角峪水库的火灾危险性与灭火器配置及节能设计电气设备

角峪水库现状主要建筑物包括均质土坝、开敞式无控制溢洪道、东放水洞、西放水洞。

大坝高16.8m,长1142m,鉴于本次大坝加固主要内容为坝体防渗体系、上下游护坡改建、坝顶防浪墙重建等,所以,工程布置采取现坝轴线位置不变的原位加固方案。

溢洪道位于大坝右岸,为正槽开敞式溢洪道,由引水渠、溢流堰和下游泄槽组成,总长980m,桩号以大坝末端溢流堰处为0＋000,最大泄量391m3/s(本次设计值)。溢洪道主要存在的问题是基岩风化严重,无护砌,无消能工,出水渠段为自然冲沟,过流能力不足,泄洪回水影响坝脚安全。根据鉴定意见,本次溢洪道加固的主要内容是增加闸门调控下泄流量、解决泄槽泄流能力不足、增加消力池,所以,采取现溢洪道位置不变的原位加固方案。

东放水洞位于大坝桩号0＋865处,为浆砌石无压拱涵,埋于坝下,涵洞宽1.0m,墩高1.0m,拱高0.5m,设计引水流量2.0m3/s。放水洞渗漏严重,与坝体填土间存在接触冲刷；放水洞没有设置检修闸门,工作闸门及启闭设施陈旧、老化,不能正常运行。鉴于以上存在的问题,东放水洞需进行重建。现状洞子坐落在坝体壤土上,经过40多年的运用,没有出现变形问题,且基础已经过预压,在原位拆除重建,洞身不存在承载力问题,只需复核闸室的承载力。为了与下游灌溉渠连接平顺,减少现放水洞的封堵投资,东放水洞选择原位拆除重建方案,施工期间采用西放水洞导流。

西放水洞位于大坝桩号0＋058处,为无压砌石拱涵洞,埋于坝下,涵洞宽1.2m,墩高1.2m,拱高0.6m,设计引水流量3.5m3/s。放水洞渗漏严重,两侧填土压实度不够,库水位高时常有绕渗水流在下游岸墙处逸出,坝上游坡放水洞的上部已出现塌陷坑,直径3.0m,深0.5m左右；放水洞没有设置检修闸门,工作闸门及启闭设施陈旧、老化,不能正常运行。鉴于以上存在的问题,西放水洞需进行重建。地质勘探发现,放水洞右岸存在一断层,走向平行洞轴线,相距2～3m,采取在原位拆除重建,既可解决放水洞重建后与下游灌溉渠道的平顺连接,又可将断层挖开进行处理,故西放水洞选择原位拆除重建方案,施工期间采用东放水洞导流。

3.4.1.1 土坝加固

1.土坝现状

角峪水库大坝为均质坝,全长1142m,最大坝高16.8m,坝顶高程166.96～168.00m,坝顶宽6m,防浪墙顶高程168.67m。上游坝坡为干砌石护坡,下游坝坡草皮护坡。桩号0＋000～0＋949段,上游坝坡162.27m高程以上边坡1:3,以下边坡1:3.5；下游坝坡162.27m高程设有马道,宽2m,马道以上边坡1:2.75,以下边坡1:3。桩号0＋949～1＋142段,上下游坝坡为1:2。坝后排水棱体位于桩号0＋137～0＋673河槽段,总长545m,顶高程159.09～155.57m,顶宽1.0～2.0m,高1.0～4.1m。

大坝上游护坡为干砌石,现状厚度18～29cm,护坡石存在大面积塌陷、架空和翻转,其下无反滤料。大坝下游坡为草皮护坡,质量极差,大部分坝坡裸露,少部分坝坡分布有稀疏草皮。

大坝0＋137～0＋673段坝后为棱体排水,排水体长545m。排水体外部为干砌石,表面凹凸不平,塌陷严重,反滤层结构不合理,不能保护坝体。坝后排水设施不完善,大部分排水沟已坍塌和缺失,没有坍塌的部分淤积严重。

水利部大坝安全管理中心对角峪水库大坝安全鉴定结论为：大坝防浪墙质量差,与防渗体连接不紧密,上游护坡砌石块径偏小,反滤垫层不合格,松动、塌陷严重；坝后排水体无反滤料,渗透破坏严重；大坝填土混杂,密实度低,渗透系数不满足规范要求,局部坝段存在上下连通的风化料层,高水位下存在大面积坝坡出逸；大坝左段阶地及断层未做截渗处理,主河槽清基不彻底,渗漏严重,坝基以及与坝体、排水体接触部位存在渗透稳定安全问题。

2.土坝加固项目

根据大坝现状和存在的主要问题,以及大坝安全鉴定结论,确定土坝加固项目如下。

(1)大坝体型修整。原大坝坝坡变形严重,应对其进行整修。整修原则是在保证坝坡稳定的前提下,为了减少工程投资,原坝坡基本不变,仅对坝坡进行整修。坝顶高程统一为167.50m,坝顶宽度统一为6.0m。

(2)坝体坝基防渗加固。原坝体填筑质量差,坝基清基不彻底,渗漏严重,对其进行全面防渗处理。上游坝坡铺设两布一膜复合土工膜进行防渗,复合土工膜铺设到159.00m高程,此高程以下采用高压定喷桩作为坝基防渗,顶部与复合土工膜连接,底部嵌入基岩1m。

(3)上游护坡全部拆除重建。原上游护坡存在大面积塌陷,护坡质量极差,上游采用干砌方块石护坡,其下铺设砂砾石垫层。

(4)坝体排水系统拆除重建。原下游坝脚排水棱体坍塌严重,需进行整修。排水棱体增设2层砂砾石、1层粗砂反滤,0.3m厚的干砌石外侧保护。在主河床区增加了排水棱体长度210m。大坝原排水沟坍塌、淤积严重,全部予以拆除重建。

(5)断层带处理。桩号0＋055基岩存在断层破碎带,透水率213Lu,原坝基断层带未做防渗处理。本次结合西放水洞重建进行断层带的处理。在坝基不同材料中分别采用定喷墙和二排帷幕灌浆,并在坝轴线与上游坝脚之间挖除1m、宽1m深的断层带,采用1m宽、1.5m厚的混凝土断层塞封堵。

(6)新建坝顶道路及上坝步梯。坝顶路面硬化,硬化宽度5.4m,采用0.34m厚的沥青路面。东坝头增加一回车场。大坝增加了2个上坝步梯。

3.坝顶高程复核

按照《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)计算坝顶超高。坝顶高程计算公式如下：

式中：y为顶超高,m；R为最大波浪爬高,m；e为最大风壅水面高度,m；A为安全加高,m；设计工况A取0.7m,校核工况A取0.4m。

(1)风壅水面高度e。

式中：K为综合摩阻系数,K＝3.6×10-6；β为风向与水域中线的夹角,β＝0°；D为风区长度,m；W为计算风速,m/s；Hm为水域平均水深,m；g为重力加速度,取g＝9.81m/s2。

(2)平均波高和平均波周期采用莆田试验站公式计算,公式如下。

式中：hm为平均波高,m；Tm为平均波周期,s。

(3)平均波长。

式中：Lm为平均波长,m；H为坝迎水面前水深,m。

(4)平均波浪爬高。正向来波在m＝1.5～5.0的单一斜坡上的平均爬高按下式计算：

式中：Rm为平均波浪爬高,m；KΔ为斜坡的糙率渗透性系数,查《规范》附表A.1.12-1,干砌石护坡KΔ＝0.80；KW为经验系数,查《规范》附表A.1.12-2可查得；m为斜坡的坡度系数,m＝3。

设计波浪爬高值应根据工程等级确定,3级坝采用累积频率为1%的爬高值R1%。

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001),坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和,根据该工程实际,分别按以下组合计算,取其最大值。①设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；②正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；③校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高。

根据泰安市气象站的观测资料统计分析,多年平均最大风速为14.6m/s,设计风速正常运用情况下乘以1.5系数为21.9m/s,吹程1200m。坝顶高程计算结果见表3.4-1。

表3.4-1　角峪水库坝顶高程计算结果表

从表3.4-1看出,校核工况控制坝顶高程,计算的坝顶防浪墙高程为168.50m。

现坝顶高程为167.50m,防浪墙为浆砌石结构,部分基础下为中砂,且砂浆不饱满,局部位置为砂灰砌筑,与防渗体连接不紧密,起不到防渗作用。故现坝顶高程不满足要求,比计算值低1.0m。采取在坝顶加1m高防浪墙,现坝顶高程不变的加高方案。

4.防渗系统设计

(1)方案比选。角峪水库经过多次加高加固改建,现坝体存在较多的质量缺陷,主要表现为坝体填筑质量差,压实干密度为1.31～1.69g/cm3,平均值1.62g/cm3,填筑压实度仅为75%～91%。坝体防渗性能差,坝体填土渗透系数为3×10-7～6.66×10-4cm/s,渗透系数平均值3×10-6cm/s,有接近7%大于1×10-4cm/s。局部中砂为闪长岩风化残积物,纵向分布在桩号0＋052～0＋950间,最低高程163.00m；桩号0＋460～0＋870段,厚度2.0～3.7m,平均厚度2.5m；桩号0＋240～0＋280段,厚度为0.4～2.45m,平均厚度1.4m,上下游贯通,使大坝165.02m高程以上防渗作用甚差。坝体碎石土由灰岩碎石、砖瓦块、砂砾和粉质黏土组成,其中碎石含量约占15%,厚度0.3～0.6m,分布于大坝左端桩号0＋000～0＋040,高程168.51～167.91m,为整修坝顶路面多年铺垫形成。

从上述坝体质量情况可以看出,除高程163.00m以上坝体加有平均厚度1.4～2.5m的透水层外,整个坝体填筑质量差且不均匀,压实度75%～91%,均不满足《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)规定的96%～98%,最小仅为规定的76%,实际最小压实度与最大压实度之比为85%。在这种压实度低且不均匀的情况下,坝体内部难免没有裂缝存在,虽然坝体钻孔注水试验的渗透系数最大为10-4cm/s量级,基本满足《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)对均质坝的要求。但是有限的钻孔注水试验很难全面反映坝体的防渗性能,更难以代表坝体裂缝部位的防渗性能。从现场检查和水库管理人员反映,在下游坝坡有多处渗漏点表明坝体防渗性能较差。渗流出逸点较高表明坝体浸润线也较高,不利于下游坝坡稳定。因此对坝体进行防渗处理是必要的。

主坝坝基清基不彻底,含一层粉土质砂,松散～稍密,分布在桩号0＋300～0＋560段,在坝前后形成贯通,厚0.8～3.2m；坝基还有一层含细粒土砂,层厚0.2～3.2m,分布于桩号0＋110.6～0＋280.4之间,形成纵向贯通。主河槽清基不彻底,左阶地段未作防渗处理,坝基渗漏和坝后沼泽化严重,多处发生渗透变形。坝基壤土的渗透系数平均值为1×10-4cm/s,粉土质砂的渗透系数为3.8×10-2,含细粒土砂的渗透系数为1.40×10-3cm/s,透水性较强,为库水向坝下游渗透的主要通道。为防止坝基发生大面积的渗透破坏,进而危及大坝安全,因此需对坝基进行防渗处理。

针对大坝存在的问题及对大坝安全的分析,比较了两种防渗加固方案。

1)方案一：坝坡复合土工膜＋高压定喷灌浆防渗墙。结合上游护坡改建,在拆除原干砌石护坡后,将坝面整平压实,铺设复合土工膜(两布一膜200g/0.5mm/200g)。复合土工膜上部与坝顶防浪墙连接,左右两岸埋入锚固沟内。综合考虑坝体和坝基现状、导流条件、施工期导流和水库运用等因素,复合土工膜下部铺设至159.00m高程。在159.00m高程以下,布设高压定喷灌浆防渗墙,防渗墙底部嵌入基岩1m,左右两端至两坝肩。坝面复合土工膜和下部坝体、坝基的防渗墙形成了完整的防渗体系。

2)方案二：坝顶高压定喷桩防渗方案。坝体与坝基均采用高压定喷桩防渗墙,即在坝轴线处从坝顶向下做高压定喷墙,直至岩石以下1m。

针对以上两个方案,主要从以下几个方面进行比较。

a.方案一复合土工膜铺设在主坝上游坡坡面,可以降低上游坝体浸润线,减少高水位情况下的坝体变形,有利于上游坝坡稳定,且复合土工膜具有适应变形能力强,防渗性能好的特点,而且在近几年的病险水库加固处理中得到了广泛的应用,施工工艺成熟；结合坝坡修整、护坡改建,进行复合土工膜铺设,施工环节可以减少。由于该工程可用于导流的放水洞规模较小,泄水降低库水位和施工期导流受水库来流影响较大,并会在一定程度上影响工期,因此本方案施工会有一些风险。

b.方案二防渗体布置在坝轴线处,在工程投入运用后,定喷墙上游的坝体在长时间的高水位下,坝体处于饱和状态,坝体浸润线高,对水位降落工况下的坝坡稳定十分不利,尤其在现坝体压实度仅有75%～91%的情况下,加固工程完成投入后的上游坝体的变形极可能引起坝体裂缝,危及大坝安全；施工工艺单一,防渗墙施工基本无导流问题、风险相对较小。

c.由于两个方案主坝施工均不控制总工期,施工工期也基本一样,故两个方案的工期不具有可比性。

d.方案一与方案二的直接工程投资比较见表3.4-2。

表3.4-2　工程投资方案比较表

由表3.4-2可看出：方案一比方案二工程投资低79万元,占坝体加固总投资的7.6%,且方案一运用条件较好,故本阶段推荐方案一即坝体采用复合土工膜、基础采用高压定喷桩防渗方案。

(2)防渗方案设计。结合上游护坡改建,拆除原干砌石护坡,整平坡面后全部铺设两布一膜复合土工膜,以防止库内水位升高后坝体浸润线的升高,从而降低坝体渗透变形、阻止沿坝体裂缝可能产生的集中渗漏。

定喷墙位于主坝上游坡,上部与复合土工膜连接,下部根据基础透水性确定底高程。由于现水库在低水位时仅有放水洞可以泄流,放水洞底高程157.00m,根据施工洪水验算,施工期围堰顶高程应为159.00m。为了保证施工期定喷墙不受库水影响,定喷墙顶高程与施工围堰顶高程相同,取159.00m。

根据主坝坝轴线地质纵剖面图和定喷墙地质纵剖面图,为了封堵坝基主要渗漏通道,处理159.00m高程以下填筑质量差的坝体,混凝土高压定喷墙范围为D0＋087～D0＋600,高压定喷墙注浆孔距1.2m,墙体最小厚度0.1m。由于在D0＋087～D0＋050范围内坝基有约1m宽的断层,因此,在此范围内的坝基防渗处理采用断层上部(坝基壤土内)为混凝土高压旋喷墙,孔距0.8m；以下部分(岩石内)采用二排灌浆帷幕,一直到D0＋031结束,孔距2m。

断层带的防渗处理：在上游坝脚处采用定喷墙和二排帷幕灌浆；由于该断层与西放水洞基本平行相临约4.5m,西放水洞需要重建,此处坝体全部开挖至坝基,开挖范围包括断层带,在坝轴线与上游坝脚之间挖除1m宽、1m深的断层带,采用1m宽、1.5m厚的混凝土断层塞封堵。

复合土工膜从坝顶开始铺设,其顶端埋于坝顶上游防浪墙底；与放水涵洞混凝土和定喷墙连接采用锚固连接；与两岸壤土边坡的连接,在岸坡的连接处挖深2.0m、底宽4.0m的槽,把土工膜埋入槽内,再用土回填密实；与底部壤土连接处挖深1.0m、底宽1.5m的槽,把土工膜埋入槽内,再用土回填密实。

由于顶部定喷墙施工质量难以保证,施工中,定喷墙顶高程按照159.00m控制,在土工膜连接时,将顶部0.3m高的部分凿除,再将墙周边的壤土挖0.3m深,浇筑混凝土与定喷墙顶齐平,宽度根据两侧包住定喷墙,选为0.7m。土工膜锚固在现浇的混凝土上,锚固后上部再浇筑0.3m厚混凝土,保证定喷墙与土工膜的连接可靠。锚固方法是先将连接处混凝土表面清理干净,涂上一层沥青,贴上橡胶垫片后再铺膜,土工膜上再贴橡胶垫片,并用10mm厚钢板压平,每隔25cm用膨胀螺栓固定,最后用混凝土或砂浆覆盖封闭。

5.坝顶加高及结构设计

现大坝防浪墙为浆砌块石结构,顶宽0.7m。大坝防浪墙基础没有发现大的不均匀沉陷,墙体不存在大的裂缝,局部勾缝砂浆脱落严重,砌筑质量差,砂浆强度低,检测平均值为4.6MPa。部分基础下为中砂,且砂浆不饱满,局部位置为砂灰砌筑,与防渗体连接不紧密,起不到防渗作用。

复核后坝顶高程不满足要求,本次结合上游坝坡改建和坝顶路面硬化,将原防浪墙拆除重建。根据计算,坝顶高程应为168.50m。测量结果显示,现大坝坝顶高程约为167.50m,采取在坝顶加1.0m高的防浪墙,坝顶不加高方案。加高后防浪墙顶高程168.50m,坝顶高程167.50m,高出坝顶1.0m,墙身采用M10浆砌粗料石结构,厚0.4m,基础采用M10浆砌石,并在墙顶设M10浆砌粗料石帽石。

原坝顶宽度6m,为了交通方便,路面硬化宽度5.4m,为沥青路面,厚0.34m,其中灰土基层厚0.3m,沥青碎石层厚0.04m。路面设倾向下游的单面排水坡,坡度为2%。

为使交通便利,在东坝头增加一回车平台。为使坝顶167.50m与溢洪道桥面168.60m平顺连接,从D1＋130到K点(坝轴线与溢洪道边墙接点)的坝顶路坡度约为5.8%。并在大坝两端各增加了一道上坝步梯。步梯采用浆砌石结构,宽1.2m。

6.上、下游坝坡复核及加固

(1)上游坝坡。大坝上游护坡为干砌石,现状厚度18～29cm,从库水位以上观察,护坡石存在大面积塌陷、架空和翻转现象,监测面积15840m2,存在塌陷和损坏的面积为1450m2,最大塌陷深度58.6cm,平均塌陷38.6cm。护坡石质量差,风化严重,其下无反滤料,仅局部位置分布有一层8～10cm厚的碎石垫层,不符合规范对反滤层的要求。

由于坝坡损坏严重,厚度不足,部分护坡下无反滤层,在水位下降时造成坝体渗透破坏,故需对其进行拆除重建。

主坝上游坝面由于采用复合土工膜防渗,须对上游坝面进行清基,故与上游护坡改造相结合,统一考虑。

为了保证复合土工膜与坝体连接质量、避免其他材料对土工膜的破坏,上游坝面应清除干砌石护坡及其垫层,并应保持坝面平顺。

复合土工膜直接铺设在原坝坡上。为防止波浪淘刷、风沙的吹蚀、紫外线辐射以及膜下水压力的顶托而浮起等因素对土工膜的影响,需在土工膜上设保护层。保护层分为面层和垫层。

由于当地石料丰富,可采用干砌石护坡。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)中护坡计算,砌石护坡在最大局部波浪压力作用下所需的换算球形直径和质量、平均粒径、平均质量和厚度按下式计算：

式中：D为石块的换算球形直径,m；Q为石块的质量,t；D50为石块的平均粒径,m；Q50为石块的平均质量,t；t为护坡厚度,m；Kt为随坡率变化的系数；ρk为块石密度,t/m3,取2.4t/m3；ρw为水的密度,t/m3,取1t/m3；hP为累积频率为5%的坡高,m。

上游干砌块石护坡厚度计算结果见表3.4-3。

表3.4-3　上游干砌块石护坡厚度计算结果表

经计算,上游干砌石护坡厚度为0.2m,现状厚度18～29cm,不完全满足要求。设计采用干砌块石厚0.2m,石块最大粒径0.2m,块石最小粒径0.1m。要求石料坚硬,抗风化能力强。为了保护坝坡上游复合土工膜,复合土工膜上游面即干砌方块石下铺设0.2m厚砂砾石垫层,为了保证垫层不被波浪淘刷,砂砾石粒径范围取10～40mm的连续级配。

(2)下游护坡加固。

1)棱体排水。现下游坝脚排水棱体坍塌、脱落严重,需进行整修。将原排水棱体表面风化破碎的岩石清除,其余部分整平。为了保证排水畅通,在清除后的下游面,分别铺设垂直厚度0.2m的砂砾石、粗砂和0.3m厚的干砌石。

原排水棱体桩号D0＋137～D0＋637,本次加固增加了排水棱体范围,桩号为D0＋135～D0＋835。坝后排水棱体位于桩号D0＋135～D0＋845河槽段,总长710m,顶高程156.00m,顶宽1.5m。

棱体排水顶高程与原设计基本相同为156.0m,顶宽1.5m,外坡1:1.5,内坡1:2。

2)坝面排水。原坝后排水设施不完善,排水沟坍塌、淤积严重,全部予以拆除重建。在下游坝坡162.00m高程马道顶部设置一排纵向排水沟；在下游坝脚和两岸岸边连接处设排水沟,以便收集下游坝坡和两岸岸坡雨水。下游坝坡排水汇入坝下游坝脚排水沟,形成完整的排水系统。下游坝脚的排水最终汇集到位于河漫滩最低处的渗流监测处,然后经渠道流入下游河道。横向排水沟宽0.2m,深0.2m,间距100m；马道顶部纵向排水沟宽0.3m,深0.3m；下游坝脚纵向排水沟宽0.4m,深0.4m；排水沟均采用浆砌石砌筑。

(3)坝体裂缝处理。受当时筑坝技术限制,角峪水库在施工时全是人抬肩扛,上坝土料不均,施工分缝多,又经过三期工程才形成现有规模,造成坝体土料差异性大。组成坝体的土料主要为壤土,局部夹杂有中砂和杂填土。

经过几十年长期运行,坝顶无硬化处理,由于沉陷不均匀和汛期来往车辆碾压,坝顶凹凸不平。

大坝运行中没有出现过大的裂缝,1964年桩号0＋300处坝身出现长50m、宽0.05m、深0.8m的纵向裂缝,1975年库水位达164.57m时坝坡出现裂缝和塌陷现象,1979年对大坝进行培厚加固。但1976年汛期东放水洞西侧出现过滑坡,1983年对坝坡进行局部翻修加固。

在上下游坝坡清坡完成后,对出露的裂缝采取以下处理方法：

1)深度不超过1.5m的裂缝,可顺裂缝开挖成梯形断面的沟槽。

2)深度大于1.5m的裂缝,可采用台阶式开挖回填。

3)横向裂缝开挖时应做垂直于裂缝的结合槽,以保证其防渗性能。

坝体裂缝处理,开挖前需向裂缝内灌入白灰水,以利于掌握开挖边界。开挖时顺裂缝开挖成梯形断面的沟槽,根据开挖深度可采用台阶式开挖,确保施工安全。裂缝相距较近时,可一并处理。裂缝开挖后要防止日晒、雨淋。回填土料与坝体土料相同,应分层夯实,达到原坝体的干密度。回填时要注意新老土的接合,边角处用小榔头击实,同时保证槽内不发生干缩裂缝。

7.坝的计算分析

(1)渗流计算。

1)计算方法。渗流计算程序采用河海大学工程力学研究所编制的《水工结构分析系方程式,用半自动方式生成四边形单元,对复杂的剖分区域需要用若干个四边形子域拼接形成,划分单元对子域依次进行。

2)计算断面。坝总长1140m,选择了D0＋250、D0＋500、D0＋950三个有代表性的断面进行渗流计算。上游正常蓄水位163.57m,下游水位与地面平。

3)基本参数选取。根据地质勘探资料,结合工程的材料特性,选用坝体、坝基材料渗流计算参数见表3.4-4。

表3.4-4　坝体、坝基材料渗流计算参数表

续表

4)渗流计算成果及分析。渗流计算结果见图3.4-1～图3.4-3。

图3.4-1　D0＋250桩号渗流计算成果图(单位：m)

图3.4-2　D0＋500桩号渗流计算成果图(单位：m)

图3.4-3　D0＋950桩号渗流计算成果图(单位：m)

从渗流计算结果看：由于坝体采用复合土工膜,坝体浸润线位置均较低,对大体稳定有利。

从表3.4-5中,坡脚处的最大渗透坡降为0.36,小于壤土的容许水力坡降建议值0.51,因此不会发生渗透破坏。

表3.4-5　二维渗流计算成果表

(2)坝坡稳定计算分析。该坝为3级建筑物。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)的要求及工程情况,大坝抗滑稳定应包括正常情况和非常情况,计算情况如下。

1)正常运用条件。

a.水库水位处于正常蓄水位和设计洪水位与死水位之间的各种水位稳定渗流期的上游坝坡,《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)要求安全系数不应小于1.30。

b.水库水位的非常降落,每年灌溉期,库水位从正常蓄水位降落到死水位。《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)要求安全系数不应小于1.30。

c.水库水位处于正常蓄水位和设计洪水位稳定渗流期的下游坝坡,《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)要求安全系数不应小于1.30。

2)非常运用条件。

a.本次加固对原坝体体型未改变,因此不再复核施工期的稳定。

b.大坝地震动峰值加速度为0.05g,相应的地震基本烈度为Ⅵ度,按照《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)和《水工建筑物抗震设计规范》(SL 203—1997)的要求,不再进行抗震设防的验算。

稳定计算采用黄河勘测设计有限公司与河海大学工程力学研究所联合研制的《土石坝稳定分析系统HH-SLOPE》。该程序有规范规定的瑞典圆弧法和考虑条块间作用力的各种方法。计算方法采用计及条块间作用力的简化毕肖普法。

简化毕肖普法公式：

式中：W为土条重量；V为垂直地震惯性力(向上为负,向下为正)；u为作用于土条底面的孔隙压力；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b为土条宽度；C′、φ′为土条底面的有效应力抗剪强度指标；MC为水平地震惯性力对圆心的力矩；R为圆弧半径。

角峪水库坝体和坝基材料强度指标见表3.4-6。

表3.4-6　角峪水库坝体和坝基材料强度指标表

角峪水库稳定计算分析成果见表3.4-7、图3.4-4～图3.4-6。坝坡在各计算工况下均满足抗滑稳定要求。

表3.4-7　角峪水库稳定计算成果汇总

图3.4-4　D0＋250桩号稳定计算成果图(单位：m)

图3.4-5　D0＋500桩号稳定计算成果图(单位：m)

图3.4-6　D0＋950桩号稳定计算成果图(单位：m)

(3)复合土工膜稳定分析。根据《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(SL/T 225—1998),需验算水位骤降时,防护层与土工膜之间的抗滑稳定性,采用规范中附录A中推荐的极限平衡法。坝坡复合土工膜上面铺设了20cm厚的砂砾石和20cm厚的干砌方块石,为等厚保护层,因此抗滑稳定安全系数可按下式计算：式中：δ、f分别为上垫层土料、下卧土层与复合土工膜之间的摩擦角、摩擦系数；α为复合土工膜铺放坡角。

复合土工膜直接铺设在主坝材料土坡上。土工织物与土的摩擦系数一般为0.43左右,取0.43计算,上游坝坡坡度为1:3,计算的土工织物与大坝边坡的抗滑稳定安全系数为 1.3,满足《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(SL/T225—1998)要求。

角峪水库的主要功能是防洪和灌溉,水位降落速度较慢,随着库水的降落,坝坡干砌方块石后的水位也会随之下降,对坝坡稳定不会造成危害。

8.材料设计

(1)下游棱体排水反滤设计。根据现坝体材料和现棱体排水材料特性,棱体排水的砂砾石级配为5～40mm,粗砂的级配为0.25～10mm。

(2)复合土工膜的耐老化性能和选材。

1)土工膜的耐老化性能。土工膜应用于水工建筑物,其使用寿命有多长,这是工程技术人员最关心的问题。要比较全面和准确地测定和评价土工膜在各种条件下的耐老化性能,最好的方法是进行自然老化试验。国外土坝工中应用土工膜已有40多年的历史,国内也有30多年。国内外工程长期运行情况表明,土工膜耐老化性能是可信的。

美国、南非和纳米比亚从20世纪60年代起就进行试验室研究和野外试验,得到的结论是：不论在寒冷地区、干热地区,土工膜的强度和伸长率都变化甚微。有关实测资料还表明,埋设在坝内的PE膜在15年中,抗拉强度只降低5%,极限伸长率只降低15%。因而可以推估,土石保护下的薄膜使用寿命可达60年(按伸长率估算),或180年(按强度估算)。

苏联对聚乙烯膜作老化试验,根据推算认为用在坝内可使用100年。苏联能源部《土 石坝应用聚乙烯防渗结构须知》(BCH 07—1974)中规定：聚乙烯膜可用于使用年限不超过50年的建筑物。苏联文献认为：之所以限制在50年,是因为观测时间不长,因此对使用寿命的结论是极为谨慎的。当积累足够的观测资料以后,使用年限将延长。

另外一个旁证是：从1860年开始,英国的混凝土坝内的伸缩缝止水片应用天然橡胶制品,经检查,至今尚未损坏。由此可以认为,坝内埋设的橡胶膜使用寿命应在100年以上。而目前使用的土工合成材料,属聚合物橡胶,其耐久性优于天然橡胶,因此用于坝内防渗是安全耐久的。

国内外大量试验研究和原型工程观测资料表明,土工膜具有足够长的使用寿命。巴家嘴土坝采用复合土工膜防渗,膜位于上游坝坡,其上覆盖土石保护层,应力较小且避免了紫外线的照射,其使用寿命可达到50年以上。

2)复合土工膜选材。工程常用复合土工膜有聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)两种。PVC复合土工膜比重大于PE复合土工膜；PE复合土工膜较PVC复合土工膜易碎化；PE复合土工膜成本价低于PVC复合土工膜；两者防渗性能相当；PVC膜可采用热焊或胶粘,PE复合土工膜只能热焊；PVC复合土工膜和PE复合土工膜还有一个突出差别,就是膜的幅宽,PVC复合土工膜一般为1.5～2.0m,PE复合土工膜可达4.0～6.0m,相应地接缝PE复合土工膜比PVC复合土工膜减少1倍以上。

一般情况下,在物理性能、力学性能、水力学性能相当的情况下,大面积土工膜施工,应尽量选用PE复合土工膜。而且,PE复合土工膜接缝采用热焊,施工质量较稳定,焊缝质量易于检查,施工速度快,工程费用低。PVC复合土工膜虽然可焊接,可胶粘,但胶粘施工质量受人为因素影响较大,大面积施工中粘缝质量较难控制,成本较高；采用焊接时温度控制很关键,温度较高,则易碳化,温度较低,则焊接不牢。

因此经综合分析,该工程初步确定采用PE复合土工膜。根据工程类比,PE复合土工膜厚度初选0.5mm。

复合土工膜是膜和织物热压粘合或胶粘剂粘合而成。土工织物保护土工膜以防止土工膜被接触的卵石碎石刺破,防止铺设时被人和机械压坏,亦可防止运输时损坏。织物材料选用纯新涤纶针刺非织造土工织物。复合土工膜采用两布一膜,规格为200g/0.5mm/200g。

3)复合土工膜厚度验算。土工膜厚度可按《水利水电工程土工合成材料应用技术规 范》(SL/T 225—1998)中的公式计算。

式中：T为薄膜的单宽拉力,kN/m；p为薄膜上承受的水压力荷载,kPa；b为预计膜下地基可能产生的裂缝宽度,m；ε为薄膜发生的拉应变。

计算土工膜的厚度时,考虑土工膜垫层采用中细砂、砾石,最大作用水头按最大水头8.65m计,即p＝86.5kPa,根据运行资料分析,在裂缝宽度为25mm时,8.65m水头的水压力荷载得到土工膜的拉应力-拉应变曲线如下。

此曲线应与选用厚度的土工膜材料的拉应力-拉应变曲线对比,求出应力安全系数和应变安全系数,要求安全系数为5。如不满足,应选较厚膜。

根据国内已建工程经验,以及土工合成材料生产厂家的能力,设计要求0.5mm厚的土工膜极限抗拉强度为8kN/m,许可应变为10%,进行验算得T＝1.33kN/m,安全系数FS＝8/1.33＝5.75＞4～5,满足《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(SL/T 225—1998)要求的数值。

9.主要工程量

角峪大坝加固工程主要工程量见表3.4-8。

表3.4-8　角峪大坝加固主要工程量汇总表

3.4.1.2 放水洞改建设计

1.加固方案

现东放水洞位于大坝桩号0＋865处,为浆砌石无压拱涵,埋于坝下,涵洞宽1.0m,墩高1.0m,拱高0.5m,设计引水流量2.0m3/s。放水洞渗漏严重,与坝体填土间存在接触冲刷；放水洞没有设置检修闸门,工作闸门及启闭设施陈旧、老化,不能正常运行；并且放水洞断面尺寸过小,没有足够的空间对其进行修补或者改造。鉴于以上存在的问题,东放水洞需进行重建。为了与下游灌溉渠连接平顺,减少现放水洞的封堵投资,东放水洞选择原位拆除重建方案,施工期间采用西放水洞导流。

现西放水洞位于大坝桩号0＋058处,为无压砌石拱涵洞,埋于坝下,涵洞宽1.2m,墩高1.2m,拱高0.6m,设计引水流量3.5m3/s。放水洞渗漏严重,两侧填土压实度不够,库水位高时常有绕渗水流在下游岸墙处逸出,坝上游坡放水洞的上部已出现塌陷坑,直径3.0m,深0.5m左右；放水洞没有设置检修闸门,工作闸门及启闭设施陈旧、老化,不能正常运行；并且放水洞断面尺寸过小,没有足够的空间对其进行修补或者改造。鉴于以上存在的问题,西放水洞需进行重建。地质勘探发现,放水洞以右存在一断层,走向平行洞轴线,相距2～3m,采取在原位拆除重建,既可解决放水洞重建后与下游灌溉渠道的平顺连接,又可将断层挖开进行处理,故西放水洞选择原位拆除重建方案,施工期间采用东放水洞导流。

因此,东、西放水洞需要拆除重建,不再对其现状结构进行复核计算。

2.放水涵洞布置

(1)东放水涵洞布置。为了减少开挖量并利用下游输水渠道,重建的东放水洞仍布置在原来位置,洞轴线同原来洞轴线。新建涵洞为钢筋混凝土结构,断面型式采用城门洞型,按明流涵洞设计,设计流量与原放水涵洞相同,为2.0m3/s。

重建的东放水洞总长75.12m,主要由进口段、闸室段、洞身段、出口(消力池)段4部分组成。

1)进口段。采用“八”字形挡墙式矩形引渠,渠底高程156.57m。

2)闸室段。采用塔式进水口,为钢筋混凝土结构,混凝土强度等级C25。闸室底板长8.0m,宽5.0m。闸室底板基础开挖至基岩,基岩至闸室底板之间回填C15素混凝土。闸室内设置检修及工作2道闸门,检修门闸孔尺寸为1.0m×1.5m,工作门闸孔尺寸为1.0m×1.0m。检修门和工作门之间设置胸墙一道,检修门启闭机室设在闸室上部,底板与坝顶平,高程为167.50m,启闭机室内设可以顺水流向移动的单轨移动启闭机作为检修门的启门设备,并可以为工作门及启闭机检修的起吊设备。工作门启闭机室布置于前后胸墙之间,底板高程为162.07m,设固定螺杆启闭机作为工作门的启闭设备,该层与检修门启闭机室机房之间设置带防护网的钢爬梯供操作人员通行。

3)洞身段。全长46.62m,为了充分利用库内水量,考虑现状下游灌溉渠道运用,进口底板高程与原洞进口底板高程相同,为156.57m,出口底板高程156.39m,纵坡0.004。涵洞断面在满足设计流量的前提下,还应保证运用期的正常检查、维修,尺寸为1.5m×2.0m,圆拱直墙式城门洞型,钢筋混凝土结构,断面净宽1.5m,侧墙高1.57m,顶拱中心角120°,半径0.866m,衬砌厚度0.30m。

4)出口段。涵洞出口处设置消力池,为钢筋混凝土结构,总长10.50m,其中陡坡段水平长4.2m,池长5.8m、宽4.0m、深0.66m。

(2)西放水涵洞布置。为了减少开挖量并利用下游输水渠道,重建的西放水洞仍布置在原来位置,洞轴线同原来洞轴线。新建涵洞为钢筋混凝土结构,断面型式采用城门洞型,按明流涵洞设计,设计流量与原放水涵洞相同,为3.5m3/s。

重建的西放水洞总长71.00m,为竖井式,主要由进口段、闸室段、洞身段、出口(消力池)段4部分组成。

1)进口段。采用“八”字形坝下矩形埋涵引渠,渠底高程157.07m。

2)闸室段。采用塔式进水口,为钢筋混凝土结构,混凝土强度等级C25。闸室底板长8.0m,宽5.0m,底板下铺10cm厚C10素混凝土。闸室内设置检修及工作两道闸门,检修门闸孔尺寸为1.0m×1.5m,工作门闸孔尺寸为1.0m×1.0m。检修门和工作门之间设置胸墙一道,检修门启闭机室设在闸室上部,底板与坝顶平,高程为167.50m,启闭机室内设可以顺水流向移动的单轨移动启闭机作为检修门的启门设备,并可以为工作门及启闭机检修的起吊设备。工作门启闭机室布置于前后胸墙之间,底板高程162.57m,设固定螺杆启闭机作为工作门的启闭设备,该层与检修门启闭机室机房之间设置带防护网的钢爬梯供操作人员通行。

3)洞身段。全长42.50m,为了充分利用库内水量,考虑现状下游灌溉渠道运用,进口底板高程与原洞进口底板高程相同,为157.07m,出口底板高程156.90m,纵坡0.004。涵洞断面为1.5m×2.0m圆拱直墙式城门洞型,钢筋混凝土结构,断面净宽1.5m,侧墙高1.57m,顶拱中心角120°,半径0.866m,衬砌厚度0.30m。

4)出口段。涵洞出口处设置消力池,为钢筋混凝土结构,总长10.50m,其中,陡坡段水平长4.2m,池长5.8m、宽4.0m、深0.5m。

3.水力计算

(1)计算公式。

1)涵洞正常水深及临界坡度。洞内正常水深按下式计算：

式中：R为水力半径；n为渠道糙率系数；i为渠道比降；A为过流面积。

临界坡度iK计算公式为

式中：g为重力加速度；α为流量不均匀系数,取α＝1.1；χK为湿周；CK为谢才系数；BK为断面宽。

2)闸门开启度。当水库水位分别在157.57m、159.57m左右时,东、西放水洞自由泄流量将大于设计流量,此时应按设计流量通过闸门控制放水。因进口段设置有压短洞,设下游水位不影响隧洞的泄流能力,此时,其泄流量可由闸孔自由出流的公式计算：

式中：e为闸门开启高度；B为水流收缩断面处的底宽；H为由有压短洞出口的闸孔底板高程起算的上游水深；ε为垂直收缩系数；μ为短洞有压段的流量系数,计算公式为

式中：ωc为收缩断面面积,ωc＝εeB；ζi为局部能量损失系数；ωi为与ζi相应的过水断面面积；la为有压短洞长度；ωa、Ra、Ca分别为有压短管的平均过水断面面积、相应的水力半径和谢才系数。

3)消力池。消力池尺寸按《溢洪道设计规范》(SL253—2000)规定方法计算,即

式中：d为池深；ht为消力池下游水深；b1、b2分别为跃前、跃后消力池宽度；φ为消力池出口段流速系数,取为0.95；h1为跃前水深；v1为跃前流速；h2为池中发生临界水跃时的跃后水深；L为自由水跃长度,L＝6.9(h2-h1)；ΔZ为水头差；b为单宽；Lk为临界水跃长度。

(2)东放水洞计算结果。

1)涵洞正常水深及临界坡度。东放水洞设计流量为2.0m3/s时,洞内正常水深ht为0.642m,临界水深为0.584m,临界坡度iK为0.0053。涵洞坡度为0.004,小于临界坡度,为缓坡。正常水深时,洞内过水流速为2.08m/s。

2)闸门开启度。由式(3.4-13)及式(3.4-14)计算不同水位的东放水洞闸门开启高度见表3.4-9。由表可知闸后共轭水深大于下游水深,为闸孔出流。

由于为缓坡,闸后水深将由正常水深决定,东放水洞的正常水深为0.642m,经计算洞内水面线以上的空间大于涵洞断面面积的15%,且涵洞内净空超过40cm,故东放水洞过流能力满足《水工隧洞设计规范》(SL279—2002)规范要求。

表3.4-9　东放水洞闸门开度与流量关系表

3)消力池。由式(3.4-15)计算得出,跃前水深为0.11m,跃前流速为4.70m/s,跃长3.8m,池深为0.09m,故所设计的池长5.8m、底坎高66cm满足消能要求。

(3)西放水洞计算结果。

1)涵洞正常水深及临界坡度。西放水洞设计流量为3.5m3/s时,洞内正常水深ht为0.979m,临界水深为0.848m,临界坡度iK为0.0058。涵洞坡度为0.004,小于临界坡度,为缓坡。正常水深时,洞内过水流速为2.38m/s。

2)闸门开启高度。由式(3.4-13)及式(3.4-14)计算不同水位的西放水洞闸门开启高度见表3.4-10。由表可知闸后共轭水深大于下游水深,为闸孔出流。

表3.4-10　西放水洞闸门开启高度与流量关系表

由于为缓坡,闸后水深将由正常水深决定,而西放水洞的正常水深为0.979m,洞内水面线以上的空间大于涵洞断面面积的15%,且涵洞内净空均超过40cm,故西放水洞过 流能力满足《水工隧洞设计规范》(SL279—2002)要求。

3)消力池。由式(3.4-15)计算得出,跃前水深为0.178m,跃前流速为4.90m/s,跃长4.64m,池深为0.04m,故所设计的池长5.8m、底坎高50cm满足消能要求。

4.结构设计

(1)闸室稳定计算。

1)荷载组合。作用在水闸上的竖向荷载主要有闸室自重、启闭机自重、水重、扬压力等,水平向荷载主要有静水压力、填土压力等。荷载组合分基本组合与特殊组合,其中基本组合包括正常蓄水位情况及设计洪水位情况,特殊组合包括完建情况、校核洪水位情况,荷载组合情况见表3.4-11。

表3.4-11　荷载组合表

2)计算公式及标准。闸室基底应力计算采用下列公式：

式中：为基底应力的最大值和最小值；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载；∑M为作用在闸室上的全部荷载对于基础底面垂直于水流方向的形心轴的力矩；A为闸室基底面的面积；W为闸室基底面对于垂直水流方向的形心轴的截面矩。

闸室抗滑稳定计算采用以下公式：

式中：Kc为闸室基底面的抗滑稳定安全系数；f为闸室基底面与地基之间的摩擦系数；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载；∑H为作用在闸室上的全部水平向荷载。

沿基础面抗倾覆稳定计算采用以下公式：

式中：Kf为抗倾覆安全系数；∑M为倾覆力矩,kN·m；∑Mf为抗倾覆力矩,kN·m；∑Mf、∑M均为对计算端点的力矩。

东、西放水洞新建闸室均为3级建筑物,东放水洞闸室基础为壤土,其允许承载力为90kPa,f取0.30；西放水洞闸室基础为灰岩,其允许承载力为400kPa,f取0.50。

经过初步计算,在各种工况下东放水洞闸室基底应力值为138.75～231.87kPa,均大于地基允许承载力,需要对其进行地基处理。

3)东放水洞闸室地基处理。由于基岩深度较浅,闸室基础按1:2的坡度开挖至基岩。基岩至闸室底板之间回填C15素混凝土,其余部分回填壤土,压实度0.98。经过处理后的闸室基础为全风化闪长岩,其允许承载力为300kPa。

4)计算结果。经过地基处理后的东放水洞闸室坐落在基岩上,相当于底板加厚,f值取0.40。由于西放水洞进水塔为竖井式,闸室上下游填土较厚,本次只计算东放水洞抗倾覆安全系数。

东、西放水洞闸室基底应力及稳定安全系数计算结果见表3.4-12和表3.4-13。

计算表明,在各种工况下,东、西放水洞进水闸闸室抗滑稳定安全系数均大于《水利 水电工程进水口设计规范》(SL285—2003)允许值,基底应力均小于地基允许承载力,即东、西放水洞闸室稳定及基底应力均满足规范要求。

表3.4-12　角峪水库东放水洞闸室基底应力及稳定安全系数汇总表

表3.4-13　角峪水库西放水洞闸室基底应力及稳定安全系数汇总表

(2)涵洞衬砌结构计算。

1)荷载组合。作用在涵洞上的荷载主要有衬砌自重、填土压力、外水压力、内水压力、地基抗力等,本次主要计算了衬砌自重、填土压力、外水压力、地基抗力等荷载共同

作用下衬砌的内力。各类荷载分项系数按《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191—1996)及《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077—1997)规定确定。

2)计算方法及结果。按荷载结构法计算涵洞衬砌内力,采用衬砌边值问题的数值解法,即计算衬砌的内力和变形时,不需事先对抗力作出假设,而由程序自动迭代求出。

校核洪水位情况下最大坝高处的涵洞断面受力最大,且东放水洞最大埋深比西放水洞最大埋深大,故本次只计算东放水洞衬砌内力。

设计衬砌厚0.30m,混凝土强度等级为C25,东放水涵洞衬砌的内力计算结果见表3.4-14。

表3.4-14　角峪水库东放水涵洞衬砌内力计算结果统计表

计算结果显示在直墙衬砌与底板交汇处,衬砌内力较大。衬砌按正常使用极限状态限裂设计,衬砌最大裂缝宽度允许值为0.25mm。

5.主要工程量

角峪东、西放水洞重建工程主要工程量见表3.4-15和表3.4-16。

表3.4-15　角峪水库东放水洞主要工程量表

表3.4-16　角峪水库西放水洞主要工程量表

3.4.1.3 溢洪道改建设计

1.改建目标及基本方案确定

(1)现溢洪道存在问题。角峪水库现状溢洪道位于大坝右端,为正槽开敞式溢洪道,由引水渠、溢流堰和下游泄槽组成,总长约980m。水库建成时,原溢洪道进口宽只有70m,1975年9月16日水库流域降暴雨,溢洪道行洪水深1.3m,最大泄量100m3/s,当时下游农田淹没冲蚀破坏严重,大坝经抢险后未出现较大险情。1976年对溢洪道进口段进行了扩挖,使进口宽度达到100m,底高程163.57m。

现状溢洪道引水渠长约220m,底宽169～100m,底高程161.60～163.57m；溢流堰为宽顶堰,无控制设施,堰面为开挖的风化闪长岩面,堰顶净宽100m,堰顶高程163.57m；溢洪道泄槽无衬砌,宽度由100m渐变为20m左右,泄槽过流能力不足、抗冲刷能力差；下游无消能防冲设施,多处形成冲沟。

根据水库管理方介绍,由于水库带病运行,在较长时间内水库汛期运用方式是降低汛限水位迎洪,即在汛前较长时间段内采用放水洞预泄、降低水位,以损失水库兴利库容为代价保证水库防洪能力。

水利部大坝安全管理中心对角峪水库溢洪道的主要鉴定结论为：溢洪道未做护砌和消能工程,不满足抗冲要求,出水渠断面不足,回水影响坝脚安全。

(2)改建目标。鉴于溢洪道存在的上述问题,溢洪道改建的目标如下。

1)恢复水库原设计功能,并在汛期有足够能力宣泄洪水,保证大坝安全。

2)控制一定标准内的洪水的最大下泄流量,以充分发挥水库防洪功能,保证下游生产和生活安全。

3)控制下泄洪水对泄槽段及下游的冲刷,保证大坝安全。

(3)改建方案选择。由于工程历经多次改建和续建,尽管现状溢洪道存在诸多遗留问题(如溢洪道轴线弯道过多、无消能设施等),但结合本中型水库工程实际,新建溢洪道或泄洪洞将涉及征地、移民、原溢洪道处理等诸多问题,无论从投资还是建设条件方面都不具备优势。

因此根据改建目标,可行的改建方案包括两个方案：①原址无闸门控制溢洪道改建方案；②原址溢洪道改建增加堰(闸)控制段方案。

开敞式无闸门控制溢洪道运用管理简单,超泄能力大,但不能充分发挥水库的防洪功能,下泄最大流量不易控制,下游安全标准低,上游相对较低标准洪水即可危及下游安全,该工程1975年9月16日的水库险情也验证了开敞式溢洪道的这一缺点。

根据《角峪水库防洪预案》,下游第一安全泄量为120m3/s,第二安全泄量为491m3/s。若采用开敞式溢洪道,即使扩建的泄槽段增加过流能力后(开敞式溢洪道泄流能力见表3.4-17),在满足大坝不加高条件下,163.57m高程水位起调,设计洪水过程(P＝1%),开敞式溢洪道最大泄量为367.92m3/s；校核洪水过程(P＝0.1%),开敞式溢洪道最大泄量为564.03m3/s；即使是20年一遇洪水标准,开敞式溢洪道的最大泄量也达234.13m3/s,均大于下游核定的第一安全泄量120m3/s。

表3.4-17　角峪水库开敞式溢洪道水位-泄流量关系表

由此,根据下游防洪要求,增加闸门(堰)控制泄洪是必要的。考虑工程现状、控泄流量和改建工程量等因素,控制工程的控泄目标定为：设计洪水位以下洪水控泄最大泄量120m3/s,设计洪水位以上敞泄,但校核洪水时最大泄量不超过491m3/s。

综上所述,角峪水库溢洪道改建方案推荐采用“原址溢洪道改建增加控制工程方案”。该方案工程措施主要包括：新建控制工程,新建泄槽防护工程,增建消能、防冲工程和扩挖尾水渠等。

2.总布置方案比选

(1)总布置方案比选内容。与新建溢洪道的工程布置不同,在原有开敞式溢洪道基础上进行改建,必须紧密结合现状溢洪道的布置和结构,尽量利用其合理的和有利的部分,经增建、改建或扩建,以较小的代价,达到预期的目标。

根据改建工程的以上特点,加之该工程改建后溢洪道轴线及各工程部位位置已相对明确,仅控制段结构形式及控制段的位置对溢洪道工程总布置影响较大,因此主要对控制段的结构型式和控制段在整个溢洪道体系中的位置进行了比选,泄槽及消能防冲布置根据实际地形条件进行综合分析和布置。

(2)控制段结构形式方案比选。原溢洪道为开敞式溢洪道,泄流控制段为宽100m的宽顶堰。根据改建方案比选结果,需要设控制工程(堰或闸)以控制下泄流量,但该工程现状溢洪道控制段宽度条件决定了改建方案控制段布置的多样性,针对这一问题,提出了3种可行方案：方案一开敞式溢流堰和控制闸结合方案、方案二闸坝(封堵)结合方案、方案三无闸门控制高低堰结合方案。

1)方案一开敞式溢流堰和控制闸结合方案。开敞式溢流堰和控制闸结合的结构形式,即在控制段中部设控制闸,两侧设开敞式溢流堰,溢流堰堰顶高程以下水位时泄水通过闸门调节,堰顶高程以上水位时敞泄。

由此,该方案的主要问题是溢流段堰顶高程、溢流段长度、闸门控制段长度和闸门控制段底坎高程(堰顶高程)之间相互协调关系的比选上。以上4个要素的组合将会引出众多比选方案,而控制段结构形式方案比选的最终目标是在坝体不加高条件下控制不同标准洪水条件下的最大下泄流量。

根据《角峪水库防洪预案》,下游第一安全泄量为120m3/s,第二安全泄量为491m3/s,因此控泄目标为设计洪水位以下条件时控泄最大流量为120m3/s,且需要同时满足校核洪水过程最大泄量不超过491m3/s。因此溢流段堰顶高程由设计洪水位确定,在总宽度一定条件下,溢流段宽度取决于闸门控制段宽度,而闸门控制段宽度由不同闸底高程条件下闸和堰的综合泄流能力决定,综合泄流能力的控制标准是充分利用水库防洪库容,且校核洪水标准下大坝不需加高。综合泄流能力过大,现状水库防洪库容得不到充分利用,综合泄流能力过小,大坝需要加高。

由此可见,堰闸结合布置方案的方案比选是众多因素的综合比选,是个逐步试算的过程,这里仅把几个代表性方案的比较及结果进行汇总,具体见表3.4-18。

表3.4-18　控制段结构方案比较表

从表3.4-18可以看出,同样闸孔尺寸条件下,随控制段闸底板高程升高,控制闸段过流能力降低,设计洪水位升高,堰顶高程升高,校核洪水过程综合泄流能力降低,校核洪水位相应增加；同样闸底高程条件下,随闸孔尺寸增加过流能力增加,设计洪水位降低,堰顶高程降低,校核洪水过程综合泄流能力增加,校核洪水位相应降低。

经坝顶高程计算,方案E满足控制段结构型式方案比选目标：在大坝不加高条件下,充分利用大坝除险加固后具备的防洪能力(防洪库容)。其他方案由于泄流能力较大,校核洪水位较低,不能充分利用防洪库容。同时,如果继续抬高闸底板及溢流段堰顶高程,降低过流能力,大坝则需要加高,不符合本次除险加固原则。由以上比较,对于开敞式溢流堰和控制闸结合方案采用方案E。本方案工程直接投资见表3.4-19。

表3.4-19　方案一工程直接投资表

2)方案二闸坝(封堵)结合方案。闸坝(封堵)结合方案,即在控制段中部设控制闸,闸两侧原溢洪道范围采用均质土坝封堵与左岸原坝体及右岸岸坡衔接。该方案控制闸堰顶高程和堰宽由以下两个条件确定：①20年一遇洪水时最大下泄流量为120m3/s；②大坝不加高。

根据以上条件,并在方案一比较基础上,设3孔×5m净宽闸门控制段,闸底高程为162.00m,闸两侧原溢洪道采用均质土坝封堵。经计算,此方案对应水位为百年一遇洪水位166.11m,千年一遇洪水位167.28m,大坝不需要加高。溢洪道封堵段土坝坝顶高程同原大坝为167.50m,土坝上游坡采用1:2.5,下游坡采用1:2。

该方案采用坝体封堵部分原溢洪道,与方案一比较,取消了溢流堰。但闸后过水断面由100m缩减为19m,增加了陡槽前(0＋162.8前)边墙高度；另外增加了该段挡墙后原溢洪道范围内的土方回填量及封堵段坝体填筑量；同时30年一遇洪水最大泄流量为141m3/s(方案一30年一遇洪水位最大泄流量为120m3/s),与方案一相比,增加了消能防冲工程量。综合以上因素,经计算,方案二直接投资较方案一增加4.00万元。本方案工程直接投资见表3.4-20。

表3.4-20　方案二工程直接投资表

续表

3)方案三无闸门控制高低堰结合方案。无闸门控制高低堰结合方案,即在控制段中部设低堰,堰顶高程为163.57m(正常蓄水位),两侧设开敞式溢流堰,堰顶高程为20年一遇洪水时相应洪水位。中部低堰的宽度满足20年一遇洪水时最大下泄流量120m3/s,两侧开敞式溢流堰宽度满足大坝不加高。

按以上要求试算,中部堰宽26m时满足20年一遇洪水时最大下泄流量120m3/s,对应洪水位为165.74m,此水位即两侧开敞式溢流堰堰顶高程；两侧采用宽顶堰,堰宽为2×36m时,对应千年一遇洪水位167.18m,满足大坝不加高。

根据调洪计算,方案三校核洪水位(千年一遇)最大泄流量为461m3/s,较方案一有较大增加(方案一校核洪水位最大泄流量为391m3/s)；同时方案三30年一遇洪水最大泄流量为148m3/s,较方案一也有增加(方案一30年一遇洪水位最大泄流量为120m3/s)。因此该方案泄槽及消能防冲工程量较方案一都有所增加。但由于该方案不设闸门,减少了控制闸机电及金属结构部分投资。经计算,方案三直接投资较方案一减少27.9万元。方案三工程直接投资见表3.4-21。

表3.4-21　方案三工程直接投资表

续表

综合分析以上3个方案,其各自的特点分别如下。

方案一：开敞式溢流堰和控制闸结合方案,该方案不仅可以解决泄流控制问题,也解决了沿溢洪道全宽设闸门的经济合理性问题,同时溢流段也具备一定的超泄能力,满足可能的超标准洪水泄洪需求。缺点是相对无闸门方案,溢洪道投资略高。

方案二：闸坝(封堵)结合方案,该方案特点在于以坝代堰缩短了控制段长度,且投资与方案一相当,控泄标准也可以达到工程要求的标准。但由于现状溢洪道是经历水库建成以来的多次改建在长期运用过程中逐步形成的,采用坝体封堵部分原溢洪道过水断面,不仅未能充分利用长期以来形成的有利地形条件,封堵后超泄能力极大降低,同时考虑到小流域水文资料的精确程度,在可能的超标准洪水情况下,大坝及下游安全得不到可靠保证。水流出闸后一直处于弯道,整个泄槽段水流流态不好。

方案三：无闸门控制高低堰结合方案,优点是充分利用了现状溢洪道地形条件,高低堰结合形式也具备一定的超泄能力,满足可能的超标准洪水泄洪需求。同时无闸门控制,运用方便,投资最少。但该方案控泄标准比方案一低,泄量大,相应洪水位较低,不能充分利用现状库容为水库提供的防洪效益。同时汛期无闸门调控,不利于实现流域内多水库联合防洪调度。

经以上综合分析,并着重从工程安全、充分发挥水库防洪效益两方面考虑,溢洪道控制段结构型式方案采用方案一,即开敞式溢流堰和控制闸结合方案。闸底高程为162.00m,控制段采用3孔×5m净宽闸门控制,溢流段堰顶高程166.34m,溢流段过水断面宽度2×39.0m。对应设计洪水位166.34m,校核洪水位167.35m。

(3)控制段布置方案比选。结合该工程现溢洪道实际条件,对溢洪道控制段工程布置进行了“近坝布置方案”和“远坝布置方案”两个方案的比较。两个方案的区别在于控制段轴线位置,“近坝布置方案”控制段轴线紧贴现东坝头,“远坝布置方案”控制段轴线位于“近坝布置方案”下游40m。

两方案控制段结构并无实质区别,主要区别在于溢洪道和大坝的衔接及进口水流条件两个方面,“近坝布置方案”与原坝体衔接条件好,但引渠弯道后至堰(闸)前的直线段距离较小(12.5m)；“远坝布置方案”需要延长坝体,增加投资,但引渠弯道后至堰(闸)前的直线段距离较大(52.5m),闸前水流条件优于“近坝布置方案”。

经过综合比较,根据《溢洪道设计规范》(SL 253—2000)中2.2.1条第4款：进水渠需要转弯时,弯道至控制堰(闸)之间宜有长度不小于2倍堰上水头的直线段,控制段最大堰上水头为5.35m。“近坝布置方案”亦满足这一规定,同时考虑到原开敞式溢洪道引渠较宽,弯道对水流条件影响不大。因此推荐控制段布置方案“近坝布置方案”。

(4)泄槽及消能防冲结构布置原则及方案确定。原溢洪道除进水渠和100m宽溢流槽段为人工开挖形成外,其余部分多为自然冲刷形成,局部冲刷严重,地形条件较为复杂。针对此地形条件,溢洪道泄槽及消能防冲结构的设计原则是：在满足各部位设计功能前提下尽可能根据现状地形条件,协调布置各部位建筑物,减小开挖,以减小工程投资及开挖弃渣对环境的影响。

溢洪道控制闸(堰)后至天然河道水平距离约720m,此段高程由163.50m降至150.00m,天然落差13.5m。由于局部冲刷,沿程地形变化复杂：闸后约150m范围内坡度较小,且有一洼地(据业主介绍为采石形成),该坑顺水流长度约23m,宽约76m,深约2.5m；其后约200m范围内集中了近10m落差,此范围内冲刷严重；之后到灌溉渡槽之间约70m范围内为一缓坡区域；渡槽附近有一天然跌水(冲坑),落差约1.5m,掏刷严重,危及渡槽基础安全；最后至河道间为缓坡滩地,主槽断面极小(最窄处约4m),过流断面严重不足,漫滩及滩面冲刷痕迹随处可见。

根据以上地形特点,结合该工程泄槽及消能防冲结构的设计原则,拟定了溢洪道闸后泄槽及消能防冲结构布置方案：闸后经过渡段后利用天然采石坑修整衬护作为天然消力池,其后设平底渐变段调整流态接陡槽,陡槽尾部设主消力池(挖深式底流消能),主消力池后接平坡过渡段,其后利用天然地形设跌水,消能后尾水接尾水渠入下游主河道。同时考虑到泄流过程中原跨溢洪道渡槽基础安全与溢洪道泄槽过流能力之间的相互不利影响,将原渡槽改建为倒虹吸。

3.建筑物设计

(1)结构组成与布置。根据工程总体布置方案比选结果,溢洪道改建工程总体布置由上而下分为以下几部分：进水渠、控制段、闸(堰)后过渡段、天然消力池、陡槽前过渡段、陡槽段、主消力池、平坡过渡段、跌水、尾水渠和穿溢洪道倒虹吸。

本次设计是在减少工程投资的基础上进行的,闸后没有衬砌段,平时应多进行观测,若岩石风化严重,将影响到工程运行安全,应及时进行衬砌。

(2)进水渠。进水渠整体上基本维持现溢洪道进水渠型式,改建部分包括162.00m高程引水渠、堰前163.50m高程混凝土铺盖、东坝头与控制段衔接结构、右岸堰前岸坡过渡段及防护。

162.00m高程引水渠起点桩号0-086.37,终点至闸前桩号0-016.00,底宽19m,闸前10m范围采用混凝土衬砌并兼做防渗铺盖,衬砌厚度0.3m。

堰前10m范围(0-026.00～0-016.00)163.50m高程采用混凝土防渗铺盖,单侧溢流堰堰前混凝土铺盖垂直水流向长度为39m,厚度0.3m,顺水流方向每10m设沉降缝,并设橡胶止水。

进水渠段东坝头与控制段的衔接采用浆砌石护坡(1:2)到浆砌石重力挡墙直墙的过渡扭面衔接,保证进口水流的平顺过渡。浆砌石护坡与坝体上游护坡衔接。

右岸堰前岸坡过渡段型式与东坝头近似,亦采用浆砌石扭面过渡与原进水渠右岸坡衔接,过渡段上游衔接段根据原进水渠段地形设39m长浆砌石护坡避免进口段岸坡冲刷,浆砌石护坡坡度1:2,垂直厚度0.3m。

(3)控制段。控制段(0-016.00～0＋000.00)总体上包括3个部分：控制闸、溢流堰和交通桥,控制闸布置在整个控制段中部,溢流堰在闸两侧对称布置,交通桥位于控制闸(堰)下游,与控制闸(堰)平行布置。控制段结构总体尺寸顺水流长度16m,垂直水流方向长度100m。

1)控制闸。控制闸闸室段沿水流方向长度8.0m,底板垂直水流方向总宽度20.0m。底板顶面高程162.00m,底板厚1.0m,闸底板开始和末尾处垂直水流方向设宽1.0m、高0.5m的齿槽,闸室底板与基础间设0.10m的C15素混凝土垫层。闸室设3孔,孔口尺寸5.0m×5.9m(宽×高)。

闸室中墩厚1.5m,边墩厚1.0m,顺水流方向长度均为8.0m。闸墩沿水流方向依次设有检修门槽和工作门槽,门槽尺寸0.80m×0.55m(宽×深),闸墩顶高程由计算定为167.90m,在该高程设检修工作平台,检修平台设人行工作桥,桥宽1.0m,工作桥通过启闭室工作楼梯167.90m平台段与闸后交通桥衔接,人行工作桥两侧设钢制栏杆,保证检修期间人员行走安全。

机架桥结构为框架结构,排架层高6.0m,顺水流方向净跨6.0m,排架柱共8根,柱断面尺寸0.50m×0.50m,检修门启闭设备(移动电动葫芦)悬挂于起吊钢梁上,起吊钢梁固定于机架桥次梁上,工作门启闭机(固定卷扬式)固定在启闭机支撑梁上,启闭荷载通过框架结构传导至闸墩。

启闭机层位于173.90m高程,启闭机层总体尺寸19.60m×7.0m,该层设3组6台工作门启闭机。

启闭机层以上设启闭机室以保护启闭及电器设备,启闭机室顶高程177.50m,层高3.60m,为砖混结构。

启闭机室与交通桥间设工作楼梯,楼梯宽度0.9m,分2级,楼梯共2组,对称布置于闸室两侧。

2)溢流堰。溢流堰对称布置于控制闸两侧,顺水流方向长度8.0m,单侧溢流净宽为39.0m,堰型为有底坎宽顶堰,堰基础面高程162.00m,堰前坎底高程163.50m,堰顶高程166.34,堰顶宽2.6m,堰顶进口边缘修圆,修圆半径R＝0.5m,堰后设1:1下游坡。堰后底板顶高程163.50m,下游坡与堰顶及堰后底板衔接段均修圆,修圆半径分别为0.35m和0.5m。

3)交通桥。交通桥布置于溢流段和控制闸段下游,与堰(闸)平行布置,交通桥共11跨,净跨5.0m共3联位于闸后,净跨9.0m共2部分,每段4联,在闸后对称布置,结构整体尺寸顺水流方向长度8.0m,垂直水流方向长度100.0m。

交通桥下部结构包括基础和桥墩。桥墩采用扩大基础,基础底宽3.0m,顶宽2.0m,堰后桥墩中墩厚度1.0m,闸后中墩厚度1.5m,边墩为悬臂式挡墙结构,墩厚1.0m,基础长度4.5m。堰后桥墩间净距9.0m,闸后桥墩间净距5.0m。

交通桥上部结构包括预制桥板、沥青混凝土路面及栏杆等。交通桥桥宽7m,其中沥青路面净宽6m,与坝顶路面宽度相同,路面两侧各设0.5m安全带。桥面采用预制钢筋混凝土空心板,荷载标准汽车-20级、挂车-100级,边板2块,中板2块；堰后交通桥预制桥板跨径10m,共8联,闸后交通桥预制桥板跨径6m,共3联。沥青路面厚度5cm,混凝土基层厚度15cm。桥面栏杆采用混凝土栏杆。

(4)闸后过渡段。闸后过渡段(0＋000.00～0＋085.00)是溢洪道泄槽的起始段,衔接控制段和天然消力池。该段依照原溢洪道泄槽地形布置,主要改建工程包括闸后19m宽泄槽、岸坡防护和堰后槽底衬砌。

闸后泄槽是闸后过渡段设计洪水位以下洪水泄流通道,槽宽19.0m,槽深1.5m,底坡i＝0.005,起点接闸后高程162.00m,终点接天然消力池池前高程161.58m。考虑溢洪道基础为岩石,水头较小,仅将交通桥后10m段进行混凝土衬砌,衬砌厚度0.3m。

原溢洪道岸坡为天然开挖岸坡,为全风化闪长岩,考虑到此段过流宽度大,流速低,桩号0＋010.00～0＋085.00段边坡开挖为1:2.5,不衬砌。

堰后槽底主要宣泄超百年一遇洪水,槽宽2×39.5m,考虑到运用频率较低,仅将交通桥后10m段进行浆砌石衬砌护底,衬砌厚度0.3m。

(5)天然消力池。天然消力池(0＋085.00～0＋118.00)是利用现状自然地形条件修整后形成的消能结构,其主要功能是减小陡槽前弯道过渡段的流速,避免弯道段流速过大。天然消力池基本维持该段原状地形,仅局部开挖调整水流条件。

天然消力池0＋085.00～0＋095.00段设陡坡与池底衔接,陡坡坡度闸后泄槽段为i＝0.108,即高程161.58～160.50m；堰后泄槽段为i＝0.258,即高程163.08～160.50m。

池底高程160.50m,顺水流方向总长度17m,宽度根据地形渐变为78.4～67.0m,池两侧开挖保留2m宽平台以减小池侧挡墙高度。由于此段的水头较低,天然消力池池底及池侧岸坡仅进行开挖整修,不进行衬砌。

(6)陡槽前过渡段。陡槽前过渡段(0＋118.00～0＋162.80)是泄槽由宽浅泄槽到陡槽的过渡段,过水断面宽度由69.0m渐变到陡槽起坡点的40.0m,此段轴线设半径为150m弧段调整水流方向,使水流导向下游陡槽。此段限制于原溢洪道条件,必须设置弯道和渐变,水流条件较为复杂,但由于位于天然消力池之后,流速小,流速在横断面内分布相对均匀,不存在冲击波对水流扰动问题。

陡槽前过渡段设为平坡以进一步调整水流进入陡槽时的流态,底高程根据地形地质条件设为161.90m。此段基础为岩石,不再进行衬砌。

(7)陡槽段。陡槽段(0＋162.80～0＋279.90)是整个泄水系统中的重要部分,但由于冲刷严重,该段现状地形条件复杂,新建陡槽轴线布置和纵坡设计较为复杂,在保证泄流前提下为尽量减小挖填方量,泄槽轴线布置尽量沿现状冲沟槽底线布置,纵坡设计以减小开挖且避免大规模槽底填方为原则。平面布置上,接陡槽前过渡段半径150m圆弧设渐变段,其后为直线段直至主消力池,以保证泄槽和消力池的平顺水力衔接。

陡槽段底坡i＝0.068,槽底高程161.90～153.90m。陡槽段分为两部分：渐变段(0＋162.80～0＋218.62)和等宽段(0＋218.62～0＋279.90)。

渐变段槽底宽由40m渐变到16m,等宽段底宽16m。由于此段基础岩石较好,可不进行衬砌。

陡槽段尾部(桩号0＋270.00～0＋279.90),为了不破坏消力池结构,此段底板采用混凝土衬砌,衬砌厚度0.5m。此段设无砂混凝土排水孔,排水孔孔径0.1m,顺水流方向共9排,排间距1.0m。

(8)主消力池。主消力池(0＋279.90～0＋322.00)集中消减陡坡段积聚水头,主消力池位置根据地形条件选择在天然陡坡段与下游缓坡段的折点位置。由于消力池下游天然坡度极缓,消能后需要过水断面较大,经计算为40m,陡槽段宽度仅为16m,为衔接上下游,综合分析和计算(参见主消力池水力计算)后采用挖深式底流消能,消力池边墙扩散,为减小消力池底坎挖深,增加辅助消能工。

主消力池包括陡坡衔接段、护坦、趾墩、尾坎及消力池边墙。

1)陡坡衔接段。陡坡衔接段(0＋279.90～0＋300.00)是陡槽段和消力池护坦的衔接段,该段净宽仍为16.0m,纵坡度分为两段,0＋295.56前纵坡与上段相同为i＝0.068,之后接弧段加大纵坡至1:4,以满足消力池挖深要求,同时避免泄槽段的整体挖深增加开挖工程量。

该段边墙顶高程与消力池边墙顶高程相同,为157.50m,因此随槽底高程降低,边墙高度增加,高度由3.6m渐变到5.7m,随边墙高度增加,悬臂式挡墙结构由于开挖断面较大已不适合,同时考虑该段均为岩石开挖,强风化闪长岩饱和抗压强度达48.4MPa,因此该段边墙采用锚杆式挡墙,挡墙厚度1.0m,岩石锚杆长度3.0m,间距1.0m×1.0m。

根据《溢洪道设计规范》(SL253—2000)4.4.2条规定,泄槽底板在消力池最高水位以下部分,应按消力池护坦设计。因此该段底板厚度采用1.0m,与消力池护坦厚度相同。

2)护坦。护坦设计的主要部分是确定护坦高程、护坦长度,以满足在池内形成淹没水跃或稍有淹没的水跃。

由于陡槽尾端收缩水深和池后下游水深已定,护坦底高程取决于不同消能结构型式的挖深需要,因此比较了边墙不扩散方案、边墙扩散方案和边墙扩散增加辅助消能工3个方案,根据计算(见水力设计部分)边墙不扩散方案护坦高程为150.80m；边墙扩散方案护坦高程为151.2m；边墙扩散增加辅助消能工方案护坦高程为151.80m；为减小挖深,降低边墙高度,护坦高程采用151.80m高程方案。(www.xing528.com)

护坦长度根据相应方案计算为22m,护坦厚度为1.0m,为满足抗浮要求,在底部设无砂混凝土排水孔,顺水流方向共12排,排水孔孔径0.1m,排间距1.0m。

3)趾墩、尾坎。根据水力学计算结果(见水力设计部分),趾墩及尾坎布置型式依照《水力学计算手册》中USBRⅢ型消力池布置,趾墩墩宽、墩高和间距都取为0.5m(近似于设计流量下的收缩水深hc＝0.618m),尾坎池内侧坡度1:2,尾坎顶高程154.30m,顶宽0.5m。

4)消力池边墙。虽经采用多种措施尽量减小护坦大挖深带来的边墙过高问题,经计算需要的边墙净高也达5.7m,加上护坦厚度1.0m,和基础垫层0.1m,边墙总高度为6.8m,悬臂式和重力式挡墙结构已不适合,与渐变段边墙相同,同时考虑该段均为岩石开挖,且岩石强度高,考虑经济性边墙采用锚杆式挡墙,挡墙厚度1.0m,岩石锚杆长度3.0m,间距1.0m×1.0m。

(9)平坡过渡段。平坡过渡段(0＋322.00～0＋420.00)是主消力池和下游跌水之间的衔接段,底高程均为153.50m。该段设成平坡的原因：①该段地形条件平缓且天然主槽断面小,陡坡开挖量较大；②平坡可增加主消力池池后断面水深,从而减小消力池挖深。该段分为两部分：扩散段(0＋322.00～0＋350.00)和等宽段(0＋350.00～0＋420.00)。

1)扩散段(0＋322.00～0＋350.00)是主消力池后的延伸段,不将扩算段全部设在主消力池范围内的原因是：避免扩散角过大导致扩散段中的扩散水流可能出现的扩散不佳,致使侧壁处产生回流从而迫使主流折冲侧壁形成折冲水流。扩散段由于紧接主消力池,水力条件相对复杂,该段边墙和底板均采用钢筋混凝土结构。底板过水断面宽度由26.56m扩散到40m,底板衬砌厚度0.4m,设沉降缝并设橡胶止水。边墙高度4.0m,采用悬臂式钢筋混凝土挡墙,经结构计算,墙顶厚度为0.5m,墙底断面厚度0.6m,底板厚度0.5m,墙后底板长度3.0m,墙前底板长度2.0m。

2)等宽段(0＋350.00～0＋420.00)过水断面宽度均为40m,该段为缓流段,槽底不衬砌；边墙为重力式浆砌石挡墙,由于该段后接跌水,沿程水深渐落,因此边墙高度渐变,由4.0m渐变到3.0m,墙顶宽0.5m,顶高程由157.50m渐变到156.50m,墙后坡度均为1:0.5。

(10)跌水。跌水(0＋420.00～0＋450.00)是泄槽段与尾水渠间的衔接段,跌水平面位置位于天然跌坎处,依据现状地形条件布置。跌水由进口段(0＋420.00～0＋430.00)、跌水墙、消力池(0＋430.00～0＋440.00)和出口段(0＋440.00～0＋450.00)4部分组成。4部分除出口段边坡为浆砌石结构外均为钢筋混凝土结构。

1)进口段(0＋420.00～0＋430.00)。进口段衔接上游平坡过渡段,底宽40.0m,底高程153.50m,进口形式为矩形缺口。渠底采用0.4m厚混凝土衬砌,边墙高度3.0m,采用悬臂式钢筋混凝土挡墙,经结构计算,墙顶厚度为0.5m,墙底断面厚度0.6m,底板厚度0.5m,墙后底板长度3.0m,墙前底板长度1.0m。

2)跌水墙。跌水高度较小为2.0m,故跌水墙型式采用垂直式,采用悬臂式钢筋混凝土挡墙,经结构计算,墙顶厚度为0.5m,墙底断面厚度0.8m,底板厚度0.5m,墙后底板长度3.0m,墙前底板长度2.0m。

3)消力池(0＋430.00～0＋440.00)。经水力计算(见水力设计部分),消力池底高程150.50m,池长10.0m,宽40.0m。底板厚度0.5m,底板设无砂混凝土排水孔,顺水流方向共设5排,排水孔孔径0.1m,排间距1.0m。消力池边墙为悬臂式钢筋混凝土挡墙,挡墙高度由6.0m渐变为4.0m,经结构计算,挡墙顶厚度为0.6m,墙底断面厚度1.0m,底板厚度0.8m,墙后底板长度3.0m,墙前底板长度3.0m。

4)出口段(0＋440.00～0＋450.00)。出口段衔接跌水消力池和下游尾水渠,底高程152.00m,宽度40.0m。渠底采用混凝土衬砌,衬砌厚度0.3m；边墙采用浆砌石,边墙高度2.5m,该段边墙为扭面,由重力式挡墙渐变为1:2护坡,接下游尾水渠。

(11)穿溢洪道倒虹吸。现状溢洪道0＋425桩号附近有一渡槽,横跨溢洪道泄槽,渡槽基础为浆砌石基础,泄槽范围内共设8个槽墩,严重阻水,槽墩经多年泄水冲刷,损坏严重,且该处紧邻地形跌坎,长期冲刷,渡槽安全不能保证。因此考虑到泄流过程中渡槽基础安全与溢洪道泄槽过流能力之间的相互不利影响,将原渡槽改建为倒虹吸。

原跨溢洪道渡槽是角峪水库东放水洞后灌溉渠道的一部分,东放水洞设计流量为2.0m3/s,因此倒虹吸设计流量按2.0m3/s。

由于倒虹吸规模较小,倒虹吸布置采用竖井式。倒虹吸由进口段竖井段、预制管身段和出口竖井段3部分组成。

1)进口竖井段。进口竖井段位于溢洪道跌水进口段左岸,竖井平面尺寸3.0m×3.0m,该尺寸由预制段管身直径和竖井整体稳定性确定。竖井钢筋混凝土结构边墙顶高程与进口渠道边墙顶高程相同,为157.80m；竖井底高程由溢洪道泄槽底高程和管身直径及管底集砂坑深度综合确定,为149.50m。竖井边墙厚度0.5m,垂直倒虹吸水流方向上下游设扶壁,扶壁位于边墙中部,扶壁厚度0.5m,顶宽0.5m,底宽3.0m。

进口渠底高程156.20m,竖井进口边墙设溢流槽,槽顶高程157.60m,溢流槽保证下游渠道在可能出现的事故工况条件下,控制倒虹吸前水位,渠道弃水通过溢流槽进入溢洪道不致影响溢洪道跌水段边墙安全。

2)预制管身段。预制管身段采用钢筋混凝土预制圆管,以埋涵形式穿过溢洪道底部, 涵管采用预制钢筋混凝土圆管,管型号RCPⅢ1800×2000GB11836,单节长2.0m,管径1.8m,壁厚0.18m,共28节,刚性接口企口管。涵管基础为C25素混凝土基础,涵管基础支撑角2α＝120°,基础每14m设一沉降缝。

3)出口竖井段。出口竖井段位于溢洪道跌水进口段右岸,竖井结构形式与进口相同,仅边墙顶高程降为157.70m,与出口渠道边墙顶高程相同；竖井底高程为149.50m,竖井边墙厚度0.5m；垂直倒虹吸水流方向上下游设扶壁,扶壁位于边墙中部,扶壁厚度0.5m,顶宽0.5m,底宽3.0m；出口渠底高程156.10m。

4.水力设计

(1)泄流能力计算。

1)控制闸。控制闸尺寸及结构型式已由控制段结构比选确定,闸孔尺寸为3孔×5m净宽。水力计算的主要内容包括两部分：不控泄过流能力计算和控泄过程闸门开度计算。

a.不控泄过流能力计算。按照无坎宽顶堰自由出流公式计算：

式中：σc为侧收缩系数；m为自由溢流流量系数；n为闸孔孔数；b为过流宽度,m；H0为包括行近流速的堰前水头,即H0＝H＋/2g；g为重力加速度。

由于闸前进水渠为复式断面,考虑侧收缩影响,163.50m高程以下和以上流量系数不同,流量系数采用“直角形翼墙进口的平底宽顶堰流量系数”,插值获得。163.50m高程以下流量系数m1＝0.362；163.50m高程以上流量系数m2＝0.323。

由于对无坎宽顶堰,此流量系数已考虑了侧收缩影响,因此,侧收缩系数σc取1.0。

根据以上参数,经计算,控制闸段不控泄水位-流量关系见表3.4-22。

b.控泄过程闸门开度计算。设计洪水位(166.34m)以下水位,控制闸控泄流量为120m3/s,控泄过程闸门开度应用闸孔出流公式计算,公式为

式中：Q为过流量,m3/s；σs为淹没系数；n为孔数；ε为垂直收缩系数；μ为流量系数,μ＝εφ,φ为流速系数；e为闸孔开启高度,m。

计算结果见表3.4-23。

表3.4-22　控制闸段不控泄水位-流量关系表

表3.4-23　控制闸控泄流量120m3/s时闸门开度

2)溢流堰。溢流堰尺寸及结构型式已由控制段结构比选确定,溢流段为有底坎宽顶堰,溢流面净宽2×39m。水力计算的主要内容为水位-流量关系。

按照有坎宽顶堰自由出流公式计算：

流量系数取值按进口边缘修圆,P/H≥3.0条件,取m＝0.36；侧收缩系数σc取0.97。

根据以上参数,经计算,溢流堰水位-流量关系见表3.4-24。

表3.4-24　溢流堰水位-流量关系表

(2)溢洪道泄槽水面线计算。溢洪道泄槽水面线通过沿程各控制断面的控制水深,按分段求和法计算。

1)沿程控制水深计算。泄洪道泄槽控制水深计算结果见表3.4-25。

表3.4-25　溢洪道泄槽控制水深计算结果表

注　闸后收缩断面位置随闸门开度变化,设计洪水位,控泄120m3/s,闸门开度1.66m,收缩断面位置为0-006.90,由于闸后接陡坡,不产生水跃,近似认为0＋000.00断面水深等于收缩水深。

2)分段求和法水面线计算。根据已知断面控制水深,采用分段求和法计算水面线,计算公式如下：

式中：ΔS为计算流段长度,m；Esd为ΔS流段的下游断面的断面比能,m；Esu为ΔS流段的上游断面的断面比能,m；为流段的平均水力坡度；i为泄槽段纵坡。

波动及掺气水深计算公式为

式中：h为不计入波动及掺气的水深,m；hb为计入波动及掺气的水深,m；v为不计入波动及掺气的计算断面上的平均流速,m/s；ξ为修正系数,可取1.0～1.4s/m,视流速和断面收缩情况而定,当流速大于20m/s时,宜采用较大值,因渠道流速较小,此处取为1.1s/m。

依据上述公式,泄槽各段水面线计算成果见表3.4-26。

表3.4-26　泄槽各段水面线计算成果表

(3)天然消力池水力计算。天然消力池由采用现状天然地形修整开挖而成,30年一遇洪水标准泄流均在闸后19m宽泄槽内,而消力池处垂直水流向长度突扩为78.4m,对于此类条件,目前没有可以采用的计算理论。这里按照矩形断面水跃计算方法复核消力池深度和长度,由于实际跃后水深将远小于计算值,对于此消力池是偏于安全的算法。

1)计算消力池深。

式中：T0为收缩断面的总能量,m；hc为收缩断面的水深,m；q为收缩断面的单宽流量,m2/s；Frc为收缩断面的弗劳德数；为跃后水深,m。

式中：Δz为消力池出口水面落差,m；q为消力池末端单宽流量,m2/s；φ为水流自消力池出流的流速系数0.95；ht为下游水深,m；σ为安全系数1.05；s为消力池池深,m。

经计算,跃后水深为2.62m,下游水深为0.97m,消力池挖深为1.65m,如前所述,由于断面突扩,实际跃后水深将远小于计算值,现状坑底高程清理后高程为160.50m,相当于挖深1.40m,因此认为天然消力池的深度符合要求。

2)消力池长度。

式中：Lsj为消力池的长度,m；Ls为消力池斜坡段的长度,m；β为水跃长度校正系数,可采用0.7～0.8；Lj为水跃长度,m。

经计算,Lj＝13.77,消力池长度Lsj＝21.0m,因此天然消力池长度满足要求。

(4)主消力池水力计算。

1)设计标准。消能防冲按30年一遇洪水标准(P＝3%)设计,相应溢洪道最大泄量为120m3/s。

2)消力池。共轭水深计算按照矩形扩散明渠水跃计算公式计算,计算公式为

式中的ψ按下式计算：

式中的β0＝1.03。

收缩断面水深hc已由陡槽段水面线计算求得,即hc＝0.618,经计算,h″c＝3.64m。

消力池深度d按《溢洪道设计规范》(SL253—2000)所给公式计算,即

式中：为共轭水深,m；ht为下游水深,m；Δz为消力池出口水面落差,m；σ为安全系数,此处取σ＝1.05。

消力池后为平坡过渡段,底高程153.50m,经水面线推求,120m3/s流量时,下游水深为1.56m,消力池挖深d＝3.82m,对应底坎高程为151.20m,为减小消力池挖深,增设辅助消能工,设计流量收缩断面流速为12.13m/s,满足设辅助消能工流速不超过16m/s的要求,辅助消能工型式为趾墩和尾坎。

由于趾墩的存在,使收缩水深变为hc1,由下式解出：

式中：hcr＝hc1/hc。

经计算,hc1＝0.741,此收缩水深的共轭水深为＝3.30。

由于尾坎的存在,护坦高程可取为下游水位减,由此护坦高程为151.80m。

水跃长度Lj按下式计算：

式中：1.7＜Fr1≤9.0。

计算得消力池长度为21.22m,实际取消力池长度为22.0m。

(5)跌水水力计算。跌水按30年一遇洪水标准(P＝3.33%)设计,相应泄量为120m3/s。

跌水为垂直式跌水墙,水力计算按以下经验公式。

1)跌落水舌长度。

2)水舌后水深。

3)收缩水深。

4)跃后水深。

5)水跃长度。

6)池深。

7)池长。

式中：P为跌坎高度。

跌水水力计算结果见表3.4-27。

表3.4-27　跌水水力计算成果表

综合考虑该处陡坎地形条件,跌水底高程为150.50m,池深1.5m,池长10m。

(6)穿溢洪道倒虹吸水力计算。

1)计算条件。原跨溢洪道渡槽是角峪水库东放水洞后灌溉渠道的一部分,因此改建后穿溢洪道倒虹吸设计流量按2.0m3/s设计,与东放水洞设计流量相同。

根据实测地形图,原渡槽段上下游渠道衔接边墙顶高程分别为157.80m和157.70m,根据业主提供资料,现渡槽底高程为156.20m。

根据以上资料,倒虹吸过水断面规模按照设计流量2.0m3/s时,上下游水头差Z＝0.10m设计。

2)水力计算。由于原渡槽段上下游水位已定,水力计算的目的是计算经济的过水断面或管道直径。

倒虹吸管内的水流为压力流,过水能力可按压力管道公式计算：

其中

式中：Q为倒虹吸设计流量,m3/s；进出口竖井段局部损失系数取1.0,沿程损失系数λ＝8g/C2,C为谢才系数。

由此计算出当Z＝0.10m、Q＝2.0m3/s时D0＝1.741m,选用定型钢筋混凝土预制管管径D0＝1.80m。

复核管径D0＝1.80m、Z＝0.10m时,过流能力为Q＝2.15m3/s,对应沿程水头损失hf＝0.027m,局部水头损失hj＝0.073m。过流能力满足要求。

5.控制段结构计算

(1)闸室稳定计算。

1)荷载及荷载组合。作用在水闸上的竖直向荷载主要有闸室自重、设备自重、水重、扬压力等,水平向荷载主要有静水压力。荷载组合分基本组合与特殊组合,其中基本组合包括完建情况、正常蓄水位情况及设计洪水位情况,特殊组合包括检修情况及校核洪水位情况,设计烈度为6度,不计算地震工况。荷载组合情况见表3.4-28。

表3.4-28　溢洪道闸室段稳定计算荷载组合表

2)计算公式。

a.抗滑稳定。抗滑稳定安全系数按《溢洪道设计规范》(SL 253—2000)混凝土与岩基的抗剪断强度公式计算,计算公式为

式中：K为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′为堰(闸)体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数；c′为堰(闸)体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力；A为堰(闸)体混凝土与基岩接触面的面积；∑W为作用在堰(闸)体上的全部荷载对计算滑动面的法向分量；∑P为作用在堰(闸)体上的全部荷载对计算滑动面的切向分量。

b.基底应力。基底应力计算公式

式中：∑G为作用在堰(闸)体基础上的全部竖向荷载,kN；为闸室基底应力的最大值或最小值,kPa；A为闸室基底面的面积,m2；∑M为作用在闸室上的全部竖向和水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩,kN·m；W为闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩,m3。

不均匀系数：η＝Pmax/Pmin≤[η]。

c.抗浮稳定。抗浮稳定计算公式为

式中：Kc为闸室抗浮稳定安全系数；∑V为作用在闸室上全部向下的铅直力之和；∑U为作用在闸室基底面上的扬压力。

3)计算条件及参数。闸室段稳定计算按3孔整体进行计算。闸室顺水流长度8.0m,宽20.0m。

按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数允许值见表3.4-29。

表3.4-29　抗滑稳定安全系数允许值表

注　地震情况为特殊组合(2),其他情况为特殊组合(1)。

闸室基础位于全风化闪长岩上部,因此,堰(闸)体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数f′按Ⅴ类岩体下限取0.4；堰(闸)体混凝土与基岩接触面的抗剪断黏聚力C′按Ⅴ类岩体下限取0.05MPa；闸室段稳定计算按3孔整体进行计算。闸室顺水流长度8.0m,宽20.0m。

4)计算成果。闸室段稳定及基底应力计算见表3.4-30。

表3.4-30　闸室段抗滑稳定计算成果表

计算成果表明,不同运用工况,控制闸抗滑稳定安全系数和抗浮稳定安全系数均满足《水闸设计规范》(SL265—2001)要求。

(2)闸底板内力计算。

1)计算方法。根据《水闸设计规范》(SL265—2001),对于开敞式闸室底板的应力分析,岩基上的水闸闸室底板的应力分析可按照基床系数法(文克尔假定)计算。角峪水库溢洪道闸室符合以上条件,因此,闸底板应力分析采用基床系数法计算。

计算采用中国建筑科学研究院PKPM CAD软件计算,计算过程采用该软件《结构平面计算机辅助设计》PMCAD和《基础工程计算机辅助设计》JCCAD两大模块。采用结构计算模块建模并布置荷载,经荷载传导计算,由基础工程计算机辅助设计模块按照弹性地基筏板基础板元法计算(按广义文克尔假定)。根据基床反力系数推荐值表,对于强风化硬质岩石K＝200000～1000000kN/m3,本次计算中K取200000kN/m3。

2)计算结果。闸底板内力计算结果见图3.4-7。

图3.4-7　闸底板内力计算结果图

底板配筋根据以上弯矩包络图按钢筋混凝土结构计算配筋,经计算,地梁(板带每延米)配筋面积为2000mm2,实配φ25@200,闸底板单位长度实配钢筋面积为2454.37mm2。

(3)溢流堰稳定计算。溢流堰段取39.0m宽整体计算,溢流堰段稳定计算参数选取及计算方法与闸室段相同。计算结果见表3.4-31。

表3.4-31　溢流堰抗滑稳定计算成果表

计算成果表明,不同运用工况,溢流堰抗滑稳定安全系数和抗浮稳定安全系数均满足《水闸设计规范》(SL265—2001)要求。

6.主要工程量

溢洪道改建主要工程量汇总见表3.4-32。

表3.4-32　溢洪道改建主要工程量汇总表

3.4.1.4 安全监测

1.监测设计原则

该工程监测设计的主要原则如下。

(1)突出重点、兼顾全局,既要密切结合工程具体情况,以危及建筑物安全的因素为重点监测对象,做到少而精,同时兼顾全局,又要能全面反映工程的运行状况。

(2)由于该工程为已建工程,因此以外部变形和坝体渗流为主。监测项目的设置和测点的布设应满足监测工程安全资料分析的需要。

(3)对于监测设备的选择要突出长期、稳定、可靠。

2.监测项目选择

为确保大坝的安全运行,掌握大坝的工作状态,根据《土石坝安全监测技术规 范》(SL60—1994)要求,结合该工程的实际情况以及类似工程的经验,该工程设置了如下监测项目。

(1)坝体水平位移和垂直位移监测。

(2)坝体浸润线监测。

(3)坝基渗透压力、绕坝渗流监测。

(4)东、西放水洞与坝体结合部的渗流监测。

(5)溢洪道的安全监测。

(6)库水位、气温和降雨量监测。

3.大坝安全监测

(1)已有安全监测项目。角峪水库于1960年7月初建成,原工程只有简单的观测设备,由于年久失修,已基本上不能正常使用。鉴于上述情况,在本次改造中不考虑对原有的观测设施进行利用,所有项目均为新设项目。

(2)监测布置。

1)坝体的水平位移和垂直位移监测。外部变形监测是判断大坝是否正常运行的重要指标。根据该水库自身的特点以及运行情况,在主坝的平行坝轴线方向上布设2条测线,分别位于坝顶和坝下游一级马道上,每条测线上每间隔50m左右设置1个位移标点,监测坝体的水平位移和沉降,共42个测点。

2)坝体浸润线监测。对土石坝而言,坝体浸润线的高低是大坝稳定与否的关键,为监测坝体浸润线的分布情况,主坝沿坝轴方向共布设5个监测断面进行监测,分别位于坝轴线桩号0＋200、0＋267、0＋400、0＋500和0＋700处,每个监测断面上布设3个测压管,分别位于坝顶、坝下一级马道、马道下的边坡上。除此之外,为监测复合土工膜和高喷混凝土墙的防渗效果,在上述监测断面的高喷混凝土墙后、复合土工膜下的坝体159.00m高程附近各布设1支渗压计,共5支。渗压计通过电缆引向观测站。

3)坝基渗透压力、绕坝渗流观测。为监测坝基的渗流情况,在上述5个监测断面上,坝顶和坝下一级马道的测压管底部的坝基内,分别布设1支渗压计,共10支。

为监测主坝的绕坝渗流状况,在主坝两侧坝肩分别布设3支测压管。

4)东、西放水洞与坝体结合部的渗流监测。为监测东、西放水洞与坝体结合部的渗流状况,在其结合部各布设3支渗压计,共6支。

5)溢洪道的安全监测。在本次除险加固中,溢洪道属于重建工程,为监测溢洪道底板渗透压力,在沿底板中心线上布置3支渗压计,为监测溢洪道与坝体结合部的接触渗流,沿溢洪道与坝体结合部布设5支渗压计,左侧2支,右侧3支,共计8支。渗压计通过电缆引向监测站。

另外,为监测溢洪道的不均匀沉陷情况,在溢洪道闸室及挡墙左右两侧各布置6个垂直位移标点,共12个。

6)库水位、气温和降雨量监测。根据该水库目前现状,水位计拟放在主坝上游坡库水位比较平稳的部位,通过水压力的变化来测定库水位的高低。同时,在西放水洞闸室侧面布设1个水尺,用以进行人工观测。

为监测库区附近的大气温度和降雨量,拟在水库管理所内的监测房顶设1个百叶箱和1个雨量计。

该工程拟设2个观测站,在坝顶桩号0＋500桩号附近新建一座观测站,另一座观测站位于水库管理所内,可利用已有空房。仪器电缆根据距离两座观测站的远近,就近引入测站。

4.监测工程量表

安全监测工程量见表3.4-33。

表3.4-33　安全监测工程量表

3.4.1.5 机电及金属结构

1.电气一次

(1)现状。角峪水库现有变电站为1980年建造,运行年久,电气设备已严重老化,变压器型号S7-50/10,型号老、容量小、损耗大、变压器漏油严重,运行的安全性和可靠性较差,不符合节能要求,属于淘汰产品；变电站低压配盘是无型号、无生产厂家、无出厂日期的“三无”产品,电器元件已老化；动力箱小,锈蚀严重,进、出线混乱且不规范,低压线路均为架空裸线、部分地段较低、存在严重安全隐患、对人身安全构成威胁；柴油发电机、坝顶照明灯具等已被盗,部分地段供电设施已被破坏；变电站无补偿设备；房子破旧、漏雨严重等。

此次更新改造将原有电气设备、线路全部更换,变电站重建。

由于原变电站位于管理房处(管理房变电站),距新建溢洪道较远约为1200m,已超出0.4kV供电范围(500m),需在溢洪道处新建1座10/0.4kV变电站,命名为“溢洪道变电站”,变电站电源从附近村庄10kV线路“T”接一回架空至溢洪道变电站,距离约1.5km。(当地供电部门已同意)

(2)电源引接方式。本次属除险加固改造,根据《供配电系统设计规范》(GB 50052—1995)规定溢洪道变电站按二级负荷设计,主供电源从“T”接架空来的10kV电 源终端杆引下经电缆(YJV22-3×358.7/10kV)至变电站；备用电源由柴油发电机组发电经电缆(ZR-YJV22-3×70＋1×35 1kV)至变电站0.4kV母线；变电站主要为溢洪道、东放水洞闸门启闭机、照明负荷、检修负荷等负荷供电；电网与柴油发电机组通过SQG1-200-3PF自动电源转换开关,完成双回路供电系统的电源自动转换,以保证重要负荷供电的可靠性；溢洪道变电站为新建。

管理房变电站按三级负荷设计,负荷采用单电源供电：利用原有10kV电源,从原终 端杆引下经电缆(YJV22-3×358.7/10kV)至管理房变电站；变电站主要为西放水洞闸门启闭机、照明负荷、检修负荷、计算机监控负荷及原有负荷等负荷供电；管理房变电站为重建。

(3)电气接线。溢洪道变电站、管理房变电站均属永久变电站,电压等级为10kV/0.4kV；高压均采用组合式变电站,共2台；变压器容量均为100kVA。

1)溢洪道变电站。10kV进线1回,0.4kV进、出线采用MNS组合式低压开关柜共1面,电容补偿柜1面,补偿装置容量为15×2＝30kvar。另设1台柴油发电机组作为外来电源失去时的备用电源,为重要闸用负荷供电；本站10kV侧采用单母线接线,0.4kV侧亦采用单母线接线,高压侧1回进线接入10kV母线,经主变压器至0.4kV母线,考虑到负荷功率不大,距离较近,在低压母线上采用集中补偿装置补偿。

2)管理房变电站。10kV进线1回,0.4kV进、出线采用MNS组合式低压开关柜共2面,电容补偿柜1面,补偿装置容量为15×2＝30kvar。本站10kV侧采用单母线接线,0.4kV侧亦采用单母线接线,高压侧1回进线接入10kV母线,经主变压器至0.4kV母线,考虑到负荷功率不大,在低压母线上采用集中补偿装置补偿。

(4)主要电气设备选择。

1)组合式变电站。溢洪道变电站变压器容量选择：因最大运行工况为2台7.5kW启闭机运行,正常照明加1台7.5kW启闭机起动,选择变压器容量为100kVA。

管理房变压器容量选择：考虑原有负荷(管理处办公楼、职工宿舍楼、潜水泵、塑料加工厂、太阳能集热管加工厂)和本次改造的西放水洞负荷,选择变压器容量为100kVA。

型式：ZBN-100/10 户内型

高压单元：

额定电压：10kV；

最高工作电压：11.5kV；

额定电流：630A；

额定短时耐受电流：16kA；

额定峰值耐受电流：40kA。

变压器单元：

型式：SC10-100/10 环氧树脂浇注干式变压器；

额定容量：100kVA；

额定电压：10/0.4kV；

绝缘水平：LI175AC35/LI0AC3；

高压分接范围：±2×2.5%；

联接组别：D,yn11；

阻抗电压：Uk＝4%。

2)氧化锌避雷器。

型号：Y5WS5-17/50；

系统额定电压：10kV；

避雷器额定电压：17kV；

避雷器持续运行电压：13.6kV；

雷电冲击残压：50kV；

爬电比距：大于2.4cm/kV。

3)跌落式熔断器。

型号：RW9-10；

额定电压：10kV；

额定电流：100A；

额定断流容量：100kVA。

4)低压开关柜。

型式：MNS型,低压抽出式开关柜；

额定工作电压：380V；

额定绝缘电压：660V；

水平母线额定工作电流：4000A；

垂直母线额定工作电流：1000A；

水平母线短时耐受电流：80kA；

垂直母线短时耐受电流：60kA；

外壳防护等级：IP4X。

5)柴油发电机柴油。柴油发电机容量选择：按2台7.5kW启闭机运行,正常照明加1台7.5kW启闭机起动,选择柴油发电机容量为68kW。

额定输出功率：68kW；

额定电压：400V三相四线；

额定频率：50Hz；

额定功率因数：0.8；

噪声水平(dB)：不大于92。

(5)主要电气设备布置。溢洪道变电站布置在溢洪道附近,与10kV终端接杆、溢洪道、东放水洞均相对合理,且地势相对较高,不易积水、便于值班人员巡视的地方。组合式变压器、低压柜、无功补偿柜布置在变电站内。柴油发电机布置在柴油发电机房内。变电站内布置见配电房电气设备布置图。

管理房变电站布置在原地附近,与10kV终端杆、管理房、西放水洞均较合理,且地势相对较高,不易积水、便于值班人员巡视。组合式变压器、低压柜、无功补偿柜布置在变电站内。变电站内布置见配电房电气设备布置图。

溢洪道、东放水洞、西放水洞启闭机控制箱布置在启闭房内,为方便溢洪道、放水洞启闭机检修,溢洪道、东放水洞、西放水洞房内各布置1个配电箱、1个照明箱。

从变电站至溢洪道、东放水洞、西放水洞、管理房均采用电缆穿管直埋敷设；溢洪道、放水洞房内电缆穿管暗敷。

(6)照明。为降低损耗,采用节能型高效照明灯具。启闭机房照明布置工矿灯,事故照明灯采用带蓄电池灯具；变电站、柴油发电机房、管理房办公楼照明布置荧光灯、吸顶灯,事故照明灯采用带蓄电池灯具。坝顶道路照明灯具布置在坝顶上游侧,灯杆采用钢管杆,杆高8m,安装间距为30m,电缆穿管直埋。

(7)过电压保护及接地。为防止雷电波侵入,管理房变电站在10kV电源进线处,即原10kV架空线终端杆上装设一组氧化锌避雷器；溢洪道变电站在10kV架空线终端杆上装设一组氧化锌避雷器。

接地系统以人工接地装置(接地扁钢加接地极)和自然接地装置相结合的方式。人工接地装置包括：变电站、溢洪道、管理房、放水洞等处设的人工接地装置。自然接地装置主要是利用结构钢筋等自然接地体,人工接地装置与自然接地装置相连,所有电气设备均与接地网连接。接地网接地电阻不超过1Ω,若接地电阻达不到要求时,采用高效接地极或降阻剂等方式有效降低接地电阻,直至满足要求。

(8)电缆防火。根据《水利水电工程设计防火规范》(SDJ278—1990)要求,所有电缆孔洞均应采取防火措施,根据电缆孔洞的大小采用不同的防火材料,比较大的孔洞选用耐火隔板、阻火包和有机防火堵料封堵,小孔洞选用有机防火堵料封堵。电缆沟主要采用阻火墙的方式将电缆沟分成若干阻火段,电缆沟内阻火墙采用成型的电缆沟阻火墙和有机堵料相结合的方式封堵。

(9)主要工程量表。电气一次主要工程量见表3.4-34。

表3.4-34　电气一次主要工程量表

续表

2.电气二次

(1)控制范围。角峪水库闸门自动控制系统的控制范围包括东放水洞工作闸门1扇、西放水洞工作闸门1扇、溢洪道工作闸门3扇,其中东、西放水洞工作闸门配套螺杆式启闭机,电机功率为3kW；溢洪道工作闸门配套固定卷扬启闭机,电机功率为7.5kW。

(2)控制方式及系统组成。闸门控制拟采用由上位计算机系统及现地控制单元组成的分层分布式控制系统。

1)上位计算机系统。由监控计算机、不间断电源、以太网交换机等设备组成,设于水库管理处办公室内。

2)现地控制单元。设于启闭机房,与上位计算机系统通过以太网连接,由PLC控制屏、动力屏、自动化元件构成。

PLC控制屏内装设可编程序逻辑控制器(PLC)、触摸屏、信号显示装置、网络服务器等。PLC具有网络通信功能,采用标准模块化结构。PLC由电源模块、CPU模块、I/O模块、通信模块等组成。

动力屏装设主回路控制器件,主要包括空气开关、接触器、热继电器等。

为了配合实施闸门控制系统的功能要求,实现闸门的远方监控,启闭机均装设闸门开度传感器、荷重传感器和水位传感器,将闸门位置信号、荷载信号及水位信号传送至现地控制单元和上位机系统,为闸门控制提供重要参数。

(3)上位计算机系统的功能。

1)数据采集和处理。模拟量采集：闸门启闭机电源电流、电压、闸前水位、闸后水位、闸门开度、闸门荷载。

状态量采集：闸门上升或下降接触器状态、闸门启闭机保护装置状态、动力电源、控制电源状态、有关操作状态等。

2)实时控制。通过监控计算机对闸门实施上升或下降的控制,所有接入闸门控制系统的闸门均采用现地控制与远方控制两种控制方式,互为闭锁,并在现地切换。

3)安全运行监视。

a.状态监视。对电源断路器事故跳闸、运行接触器失电、保护装置动作等状态变化进行显示和打印。

b.过程监视。在控制台显示器上模拟显示闸门升降过程,并标定升降刻度。

c.监控系统异常监视。监控系统中硬件和软件发生故障时立即发出报警信号,并在显示器显示记录,同时指示报警部位。

d.语音报警。利用语音装置,按照报警的需要进行语言的合成和编辑。当事故和故障发生时,能自动选择相应的对象及性质语言,实现汉语语音报警。

4)事件顺序记录。当供电线路故障引起启闭机电源断路器跳闸时,电气过负荷、机械过负荷等故障发生时,应进行事件顺序记录,进行显示、打印和存档。每个记录包括点的名称、状态描述和时标。

5)管理功能。

a.打印报表。包括闸门启闭情况表、闸门启闭事故记录表。

b.显示。以数字、文字、图形、表格的形式组织画面在显示器上进行动态显示。

c.人机对话。通过标准键盘、鼠标可输入各种数据,更新修改各种文件,人工置入各种缺漏的数据,输入各种控制命令等,实现各涵闸运行的监视和控制。

6)系统诊断。主控级硬件故障诊断：可在线和离线自检计算机和外围设备的故障,故障诊断应能定位到电路板。

主控级软件故障诊断：可在线和离线自检各种应用软件和基本软件故障。

7)软件开发。应能在在线和离线方式下,方便地进行系统应用软件的编辑、调试和修改等任务。

(4)现地控制单元的功能。

1)实时数据采集和处理。模拟量采集：闸门启闭机电源电流、电压、闸前水位、闸后水位、闸门开度、闸门荷载。

状态量采集：闸门行程开关状态、启闭机运行故障状态等。

涵闸监控系统通过在不同点安装一定数量的传感器进行以上数据的信号采集,并对数据进行整理、存储与传输。

2)实时控制。运行人员通过触摸屏在现场对所控制的闸门进行上升、下降、局部开启等操作。闸门开度实时反映,出现运行故障能及时报警并在触摸屏上显示。通过通信网络接受上位机系统的控制指令,自动完成闸门的上升、下降、局部开启。

3)安全保护。闸门在运行过程中,如果发生电气回路短路电源断路器跳闸,当发生电气过负荷,电压过高或失压,启闭机荷重超载或欠载时,保护动作自动断开闸门升/降接触器回路,使闸门停止运行。如果由于继电器、接触器接点粘连,或发生其他机械、电气及环境异常情况时,应自动断开闸门电源断路器,切断闸门启闭机动力电源。

4)信号显示。在PLC控制屏上通过触摸屏反映闸门动态位置画面、电流、电压、启闭机电气过载、机械过载、故障等信号。

5)通信功能。现地控制单元将采集到的数据信息上传到上位机系统,并接收远程控制命令。

3.金属结构

(1)概况。角峪水库除险加固工程金属结构设备主要布置在新建东放水洞、西放水洞和溢洪道控制闸。金属结构设备包括平面闸门7扇、螺杆启闭机2台、单轨移动式启闭机2台、固定卷扬式启闭机3台。总工程量约为53.6t。

(2)工程现状和存在的主要问题。角峪水库始建于20世纪60年代,由大坝、东放水涵洞、西放水涵洞、开敞式溢洪道组成。金属结构设备布置在东、西放水涵洞进口。

东放水洞进口设工作闸门1扇,孔口尺寸1.0m×1.0m,1973年更换为平板钢闸门,采用螺杆启闭机操作。

西放水洞进口设工作闸门1扇,孔口尺寸1.2m×1.2m,1980年改建启闭机房,更换为平板钢闸门,采用螺杆启闭机操作。

2条放水洞的闸门和启闭设备运行30年以上,设备陈旧,锈蚀、破损严重,操作困难,不能正常运行。特别是西放水洞工作闸门漏水严重,每次放水后常用麻袋、草袋堵塞。放水洞进口没有设置检修门,工作闸门无法进行正常维修。运行管理存在安全隐患,已不能满足运行要求。

大坝安全鉴定结论是2条放水洞的闸门变形漏水,启闭设备均已陈旧、老化、锈蚀、破损严重,不能正常运行。

(3)设备选型与布置。东、西放水洞进口增设检修闸门,更换工作闸门及启闭机。

由于溢洪道下游河道防洪能力低,为控制下泄流量,溢洪道增设控制闸门及启闭设备。

1)东、西放水洞。新建东、西放水洞的主要任务是灌溉引水,进口依次设置检修闸门、工作闸门及其启闭设备。

a.检修闸门及启闭设备。检修闸门均为平面滑动门,孔口尺寸1.0m×1.5m,闸门尺寸1.54m×2.0m,东、西放水洞的底坎高程分别为156.57m、157.07m,设计水头分别为7.00m、6.50m,运用条件为静水启闭,采用门顶充水阀充水平压。闸门平时锁定在塔顶167.50m高程,当工作门槽需要检修时闭门挡水。闸门主要材料采用Q235B,主支承材料为油尼龙。

启闭设备均选用单轨移动式启闭机操作,同时兼顾工作闸门及其启闭机的检修；启闭容量均为50kN,扬程12m。

b.工作闸门及启闭设备。工作闸门均为平板滑动闸门,孔口尺寸1.0m×1.0m,闸门尺寸1.54m×1.4m,东、西放水洞设计水头分别为9.79m、9.29m,运用方式为动水启闭,有局部开启要求。闸门根据灌溉引水流量要求局部开启运用,汛期或不引水时闸门闭门挡水；闸门主要材料采用Q235B,主支承材料为油尼龙。

启闭设备均选用螺杆启闭机操作,启闭容量均为50kN/30kN,扬程3.0m。

2)溢洪道控制闸。根据水工布置,新建溢洪道控制闸设在原溢洪道中部,共3孔；由于水库水位一般低于正常蓄水位,闸门检修可安排在低水位时进行,故不设检修闸门,仅设工作闸门,工作闸门每孔1扇。

工作闸门孔口尺寸5.0m×2.68m,底坎高程为162.00m,根据闸门控制泄量40m3/s的要求,设计水头2.68m,闸门运用方式为动水启闭,有局部开启要求。工作闸门选用平面滑动闸门。门体主要材料采用Q345B,埋件采用Q235B,主支承为自润滑复合材料。

启闭设备选用固定卷扬启闭机,1门1机布置,共3台。启闭容量2×100kN,扬程7m。

(4)启闭设备及控制要求。螺杆式启闭机和固定卷扬式启闭机均可现地与远方控制。

启闭机设有荷载限制器,具有自动报警及切断电路功能。当荷载达到90%额定起重量时自动报警,达到110%额定起重量时自动切断起升机构电路,确保运行安全。

启闭机设有行程限位开关,用于控制闸门的上、下极限位置,具有闸门到位自动切断电路的功能。

启闭机设有闸门开度传感器,用于显示和控制闸门的起升高度,与行程限位开关一起控制闸门的运行,其接收装置具有数字动态显示功能,可安装于现场。对于要求远方控制的启闭机,其信号可传至远方控制中心。该装置可控制闸门停在预先设定的任意位置,满足工作闸门的局部开启要求。

(5)工程量。金属结构工程量详见表3.4-35。

表3.4-35　角峪水库除险加固工程金属结构工程量表

3.4.1.6 消防与节能设计

角峪水库除险加固工程主要建筑物包括新建东放水洞、西放水洞和溢洪道控制闸。根据运行要求和结构特点,溢洪闸3孔设进口工作闸门3套,工作闸门用固定卷扬式启闭机,上面布置卷扬启闭机室。放水洞设进口检修门、工作门各1套,上面设闸门启闭机室。溢洪闸附近有变电站和柴油发电机房、集中控制室等建筑物。

1.消防设计

(1)消防设计依据和设计原则。

1)设计依据。

《水利水电工程设计防火规范》(SL329—2005),《建筑设计防火规范》(GB50016— 2006),《建筑灭火器配置设计规范》(GB50140—2005)。

2)设计原则。该工程消防设计贯彻“预防为主,防消结合”和“确保重点,兼顾一般,便于管理,经济实用”的原则。

(2)消防设计。该工程中需要消防的部位有：放水洞的启闭机房、溢洪闸的卷扬式启闭机室、柴油发电机房、变压器室、闸门集中控制室、值班及生活用房等。

根据《水利水电工程设计防火规范》(SL 329—2005)的规定,上述各部位的火灾危险性及耐火等级见表3.4-36。

表3.4-36　建筑物的火灾危险性及耐火等级表

因该工程涉及的建筑物比较简单,消防面积相对较小,大多为混凝土结构,耐火等级高,易燃物较少。故根据不同的耐火等级、火灾危险性类别和火灾危险等级,配备适当的移动灭火器即可满足防火要求。灭火器配置见表3.4-37。

表3.4-37　灭火器配置表

2.节能设计

(1)电气设备。在整个配电系统中,变压器的能源消耗所占比重最大,因而选用低损耗变压器可以降低能源消耗。山阳水库原有1台S7-50/10型三相油浸站用电力变压器,为20世纪70年代生产,属超期服务,其技术参数落后,能耗指标偏高,运行的安全性和可靠性较差,不符合节能要求,属于淘汰产品。本次改造将该站变压器更新为1台ZBN- 100/10型干式变压器,变压器参数按《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》(GB 20052—2006)控制。

为提高电网潮流功率因数、减少无功潮流、降低电网损耗,在变电站设计中增设无功补偿装置。

新站高、低压母线均采用铜母线,与铝母线相比电能损耗降低,节约了能源。

在此次改造中,为降低损耗,照明均采用节能型灯具和节能控制系统等高效产品。

在闸门控制系统设计中,控制设备在选型时充分考虑安全可靠,经济合理,节约运行费用并选择节能产品。控制系统采用PLC控制,采用弱电集成模块,较常规继电器接线回路节省了设备,降低了电能损耗,节约了能源。

(2)金属结构。在金属结构设备运行过程中,操作闸门的启闭设备消耗了大量的电能,降低启闭机的负荷,就能减少启闭机的电能消耗,实现节能。

闸门启闭力的大小与闸门重量、闸门的支承和止水的摩阻力有关。因此,在闸门设计中选用摩擦系数较小的自润滑复合材料作为主滑块的材质；闸门的止水采用摩擦系数小、耐磨性强的橡塑复合材料。这些设计和新材料的选用降低了闸门的启闭力,从而减少了启闭机的容量,在保证设备安全运行的情况下减少电能消耗。

(3)施工机械。该工程主要施工项目有：原大坝、水闸等建筑物的混凝土、砌石拆除和重建,基础固结灌浆、土工膜铺设及高喷防渗墙、土石方挖装和运输、混凝土拌和与浇筑、金属结构与机电设备运输和安装等等。施工项目均需要施工机械、设备和配套设施。施工期从机械设备使用与管理等方面应尽量采用节能新工艺、新技术、新材料和新产品,并采用以下节能措施。

1)限制并淘汰落后的施工机械和设备。

2)施工期夜间照明,采用节能型灯具和节能控制系统。

3)尽量采用生物柴油、乙醇类燃料汽车和机械。

4)尽量采用高效节能水泵和空压机。

5)使用逆变式焊接电源焊机、自动和半自动焊接设备、CO2气体保护焊机等。

6)建立一套完善的施工机械设备技术状况检查方法及管理制度,推广燃油节能添加剂、燃油清净剂、润滑油节能添加剂、子午线轮胎等汽车节能新技术产品。

7)推广节能驾驶操作培训,提高驾驶员技术素质。

8)更新改造老化的大中型拖拉机、推土机等施工机械,加强柴油机的节能技术改造。