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灌区除险加固工程设计研究,水库除险加固工程

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灌区除险加固工程设计研究,水库除险加固工程

[摘要]文章以辽宁某灌区节制闸和分水闸的除险加固工程为实例,介绍了本工程的主要设计及施工方法,为以后类似的工程提供了必要的技术参考。

下面是本网给大家带来关于水库除险加固工程的分析与设计相关内容,以供参考。

[关键词]灌区;节制闸;分水闸;除险加固

水库在防御洪水灾害和保障国民经济建设上发挥了不可替代的作用。但由于使用年限的增加及本身施工质量不理想等原因,有些水库工程存在较严重的安全隐患,成为了带病运行的水库。因此,对现有水库开展除险加固工作,进行除险加固设计,在保证下游人民生命财产的安全和充分发挥水库的效益,不仅非常必要,而且十分迫切。

2015年12月15日,国家统计局调查结果显示:辽宁省粮食年产量为200.25亿kg,比上年增加24.85亿kg,增幅居全国首位。从2010年以来,辽宁省政府每年会安排超过400亿元的专项资金用于农业水利建设,其中,灌区建设被放在了重要位置。目前,我国拥有各类灌区超过1000多万处,但这些灌区大都修建于20世纪50~70年代,年久失修严重,辽宁省内也存在该问题。因此,加强灌区除险加固作业已成为保证该省农业顺利健康发展的重要路子。

1.水库工程实例

1工程概况

某水库于上世纪八十年代兴建,是一座以防洪、农业灌溉、城市供水为主的小型水库。坝顶高程1194.10m,上游坝坡1:3,下游坝坡1:2.5。

某灌区地质构造复杂,该灌区区内雨量充沛,水质优良、土质肥沃、温度适宜,是该区域重要商品粮基地之一。灌区设计灌溉面积0.35万hm2,有效灌溉面积0.28万hm2,现有干支渠道长度155km。灌区建设于1969年,由于缺乏资金投入,本灌区渠首得不到及时维护和更新,致使建筑物老化、破损等现象十分严重,直接造成灌区灌溉效益逐年衰减,实际灌溉面积递减,对实施农业开发高标准农田建设、提高当地农业综合生产能力形成制约,亟需更新改造

水库保护着下游人民财产不受洪水侵害,受益人口7500人,保护耕地面积466.7hm2。由于防洪标准提高,未设溢洪道,自身泄洪能力不足,对下游安全存在着潜在的巨大威胁,已成为严重病险水库。因此,实施以增设泄洪设施达到国家防洪标准除险加固工程是非常必要和十分迫切的。

2除险加固的内容及总方案

2.挡水建筑物设计

除险加固内容:①重建水毁节制闸;②重建水毁分水闸,并修建闸后至干渠58m输水渠道;③重建水毁溢流坝。除险加固总方案:综合考虑本工程主要功能为抬高渠首闸前水位,再结合工程投资及工期等因素,本次除险加固设计方案枢纽总布置采用闸坝结合型式。工程主体由节制闸、分水闸及溢流坝三个大部分组成。其中节制闸及溢流坝轴线与102线公路桥平行,轴线总长度300.0m。分水闸布置于拦河闸坝右岸上游10m处,闸轴线与拦河闸坝轴线垂直。

2.1挡水建筑物现状及采取措施

3主要工程设计分析

现状坝体主要填筑土层岩性为含细粒土砂,呈稍密-中密状态,中上部稍湿,下部很湿-饱和,微有塑性,渗透系数5.4×10-4cm/s。因此,主坝坝体存在渗漏问题,且坝体土质表面松散,含草根等杂物,坝坡稳定坡角不够。因此,坝体存在渗漏和稳定影响问题。

3.1溢流坝工程设计。总体结构设计:本项目的溢流坝轴线总长度为289.4m,总体设计结构形式为“浆砌石堰体 20cm钢筋混凝土罩面”。坝顶高程7.1m,与设计正常高拦蓄水位齐平,坝基高程3.5m,坝基底宽7.39m。坝体上下游均设置齿墙,深1.2m,底宽0.6m,齿墙为钢筋混凝土结构,堰基底层设10cm素混凝土垫层。溢流坝每20m设一结构缝,缝间填充2cm沥青浸油木板,并在混凝土罩面部分夹651型橡胶止水带防渗。坝体防渗设计:设计溢流坝上游前端设浆砌石防渗铺盖,尺寸为:长×厚=5.0m×0.8m。铺盖上下游均设置齿墙,齿墙深0.7m,底宽1.0m。坝基前脚下铺5.0m深土工膜垂直防渗,防渗基底高程-2.7m,防渗材料为两布一膜,单位质量500g/m2。对溢流坝前端50m范围内河道清淤,清淤控制高程5.3m,与防渗铺盖齐平。各个结构所用混凝土标准,见表1。消能形式设计:设计本项目溢流坝消能为戽流消能型式,该消能形式具有体积小、长度短、工程量省、施工方便、施工简单、消能效果良好等特点,目前已在辽宁部分地区广泛应用。其具体设计如下:①设计消力戽挑角32°,反弧半径3.0m,戽唇顶高程4.8m,高于坝下河底0.5m,戽底高程4.32m;②消力戽下游设5.0m宽,1.0m厚格宾石笼护脚(双层,单层0.5m),石笼顶高程4.3m,石笼底部铺设300g/m2长丝土工布反滤。石笼护脚末端接20.0m戽流消能预冲段,提供戽流消能空间;③距溢流坝坎后25m处设置透水尾坎,尾坎高0.8m,顶高程5.1m,宽3.5m,上下游各设置一道0.5m厚钢筋混凝土齿墙,为到达防护及透水的双重效果,齿墙上部为锯齿构造,内部填充石笼;④为保护尾坎下游侧已建桥梁,根据公路部门要求并结合工程实际,设总长20m,厚0.3m格宾石笼防护。

2.2坝顶高程确定及其构造

3.2节制闸工程设计。总体设计:本项目共设计节制闸5孔,单孔净宽1.4m,中墩及边墩均宽0.6m,总宽度10.6m。闸室顺水流方向总宽度7.39m,与溢流坝同宽,闸底板前端厚度2.0m,末端与消力池高程过渡段衔接,渐变至1.1m。闸底板上下游均设置齿墙,深1.2m,底宽0.6m。闸底板为钢筋混凝土结构,底部设10cm素混凝土垫层。防渗设计:闸基前端防渗布置与溢流坝相同。设5.0m宽浆砌石防渗铺盖,厚度0.8m,铺盖上下游均设置齿墙,齿墙深0.7m,底宽1.0m。铺盖浆砌石砂浆标号M10。闸基前脚下铺5.0m深土工膜垂直防渗,防渗基底高程-2.7m,防渗材料为两布一膜,单位质量500g/m2。消能形式设计:本项目设计节制闸采用底流消能型式,消力池底板与闸室底板用斜坡连接,斜坡段长为5.6m,坡比为1∶4.0,消力池水平段长13.4m,深0.7m,底板厚0.7m,下铺厚0.1m的C10素混凝土垫层。消力池底板水平段设排水孔,孔径100mm,孔距1.5m,梅花形布置。消力池末端采用0.5m厚格宾石笼防护与透水尾坎相接,石笼顶高程4.3m,石笼底部铺设300g/m2长丝土工布反滤。

1)坝顶宽度及构造。本工程拦河土坝高度为5.6m,属低坝范畴。在确定坝顶宽度时,主要考虑如下情况:

3.3分水闸工程设计。本工程分水闸与原闸相同布置于溢流坝上游右岸10.0m处,由闸室和穿堤箱涵两部分组成,顺水流方向总长12.0m,其中闸室部分长1.0m,穿堤涵洞部分长11.0m,闸轴线与拦河闸坝轴线垂直。分水闸闸室为钢筋混凝土结构,顺水流方向长度1.0m。共分3孔,单孔尺寸为1.0m×1.0m(宽×高),总宽5.0m,中墩及边墩厚度均为0.5m,闸底高程为6.3m。工作桥顶高程9.9m,厚度0.2m。工作桥临水侧设钢结构栏杆。穿堤部分盖板涵,洞身尺寸与闸室相同,共分3孔,单孔尺寸为1.0m×1.0m(宽×高),洞身长11.0m,浆砌石涵壁及底板,底板厚度0.8m,钢筋混凝土顶部盖板,盖板厚度0.2m。为使新建分水闸与灌区干渠相接,箱涵后接58.0m长输水渠道。渠道主体为浆砌石结构,3cm水泥砂浆抹面,矩形断面,宽4.0m,底坡i=2‰。

坝顶无干线公路及铁路通过;地震设计烈度为VI度,无抗震要求;坝顶最小宽度,能满足施工机具通行;顶宽利于管理运用;综合考虑,选坝顶宽度为5m。

4结束语

2)土坝坝坡。土坝的坝坡根据坝型、坝高、坝的等级、筑坝土料的性质,坝基地质条件及施工运用条件等因素,可参照已建工程的实践经验或用近似方法初步拟定,最终经稳定计算确定。

通过本次除险加固改造后,该灌区的主要水利设施得到彻底翻新,经济社会效益显著,输水灌溉能力提高了20%,同时也大大减轻了管理人员的工作负担。在水利设施除险加固设计时,应充分了解现场实际情况,充分利用原有水利设施,在保证各方面指标符合要求的前提下节约工程投资,真正的做到因地制宜。

2.3护坡及坝面排水

1)上游护坡。上游护坡采用C20混凝土护坡,从坝顶起到下部死水位以下1.5m。根据计算,结合《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)规定,土坝上游护坡厚度采用0.2m,其下铺设20cm厚中粗砂过渡层。纵、横缝间距10m,填缝材料为沥青混凝土。

2)下游护坡。下游护坡为草皮护坡。

3)坝体排水。考虑便于施工、利于维修,本工程选择贴坡式排水体。

4)坝面排水。在坝体下游坡设横向排水沟,每50m设一条。排水沟采用混凝土预制,为矩形断面,断面尺寸为0.3m×0.3m,侧墙底板厚0.15m。

3.泄水建筑物设计

3.1工程布置

根据本工程的地形地质条件,结合工程实际应用情况,不适合布置溢洪道及泄洪隧洞来泄洪。

该水库现状泄洪设施为泄洪闸与泄洪洞上下结构布置,上层为泄洪闸,下层为泄洪洞。该水库泄洪闸不能满足泄洪要求,经方案比较和调洪计算,确定泄洪闸净宽为6m,设计洪水位1194.00m时,泄量41m3/s,校核洪水位1195.30m时,泄量113.5m3/s。

泄洪闸底板高程为1190.00m。泄洪闸沿线地层呈岩土二元结构,上部为(Q4al-pl)级配不良砂下部为(k1zh2)细砂岩,不存在地基液化问题,但存在渗透变形影响。

闸室底板垂直水流方向,为两孔一联整体式钢筋混凝土结构。顺水流方向,由于挡水高度低,闸室整体稳定与地基条件,不控制其长度,根据结构布置要求确定。

闸墩采用实体式,中墩外形轮廓设计需满足过闸水流平顺、侧向收缩小及过流能力的要求,上下游墩头均采用半圆形。每孔设一道平板工作闸门,一道检修闸门,两闸门间距2.2m。

闸室上游段设混凝土水平铺盖,翼墙采用八字型式。下游段采用底流式消能,消力池采用下挖式,用斜面与闸室底板连接,斜坡面的坡比为1∶4。在消力池后设海漫和防冲槽。

3.2消能工设计

1)消力池尺寸确定。按照《水闸设计规范》(SL265-2001)所示,经计算,在渲泄设计洪水时,所需消力池深度为1.25m,为安全考虑并利于水流衔接,取设计池深为1.5m。经计算,需消力池长度为14.38m,取为15.0m。斜坡段水平投影长度为6m。斜坡与闸底板连接处用1.0m长水平段进行平顺连接。

2)海漫尺寸确定。经计算,海漫长度为20m。

海漫末端河床冲刷深度计算公式按照《水闸设计规范》(SL265-2001)附录B所示,经计算,海漫末端冲刷深度为7.8m。防冲槽尺寸按工程惯例,采用宽浅式梯形断面结构,槽顶与槽底高差取为2.0m。

3.3上游铺盖设计

铺盖采用材料为混凝土,铺盖长度按渗流分析结果,取其为14.0m。为保证铺盖防渗效果,以及便于施工,铺盖厚度取为0.7m,并做成等厚度型式。上游齿墙深入铺盖下地基深度为1.5m。为保证铺盖与闸室可靠连接及布置止水,下游齿墙深入铺盖下地基深度为1.5m。根据工程经验及规范要求,并结合本工程地基土质情况,铺盖顺水流方向不设永久缝。铺盖与两岸翼墙及闸室结合部,设永久缝,缝宽2cm,内设橡胶止水。

3.4闸室结构设计

1)闸顶高程确定。闸顶高程和坝顶同高。其值为1196.00m。

2)底板尺寸确定。就本工程而言,此长度的拟定需综合考虑了闸墩、闸门、工作桥、交通桥的结构布置需要及水闸运行管理方便等因素,并且保证为宽顶堰流,参照同类型工程设计经验,拟定底板顺水流方向长度为8.5m。底板厚度为等厚,根据闸孔孔径、地基土质,参照以往工程设计,底板材料选为C25钢筋混凝土,厚度为1.0m。

底板上、下游侧均设齿墙,齿墙尺寸按常规选取。根据地基土质及地下水情况,确定齿墙深度为2.0m。

3)中墩、边墩尺寸确定。中墩墩长同底板顺水流方向长度相同,为8.5m,墩厚根据结构及施工方法确定,拦河闸采用平板钢闸门,要求门槽槽深不小于0.25m,从施工角度要求,门槽颈部最小厚度不小于0.3m,综合考虑上述要求,中墩厚度取为1.5m。中墩上下游均采用半圆形墩头结构,直径为0.75m。边墩的结构型式与尺寸与中墩相同。

3.5上下游翼墙设计

上游采用八字型翼墙,为C15混凝土结构。上游翼墙顺水流方向投影长度为14.0m。上游翼墙首端与闸室相接处,因高度在6m以下,故采用重力式结构,顶宽0.4m,外坡坡度为10∶1。

3.6消力池设计

消力池型式采用“下挖式”,平面布置采用等宽型式。消力池首端与闸室相接处,设1.0m宽平台,其后接1∶4斜坡段,斜坡后接消力池水平段,长3.2m。在消力池末端,为便于水流衔接,设消力坎。整个消力池底部铺设0.15m厚C10素混凝土垫层。

3.7海漫设计

海漫采用等宽混凝土结构,由水平段和缓坡段组成。水平段长5.0m,为混凝土结构,厚度为0.2m,浆砌块石与地基土之间铺设0.2m厚的砂层和0.2m的碎石垫层。缓坡段坡率为1∶10,水平投影长度为15m,为干砌石结构,厚0.4m,混凝土下部铺设0.2m厚碎石垫层和0.2厚砂石垫层。

3.8防冲槽设计

防冲槽采用抛石等宽结构,槽顶与海漫缓坡段末端齐平。根据冲坑深度计算,槽深为2.0m,槽底宽度取为槽深的2倍,上下游侧边坡坡率均为1∶3。

4.输水洞工程设计

4.1输水洞工程现状

现状大坝左、右坝肩各设输水洞一座,其结构形式为砖砌体方涵,左侧输水洞尺寸为0.8m×1.0m,右侧输水洞尺寸为0.8m×1.0m。现闸门及启闭设备均已报废,而且结构严重损坏,已无法正常使用。本次除险加固在原输水洞处重建输水洞,其结构形式为钢筋混凝土结构。

4.2右侧输水洞结构设计

新建输水洞仍位于原右侧输水洞处,洞底高程根据地勘及下游灌溉渠道比降确定为1192.40m,涵洞由进口段、闸涵段及出口段组成。

1)进口段。涵洞进口段采用斜降U型槽结构,前缘底宽2.5m,末端底宽1.5m,底板厚0.4m,长5m,进水孔底宽1.0m,孔高为曲线渐变式,孔顶部设钢筋混凝土挡墙。

2)涵闸段。由闸室和涵洞两部分组成,闸孔净宽1.0m,净高1.0m,闸底高程1192.40m,压力涵洞长3.68m,无压涵洞长13.5m。闸室为竖井式,设有工作和检修闸门各一道,闸室段长5m。

3)出口段。出口段由扩散型消力池、混凝土海漫及出水渠三部分组成。涵洞出口与消力池采用1∶4的斜坡连接,消力池长8m,钢筋混凝土结构,池底做d100-PVC排水管,两侧边墙为梯形断面,边坡1∶1.0,浆砌石结构。

4.3左侧输水洞结构设计

新建输水洞仍位于原左侧输水洞处,洞底高程根据地勘及下游灌溉渠道比降确定为1192.50m,涵洞由进口段、闸涵段及出口段组成。

1)进口段。涵洞进口段采用斜降U型槽结构,前缘底宽2.5m,末端底宽1.5m,底板厚0.5m,长5m,进水孔底宽1.0m,孔高为曲线渐变式。

2)涵闸段。由闸室和涵洞两部分组成,闸孔净宽1.0m,净高1.0m,闸底高程1192.50m,压力涵洞长2.7m,无压涵洞长16.49m。

3)出口段。出口段由扩散型消力池、混凝土海漫及出水渠3部分组成。涵洞出口与消力池采用1∶4的斜坡连接,消力池长8m,钢筋混凝土结构,池底做d100-PVC排水管,两侧边墙为梯形断面,边坡1∶1.0,浆砌石结构。

总之,为了确保水库工程应有的效益,对病险水库进行除险加固设计是必要的。在本病险水库除险加固中,通过精心设计,确定了合理除险加固措施,确保了除险加固工程的顺利开展,其设计经验可以作为类似工程的参考。

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