小望海水库提高防洪标准的方案比选与工程设计

2017-05-17孙继会

水利科学与寒区工程 2017年3期

关键词：望海坝顶溢洪道

孙继会

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110166)

小望海水库提高防洪标准的方案比选与工程设计

孙继会

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110166)

辽宁省营口市鲅鱼圈区的小望海水库由于年久失修，长期处于带病运行状态，亟需进行除险加固。文章结合小望海水库的现状，提出三个提高防洪标准的可行方案，然后经泄流、调洪演算和坝高等试算和比选，确定了提高防洪标准的最优方案，并对相应的溢洪道工程设计进行了简要阐述。

小望海水库；除险加固；方案比选

1 水库概况

小望海水库位于营口市鲅鱼圈区小望海村境内的沙河上，控制流域面积约15.34 km2，是一座集防洪、灌溉和供水功能为一体的小Ⅱ型河道水库。水库下游分布有宋家屯、龙王庙和芹菜洼等三个行政村，人口8300余人，耕地近340 hm2，地理位置十分重要。小望海水库于20世纪70年代建成投运，现状正常蓄水位27.94 m，相应库容为17.3万m3。

小望海水库的主要水工建筑物为大坝、溢洪道和输水隧洞。其中，水库的大坝为均质土坝，为近似东西走向布置，坝顶高程29.3 m，坝长257.4 m，最大坝高17.5 m，坝底宽28.4 m。水库的溢洪道位于大坝的左坝肩，进口为埋设的DN800混凝土管道，进口高程27.94 m，溢洪道主体部分全长69 m，为土质明渠，底宽6.5 m。输水洞位于大坝右岸，进口高程为20.70 m，洞身为坝下埋管，进口处设有控制闸门，最大泄流量为0.5 m3/s。

2 水库现存的问题与加固的必要性

水库大坝为均质土坝，现状大坝的坝顶坑洼不平，迎水坡面的浆砌石和卵石护坡残缺破损严重，背水面缺少排水设施，局部有较大的冲沟。由于水库修建时没有对坝基进行彻底清基，坝基部分区域存在2.3～5.6 m厚的卵石层，为中等透水性，成为大坝坝基渗漏的主要通道。水库的溢洪道在村级公路修建过程中被填埋，仅在道路下面布设了一条混凝土管，严重影响了溢洪道泄流能力。溢洪道的泄槽为土质明渠，坡度较大且出口没有消能结构。水库的输水洞控制闸门已经损坏，且洞身渗漏严重。水库的防洪能力未能达到《防洪标准》(GB 50201-2014)规定要求[1]。

小望海水库下游村庄密集，人口众多。水库建成以来，在灌溉和防洪方面曾经发挥了重要作用。经过多年运行，该水库的病险情况日趋严重，不仅影响到水库效益的发挥，还给下游带来了一定的防洪安全隐患。对水库进行除险加固，提高防洪标准已经刻不容缓。

3 提高防洪标准的方案比选

3.1 设计方案比选

根据小望海水库的安全鉴定结果，其现状防洪能力未能达到20 a一遇的设计洪水标准。提高小型水库的防洪设计标准，主要有以下两种工程措施：一是通过加高大坝增加水库库容，进而提高水库的整体调蓄能力；二是对现有的溢洪道进行改造，提升水库的下泄能力[2]。结合水库大坝和溢洪道现状，本次设计溢洪道进口混凝土管拆除并拓宽、下挖，提出如下三个预选方案。

3.1.1 方案一

仅对溢洪道进口部分进行深挖，深挖后的溢洪道进口高程26.2 m，底宽设计为6.0 m，边坡坡度为1∶0.1。为了不影响交通，在溢洪道进口处新建一座跨度为8 m的交通桥，对溢洪道泄槽进行衬砌处理，提高溢洪道的过流能力。该方案预计投资36.2万元。

依据宽顶堰公式进行泄流计算，计算公式如下。

(1)

式中：Q为流量，m3/s；m为宽顶堰流量系数；σs为淹没系数；ε为侧收缩系数；B为总净宽，m；H为堰上总水头，m；g为重力加速度，m/s2。

计算获得的水位与泄流量之间的关系如表1所示，调洪演算成果如表2所示，由计算结果可知，在遭遇200 a一遇洪水的情况下，坝前最高水位为28.81 m，低于坝顶的最低高程29.3 m，坝顶高程符合防洪要求。该方案的优势是开挖占地面积不大，溢洪道口的桥梁工程规模较小，整体投资费用较小；缺点是溢洪道下挖会降低水库的兴利库容，施工期间会对溢洪道进口交通造成较大影响。

表1 方案一水位泄量关系计算结果

表2 方案一调洪演算成果

3.1.2 方案二

对溢洪道进口适当下挖，下挖后的进口高程设计为27.2 m，将底宽拓宽至16 m，溢洪道边坡坡度设定为1∶0.1。在溢洪道进口处新建一座总长18 m的3跨交通桥，对溢洪道泄槽进行衬砌处理，提高溢洪道的过流能力。该方案预计需要投资62.4万元。计算获得的水位与泄流量之间的关系如表3所示，调洪演算成果如表4所示，由计算结果可知，在遭遇200 a一遇洪水的情况下，坝前最高水位为28.76 m，低于坝顶的最低高程29.3 m，坝顶高程符合防洪要求。该方案的优势是具有较大的兴利库容，施工对溢洪道口交通的影响较小；缺点是溢洪道进口较宽，需要较大的开挖占地面积，新建桥梁工程较大，总体投资较大。

表3 方案二水位泄量关系计算结果

表4 方案二调洪演算成果

3.1.3 方案三

对溢洪道进口适当下挖，下挖后的进口高程设计为27.2 m，将底宽拓宽至10 m。为弥补溢洪道泄流能力不足，在坝顶新建防浪墙，溢洪道边坡坡度设定为1∶0.1。在溢洪道进口处新建一座总长12 m的2跨交通桥，对溢洪道泄槽进行衬砌处理，提高溢洪道的过流能力。计算获得的水位与泄流量之间的关系如表5所示，调洪演算成果如表6所示。由计算结果可知，在遭遇200 a一遇洪水的情况下，坝前最高水位为29.19 m，低于坝顶的最低高程29.3 m，经过坝顶超高计算，坝顶高程应为29.72 m，所以防浪墙高程设计为29.8 m即可满足要求，该方案预计需要投资46.4万元。该方案的优势是具有较大的兴利库容，开挖占地面积相对较小，施工对溢洪道口交通的影响较小；缺点是需要在坝顶新建防浪墙，总体投资较大。

表5 方案三水位泄量关系计算结果

表6 方案三调洪演算成果

对以上三种方案的优缺点进行对比分析，结合经济实用的原则，为了尽量增加兴利库容，同时尽量减少投资，本次研究推荐方案三作为除险加固施工中提升水库防洪标准的方案。

3.2 溢洪道工程设计

3.2.1 进口段设计

根据设计方案三，溢洪道进口段底部高程为27.20 m。交通桥上游两岸采用C20混凝土构筑八字斜降挡土墙结构。挡土墙的迎水面坡度设计为1∶0.5，背水坡面的坡度设计为1∶0.3。挡土墙的顶宽0.5 m，基础埋深0.8 m。进口段底部采用厚度为20 cm的C20混凝土护砌。

3.2.2 泄槽段设计

在主体段施工中为减少土方开挖，在部分溢洪道泄槽段的两侧采用C20混凝土仰斜式挡土墙结构，迎水面坡度为1∶0.5，墙背坡度为1∶0.2，挡土墙的顶宽设计为0.3 m，基础埋深 0.6 m；其余部分采用C20混凝土重力式挡土墙，其中迎水面为直墙，背水面坡度为1∶0.3，挡土墙的顶宽设计为0.3 m，基础埋深0.6 m，底部采用厚度为20 cm的C20混凝土护砌。

3.2.3 出口段设计

消能方式设计为底流消能，采用综合式消力池进行消能。依据《溢洪道设计规范》(SL 253-2000)中的相关计算公式进行设计参数计算，设计消力池长取8 m，池深1.2 m，池底板厚度为0.5 m[3]。