曾爱军
连平县水利水电勘测设计室 广东连平 517100
摘要：我国大部分小型水库由于建设年限较早，再加受限于当时的技术水平，存在着不同程度的老化及破毁问题，运行过程中存在着较大的安全隐患因此，对小型水库除险加固势在必行。本文针对某小型水库主要建筑物中存在的问题进行了分析，并详细阐述了对该水库主要建筑物的加固设计，供类似工程参考。
关键词：小型水库；主要建筑物；加固设计
0 引言
小型水库为我国的农业生产和国民经济的发展作出了巨大的贡献。然而，我国大部分小型水库修建于上世纪50年代到70年代，限于当时的设计条件，技术条件和社会背景，再加上经过半个世纪的使用，已经出现了不同程度的病害，影响了当地的水利稳定以及安全。因此，对这些小型水库进行加固势在必行。
1 工程概况
某水库始建于1970年，1975年建成并蓄水运行。原设计总库容50万立方米，有效库容40万立方米，死库容10万立方米，现已淤积18万立方米，有效库容为32万立方米。大坝原设计为均质土坝，坝高28米，坝顶长130米。正常水位100米，设计洪水位101.13米，校核洪水位102.11米，死水位88.5米，是一座以农田灌溉为主，兼有防洪、养殖、林业等功能的Ⅴ等小（Ⅱ）型水库。该水库坝址以上控制流域面积3.84平方千米，坝址以上沟道长度2.38千米，比降35.8‰，水库坝址以上流域地形由骊山丘陵区和黄土台塬区两部分组成。流域内植被覆盖率低，水土流失较为严重。根据水库淤积量及淤积年限计算，多年平均输沙模数达3480吨每平方千米。水库处于秦岭山前黄土台塬丘陵区，渭河一级支流零河支沟涝池河上游。黄土塬塬面被分割的支离破碎，沟谷纵横。沟谷下切严重，切割深度50m～70m，沟道狭窄，呈“V”型沟，沟底宽10m～30m，斜坡坡度在25°～55°，坡体较稳定。
2 工程存在的问题
经过对水库监测资料分析、现场安全检查、工程质量监测及地质勘查等综合考量，该水库主要建筑物存在以下问题：
（1）坝体：坝体工程基本完整，但是，①迎水坡风浪冲刷淘空严重；②背水坡杂草丛生，坡面不平整，左坝肩放水洞出口以下出现30m2塌坑一处。
（2）溢洪道：溢洪道建筑物损坏达70%，严重堵塞，行洪不畅。施工缝杂草丛生，底板大面积毁坏，而且溢洪道进口已成为右岸村民行走的道路，滑落泥土严重阻塞了溢洪道行洪的畅通。
（3）放水设施：卧管损毁达90%，且现在的卧管全为砖砌，严重影响了大坝蓄水。坝后灌溉渠道的衬砌已有部分毁坏及断裂，从放水洞出来的水经过很短的一段灌溉渠后直接从断开处下落至坝体背水面，影响坝体安全。
（4）管理设施及防汛设施：水库原管理房已被当地政府拆除。目前，仅有养殖户的两间简易房，无法满足水库管理需要。管理人员不足，资金困难，管理工作粗放，大坝观测工作没有开展。水库无管理站房和防汛设施，无照明线路，通信设备，抢修道路不畅。
（5）现仅有2m宽的上坝土路，未硬化，坡陡弯急，防汛抢险重型车辆无法到达坝顶，严重影响防汛抢险工作的开展。
3 主要建筑物加固设计
3.1 大坝加固设计
设计对迎水坡坡面进行干砌石砌护，厚度30cm，自上而下坡比为1∶2.52、1∶3.97，干砌石下设30cm厚砂砾石反滤层。干砌石砌护至坝前淤积面，护坡底部设M7.5浆砌块石护基，高度1m。
坝顶现状高程为102.40m，为解决坝顶高程低于103.18m的设计坝顶高程0.78m的问题，本次设计在坝顶迎水侧增设0.78m的浆砌块石防浪墙一道，墙厚0.35m，迎水面进行M10防水水泥砂浆抹面，厚度2cm。现状坝顶宽度2.2m～2.6m，不满足规范要求的宽度，本次设计为满足通行需要，将坝顶加宽至5m，坝顶设20cm厚泥结石路面，并在背水侧设C20砼排水沟一道。
为解决背水坡杂草丛生，坡面不平整，左坝肩放水洞出口以下出现10×3m2塌坑等问题，本次设计对背水坡重新整修、培厚，坝顶路加宽至5m，在坝顶修防浪墙或是培高坝顶至103.18m高程，在高程91.2m处修建1.5m的马道。重修排水棱体，以确保坝体安全，防止渗水恶化，整修灌溉渠道，并对1995年大坝开挖回填的土方工程重点观测。
3.2 溢洪道加固设计
3.2.1 设计计算
根据《溢洪道设计规范》DL/T5166-2002，衬砌高程为计算水面线加0.5m～1.5m超高。本次设计原则按设计水面加高1m，校核水面加高0.5m。
（1）宽顶堰水力计算
溢洪道进口为开敞式宽顶堰，根据宽顶堰流量计算公式，溢洪道进口的泄流能力按下式计算：
设计条件：
校核洪水位：102.32m，下泄流量：42m3/s；
设计洪水位：101.38m，下泄流量：18m3/s；
进口高程：100m。
对校核洪水位及设计洪水位情况分别进行水力计算。
泄槽水面线计算：
式中，d——消力池深度，m；
σ0——水跌淹没系数，采用1.05；
hc”——跌后水深，m；
hc——收缩水深，m；
α——水流动能校正系数，采用1.0；
q——单宽流量，m3/s；
φ——流速系数，取0.95；
T0——由消力池底板顶面算起的总势能，m；
ΔZ——出池落差，m；
hs’——出口河床水深。
通过计算得出消力池长16m，池深度为1.7m，现状消力池长22m，池深1.8m，故消力池满足要求。
溢洪道水力复核计算结论：桩号0+00～0+026.05m现状渠道无砌护，本次设计新修砌护；桩号0+26.05m～0+65.97m现状渠道基本完好，本次设计仅对砌护顶加高，需加高0.74m～1.28m；桩号0+65.97m～0+108.62m、0+130.62m～0+180.95m，现状渠道损坏严重，本次拆除重新砌护；桩号0+108.62m～0+130.62m，现状消力池埋于地下，本次设计拆除重建；桩号0+180.95m～0+206.19m现状渠道基本完好，本次设计维持原状。现状一级消力池满足消能需要池长22m，池深1.8m，本次设计清淤厚拆除重建，保持原有尺寸不变。
3.2.2 加固后溢洪道的布置
溢洪道加固后布置与原状大致相同。加固后的溢洪道由宽顶堰、第一平流段、第一泄槽段、消力池、第二平流段、第二泄槽段、全长206.2m。
溢洪道进口底板高程99.82m，进口段和平流段底板采用C20混凝土，厚15cm；第一泄槽段采用C20钢筋混凝土，厚15cm，下设30cm的砂石垫层；消力池采用C20钢筋混凝土，厚50cm；边坡砌护均为C20混凝土，厚15cm，坡度均保持现状。
溢洪道进口已成为右岸村民行走的道路，滑落泥土严重阻塞了溢洪道行洪的畅通，所以本次设计在进口段新修一人行便桥，宽1.9m，长12m。桥梁采用C30钢筋混凝土，桥台用M7.5浆砌块石砌筑。对右岸的滑坡体进行削坡卸载，滑坡体治理长度76m，平面面积1700m2，自105m高程起，每5m设一2m宽戗台，戗台外侧设置C20混凝土横向排水沟，戗台向上以1∶1坡比进行开挖削坡，植草护坡。排水沟设计流量0.2m3/s，设计比降0.5%，向南北行排入溢洪道上、下游，纵横向排水沟总长385m。
3.3 放水设施加固设计
3.3.1 放水工程水力计算
（1）卧管的水力计算
卧管进水孔尺寸按下式计算：
式中，Q——进水流量，Q=0.6m3/s；
H——库水位至孔口的水深，H=0.4；
ω——孔口近流面积，m2；
μ——流量系数，μ=0.62；
g——9.81m/s2；
D——卧管进水口直径。
故采用进水孔直径D=0.4m。
卧管的断面尺寸首先按检修要求拟定，然后用通过的流量和卧管的坡度进行计算，若计算尺寸小于拟定尺寸，采用拟定尺寸，若计算尺寸大于拟定尺寸，采用计算尺寸，设计时一般以加大流量Q来计算。
加大流量这里取Q=1.0m3/s，已知加大流量后卧管断面尺寸按下式计算：
式中，h'——第一共轭水深，m；
h"——第二共轭水深，m；
b——卧管宽度，m；
α——系数，采用1.1；
Q——卧管中的加大流量，m3/s；
g——重力加速度，g=9.81m/s2。
消力池深度d0=1.25（h"-h0）。其中h0为坝下输水洞的正常水深。消力池长度按LK=5h计算深度比计算值取得为h。消力池宽度b0=b1+0.4，故消力池的长是6.5m，宽1m，池深0.9m。
3.3.2 卧管改造
原水库卧管为砖砌筑卧管，共13阶，严重影响大坝蓄水。本次设计把原来卧管拆掉重修。对卧管用钢筋砼浇筑修建，进口改建为简易闸门控制，每三级卧管设置一道铸铁闸门，卧管一侧布设1m宽C15砼踏步，踏步外侧设置一排不锈钢栏杆。卧管共29阶，坡比为1∶2。
3.3.3 坝下放水涵管改造
原水库大坝下设计埋设2根管径28cm的混凝土预制放水管道洞底比降为1％，设计下泄流量0.6m3/s。1995年由于淤积堵塞，大坝承包户对大坝私自开挖并清理管道堵塞物后，在原混凝土管道内又套装了两根直径20cm的钢管作为坝下涵管。
本次设计首先对现状坝下涵管过流能力进行了复核，按照n＝0.011，充满度75％进行计算，结果表明目前该水库坝下钢管过流能力为0.064m3/s，不满足原设计流量。加之由于目前管道直径小，清淤、管理都不方便，因此，本次设计拟对现坝下涵管进行更换。
对坝下放水涵管改造提出顶管方案，即在现放水管道东侧2m新顶进一根直径1000mm的PCCP钢筒混凝土管，管道上游与新建卧管相接，下游与灌溉管渠相接，并对现状放水涵管两头进行混凝土封头堵塞。
3.3.4 坝后灌溉渠道改造
目前，该水库坝后放水管出口下游渠道为土质梯形明渠，明渠右岸距离山坡约0.5m，长度约90m，渠道开口宽度不足1m，深度不足0.5m，淤积较严重，过流能力约0.4m3/s，不满足0.6m3/s的设计流量，且在放水管出口33m至38m之间的渠道由于左岸山体滑坡已经断开，无法向下游送水灌溉。
本次设计对该段渠道提出了改造方案，渠道线路仍按照现状走向不变，总长度94.36m。对现状渠道进行加宽清淤，对渠道垮塌的部分增设架空钢管，钢管直径为1m，壁厚10mm，钢管长度5.6m。
4 结语
综上所述，小型水库在其所处地域内承担着很重要的水利职能，并对当地的农业生产和国民经济的发展有着重要作用。因此，相关设计人员在进行小型水库加固设计的过程中要进行详细的数据分析，以及精确的计算，认真做好每个设计环节，保证小型水库除险加固设计工作的顺利完成，保证水库正常运行。
参考文献：
[1]肖秀芹.小型水库除险加固设计中存在主要问题及其对策[J].科技创新导报.2014（09）
[2]王立涛.关于小型水库除险加固设计的探讨[J].科技展望. 2015（07）
论文作者:曾爱军
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2016/3/16
标签：水库论文; 溢洪道论文; 高程论文; 流量论文; 洪水位论文; 涵管论文; 现状论文; 《基层建设》2015年20期供稿论文;