经过长期使用，出现了渗漏、滑塌、沉陷等问题。

5.1 放水洞存在的问题

（1）放水洞的浸润线升高导致渗流量变大

防水洞施工时，主要使用塑料管、钢管、玻璃管等施工材料，为了对原放水洞的断面进行保留，原放水洞和套管之间的距离都很近。由于使用水泥进行灌注施工，在凝固的过程中，水分会不断析出，所以，灌浆的密实度都无法保证。水泥凝固后会在外管和内管之间的孔隙形成空腔，当水库水位较高时，产生的压力也会增加，水流会顺着管道漏水位置渗入坝体。不管什么位置出现漏水情况，在水位压力的影响下，渗漏点都会成为渗水的源头，这些源头会使防水洞附近坝体的浸润线升高。此外，在长期渗水的影响下，会带走水泥中的钙质溶解，并且也会因为反滤层差，将筑坝材料中的一些细小颗粒带走，从而导致渗水量不断增加，出现流土、滑坡等情况，对坝体的安全造成了较大的影响。

（2）改变了防水洞的工作状态

由于防水洞的管道结构长时间保持有压状态，在水压荷载的长期影响下，管道结构相对薄弱的地方就会因疲劳而遭到破坏，一些小的渗漏都会逐渐变成大的渗漏点。长此以往，势必会影响放水洞的安全使用，威胁下游居民的生命、财产安全。

（3）土体力学指标改变

包括土体内摩擦角、粘聚力等所有会影响坝体稳定性的土体力学指标都会在饱和状态下降低。浸润线被抬高后，会使一部分大坝坝体保持在饱和的状态，会使粘聚力和内摩擦角降低，影响大坝坝坡的稳定。导致坝坡的稳定安全系数降低，影响坝坡的稳定性。通常情况下，如果土坝背水坡的坡度陡，将坡比控制在1∶2～1∶2.5。对于背水坡可能出现漏水点的放水洞，会影响坝坡的稳定性，特别是一些安全系数不高的土坝，在抬高浸润线、放水管漏水的情况下，都会对坝坡区域的稳定性造成影响。

（4）振动问题

放水管在运行过程中，开启和关闭控制闸门时，水流会对放水管产生冲击力，在冲击力的影响下，会导致管壁和闸门的压力增加。此外，由于压强的波动幅度大，会使管道产生振动，影响管道内管和外管灌浆材料。同时也会对管道四周的土体造成影响。长此以往，会使管道四周的土体牢固度降低，导致管道出现破裂，出现流土安全事故。

5.2 放水洞改造设计

5.2.1 放水洞改造方案

根据径流量的具体情况，考虑到原放水洞进口为卧管式进口，与溢洪道进口重叠。当溢洪道泄洪时，卧管无法正常启闭，不能保证对宜川县城的正常供水，需对放水洞进行改造。为避免放水洞进口与溢洪道重叠布置的情况，拟对放水洞的进水口进行改造。

5.2.2 进水口改造设计

受坝前坝坡与右岸岸坡地形条件限制，原卧管进水口不宜再改造修缮，需拆除原进口，将其改为竖井塔式进水口，与涵洞相连接。

（1）放水塔选型。放水塔选用圆形钢筋砼结构，壁厚0.5m，内径2.5m，塔高15.1m，设0.8m×0.8m铸铁闸门2个，分工作闸和检修闸，闸门启闭采用LQD:10kN手电两用镙杆启闭机。放水塔基础顶面高程为1104.9m，基础底面高程为1101.05m，基础采用砼浇筑，上部为C20钢筋砼，厚1.2m，下部浇筑C10砼，最小厚度为2.0m，最大厚度为3.2m。塔顶高程1120.00m与坝顶相同，其上建有启闭机房。

（2）进水段设计。进水口采用平底喇叭口，进口段圆弧半径1.2m；闸室段为0.8m×0.8m方型；渐变段长1.0m，其上设负压消除孔，采用φ200mm钢管。

5.2.3 放水塔工作桥设计

在放水塔与大坝坝顶之间设一跨钢筋砼工作桥，桥长为20.0m，桥面宽1.5m，桥梁采用现浇C30钢筋砼T型梁，桥一端搭在塔壁钢筋砼牛腿上，另一端座于大坝坝顶桥台上。

5.2.4 塔基应力校核

（1）塔基基岩承载力确定

塔基岩石f0=2000kPa，基本值修正系数ψf=0.95，fk=1900kPa，塔基承载力设计值为f=2146kPa。

（2）塔体自重及荷载

塔体为圆形钢筋砼结构，外径φ=3.5m，壁厚δ=0.5m，高H=15.1m，自重G1=2200 kN，塔上荷载F=50 kN，塔壁塔接桥自重G2=（200+180）kN。

（3）塔基应力校核

塔基为偏心受压结构，基础形心偏离圆塔中心L=0.26m，△M=58kN·m，合力偏心距为：

地基承载力按Pmax（min）=（F+G）/A（1±6e/b）计算：

根据以上计算结果可知，受桥重的影响，塔基在最不利荷载为偏心作用力下的最小应力为正值，没有出现拉应力；最大压应力小于地基承载力设计值，说明塔基设计合理，安全可靠。

5.2.5 放水洞泄流能力复核

泄流能力按堰顶水位1116.8m时，不同开启度条件下，孔口泄流计算结果见表4及图2。

本工程改建方案是在拆除原有放水洞进口卧管基础上加固重建进水塔，过水能力能够满足灌溉等其它用水及今后发展的要求，在使用中可依据用水要求，按图2放水洞泄流能力曲线制定闸门控制计划。

6 放水洞进口改造施工措施

放水洞进口的改造需将水库放空，在修筑围堰后进行。基坑内的淤泥开挖采用人工进行。进水口混凝土由0.4m3移动式混凝土拌合站拌制，沿溜槽入仓。卷扬式钢闸门的安装由10t的轮胎式吊车吊装就位。通向放水塔的工作桥采用现浇钢筋砼结构。由于放水塔砼浇筑施工期安排在12月～1月，当地气温在5℃～-8℃之间，属于冬季施工，应做好冬季施工准备，具体方法如下：

（1）对拌和水加热，水温不宜超过60℃。砼拌和前，应用热水对拌和机进行冲洗，拌和时间延长50%左右。

（2）各种运输设备，在工作结束时，必须立即用热水将其冲洗干净，恢复运输时，应首先对运输设备加热。

（3）冬季砼浇筑采用蓄热法，蓄热法是冬季施工中最简单、最经济的措施，此法不需另外设置砼加热设备。

（4）采用蓄热法施工的砼模板应为保温模板，砼浇筑完毕应立即将其顶面用保温材料覆盖。

（5）砼浇筑是在水库河床内进行，应做好防风措施。

7 结语

综上所述，我国早期修建的水库经过多年的使用，均出现了比较严重的老化现象。在各种因素的影响下，放水洞结构受到了破坏。对水库的泄洪能力造成了一定的影响。本工程根据刘庄水库的实际特点，将原有的放水洞进口拆除，并对进水塔进行了重新加固，过水能力达到了以后的使用要求，具有一定的借鉴价值。陕西水利

[1]中华人民共和国水利部.GB502201-94防洪标准[S].北京:中国计划出版社，2010.

[2]江苏省水利勘测设计研究院.SL265-2001水闸设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2011.

[3]中华人民共和国水利部.GB50288-99灌溉与排水工程设计规范[S].北京:中国计划出版社，2009.

[4]水利部长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.SL285-2003、水利水电工程进水口设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2013.