贴面式防浪墙的设计与应用

贴面式防浪墙的设计与应用

赵良坤

（玉溪市中心城区水资源调度管理局，云南 玉溪  653100）

[摘要]  防浪墙是碾压式土石坝的重要组成部分，其主要功能是防止库水位漫过坝顶造成溃坝，同时，设计合理、外形美观的防浪墙还能为水库增加景观效应。其设计应满足强度、耐久性和不透水等要求，高度应通过计算确定。文章通过对东风水库新建防浪墙方案的比选，综合考虑强度、耐久性、投资、工期等因素，研究解决防浪墙高度不足问题的可行性方案，并对设计过程进行详细介绍和经验总结，为类似项目的防浪墙改造设计提供借鉴。

[关键词] 东风水库；贴面式防浪墙；碾压式土石坝；坝顶高程

1 工程概况

东风水库位于云南省玉溪市红塔区的东北部，紧邻玉溪市中心城区,对保障玉溪市的城市及人民财产安全担负着及其重要的作用。水库于1957年开始勘测设计，坝型为粘土心墙坝，原设计坝高52.50m，总库容1.2亿m³。工程于1958年11月正式破土动工，后通过水文复核，发现来水量不足，故将坝高改为42.00m，水库于1960年10月建成并投入使用。随着工农业生产、生活用水的逐年增加，水库原有库容已无法满足用水需求，1976年，水库坝高从42.00m加高至47.41m,总库容9025万m³。2010年，进行水库除险加固时，坝顶加高至48.17m,总库容9090万m³，坝顶长450m，坝顶宽49m。枢纽建筑主要由拦河坝、溢洪道和2条输水隧洞组成。

东风水库是一座以城市防洪、城镇供水、工业供水、农业灌溉为主的综合性利用的中型水库，也是云南省水污染防治目标责任国家考核的37个地级及以上城市集中式饮用水源地之一。承担着玉溪市中心城区35万人的供水任务，总供水能力4500万m3/年，同时还承担着下游35.14万人、11万亩耕地及东南亚国际大通道213国道、昆磨高速、中老铁路玉溪段等重要交通设施的防洪任务。

2 项目背景

2020年11月，水库管理单位—玉溪市中心城区水资源调度管理局委托云南省水利水电勘测设计研究院对东风水库进行了大坝安全鉴定。大坝安全评价报告指出：东风水库大坝抗洪能力满足校核洪水、设计洪水的抗洪能力，但坝顶高程计算值为1685.53m，高于现状防浪墙高程1685.00m，防浪墙高度不满足规范要求，建议对防浪墙进行改造。

3设计方案比选

一般水库的防浪墙加高直接在墙顶增加所需高度即可，但东风水库因为坝顶与防浪墙顶一样高，且防浪墙顶上安转有造型美观、雕刻精美的青石栏杆，青石栏杆上布置有景观照明，因此，常规的加高方案难以满足需求。东风水库坝顶现状结构图如图1所示。

图1  坝顶现状结构图

对于安全评价报告中指出的东风水库防浪墙高度不足的问题，水库管理单位非常重视，立即组织专业技术人员拟定防浪墙的改造方案，经过集思广益，初步提出以下三种改造方案：

方案一是采用材质相近的石板对现有青石栏杆上的孔洞进行封堵；方案二是拆除防浪墙顶上的青石栏杆，在现有防浪墙顶上浇筑钢筋混凝土，然后再恢复青石栏杆；方案三是在现有防浪墙的上游面新建一道贴面式钢筋混凝土防浪墙。

3.1  对青石栏杆上的孔洞进行封堵方案

该方案是采用材质相近的石板对青石栏杆上的孔洞进行封堵。青石栏杆柱的截面为16cm×16cm的方形柱，板厚仅有10cm，板与柱以及柱与底脚之间使用水泥砂浆粘结固定，粘结处比较薄弱，板厚较薄，无法满足浪压力要求，加之青石板的孔洞不规则，立面凹凸不平，封堵难度较大，因此，该方案无法满足防浪墙的稳定和强度要求，该方案不可行。

3.2  在现有防浪墙顶上加高方案

该方案首先需拆除防浪墙顶上的青石栏杆，然后再在现有防浪墙顶上浇筑新的钢筋混凝土，该方案虽能满足防浪墙的稳定和强度要求，但拆除后的青山栏杆基本不能再使用，需要重新制作安装新的青石栏杆，该方案预算投资总117.6万元，预计工期100天。该方案虽能彻底解决防浪墙高度不足的问题，但投资大、工期长。

3.3  新建贴面式防浪墙方案

该方案是通过在现有防浪墙的上游侧新建一道贴面式防浪墙，来解决现有防浪墙高度不足的问题。贴面式防浪墙的结构如图2所示。

图2  贴面式防浪墙结构图

该方案预算投资49万元，工期约80天。该方案既能从根本上解决防浪墙高度不足，又能节省投资，缩短工期，且防浪墙的稳定性和强度问题也能得到较好解决。

通过对上述三种改造方案的综合比选，最终选择贴面式防浪墙方案。

4  方案设计

4.1工程等级和标准

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）,东风水库总库容9090万m³，属中型水库，枢纽工程等别为Ⅲ等，拦河坝、溢洪道、1#输水隧洞和2#输水隧洞均为3级永久建筑物。设计洪水标准为100年一遇（P=2%），校核洪水标准为2000年一遇（P=0.05%）。

4.2坝顶高程复核

根据玉溪市气象局提供的资料，玉溪市城区的多年平均风速W=14.3m/s，库区多年平均最大风速W=18.0m/s,正常运用条件下风速W=27.0m/s,非正常运用条件下风速W=18.0m/s。

4.2.1 计算等效风区长度

东风水库为典型的山区型水库，水库水域狭窄细长。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2020）之规定，当沿风向两侧水域较狭窄时，应采用等效风区长度，其长度按附录A中的公式（A.1.3）计算：

De=               (A.1.3)

式中  De—等效风区长度，m；

      Di—计算点至水域边界的距离，m；i取0、±1、±2、±3、±4、±5、±6；

       ai—第i条射线与主射线的夹角，（°）等于i×7.5°。

经计算，等效风区长度De =1.1km。

4.2.2 计算波浪的平均波高及平均波长

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2020）,波浪的平均波高和平均波周期采用莆田实验站公式,按公式（A.1.5-1）、公式（A.1.5-2）计算，平均波长可采用公式（A.1.5-3）计算，计算步骤如下：

       （A.1.5-1）

                                          （A.1.5-2）                     

                                     （A.1.5-3） 

式中  hm—平均波高，m；

Tm—平均波周期，s；

W—计算风速，m/s；

De—等效风区长度，m

Hm—水域平均水深，m；

g—重力加速度，取9.81m/s2；

Lm—平均波长，m；

H—坝迎水面前水深，m。

4.2.3 计算风壅水面高度

风壅水面高度可按公式（A.1.10）计算：

                                          （A.1.10）

式中  e—计算点处风壅水面高度，m；

Kf—综合摩阻系数，取3.6×10－6；

β—计算风向与坝轴线法线的夹角，（°）。

4.2.4 计算波浪爬高

设计波浪的爬高值应根据工程等级选定，东风水库大坝的工程等级为3等，因此，设计波浪爬高值采用累计频率为1%的爬高值。

① 平均波浪爬高Rm计算：

东风水库迎水面的坡度系数为3，因此，平均波浪爬高按公式（A.1.12-1）计算：

                                      （A.1.12-1） 

式中  Rm—平均波浪爬高，m；

m—单坡的坡度系数，若坡角为a，即等于cota；

K△—斜坡的糙率渗透性系数,根据护面类型由表A.1.12-1查得；

KW—经验系数，按表A.1.12-2查得。

② 波浪爬高R计算

不同累积频率下的波浪爬高Rp，可由平均波高与坝迎水面前水深的比值和相应的累计频率P按表A.1.13规定的系数计算求得，计算结果见表1。

4.2.5  计算坝顶超高

坝顶在水库静水位以上的超高应按公式（5.3.1）确定：

y＝R＋e＋A                                        （5.3.1）

式中  y—坝顶超高，m；

R—最大波浪在坝坡上的爬高，m；

e—最大风壅水面高度，m；

A—安全加高，m。东风水库为3级土石坝，通过查表5.3.1得出：正常运用条件下的A值为0.70m；非常运用条件下的A值为0.40m。

根据《水工建筑物抗震设计规范》（DL 5073—2000），确定地震区土石坝的安全超高时应包括地震涌浪高度，可根据设计烈度和坝前水深，取地震涌浪高度为0.50～1.50m。东风水库的设计烈度为8度，坝前水深48m，考虑到东风水库是按100年一遇洪水标准设计，2000年一遇洪水标准校核，其防洪功能十分重要等原因，故取地震安全超高B=1.50m。

经计算，东风水库坝顶超高结果见表1。

表1  东风水库各工况坝顶超高计算结果汇总表

     备注：表中现状坝顶高程与所需坝顶高程之差为正值，表示现状坝顶高程满足规范要求；为负值，表示现状坝顶高程低于所需坝顶高程，不满足规范要求。

由表1可以看出，校核洪水位加非常运用条件下所需坝顶高程为1685.53m，现状坝顶高程1685.00m，高出现状坝顶高程0.53m。因此，坝顶高程不满足要求，需对防浪墙进行加高处理。4.3  贴面式防浪墙的设计

4.3.1  墙高设计

根据坝顶高程复核结果，校核洪水位加非常运用条件时的库水位最高，所需坝顶高程为1685.53m，考虑到每次洪水计算所采用的公式、参数等可能不同，得出的结算结果也会不同，为避免以后重复建设造成资源浪费，经过集体商议，确定新建防浪墙顶高程为1685.70m。现有防浪墙底脚高程1683.80m,新建防浪墙基础埋深取0.2m，因此，新建防浪墙底部高程为1683.60m，所以，墙高取2.10m。为防止波浪翻越防浪墙顶，在防浪墙顶部设置0.1m宽的帽檐，贴面式防浪墙的结构如图3所示。

4.3.2  墙厚的确定

由于东风水库新建防浪墙是在现有防浪墙的上游面贴面浇筑一道钢筋混凝土墙，坝顶的土压力由现有防浪墙承载，新建防浪墙最大波浪爬高以及最大风壅高度时的水压力传递给现有防浪墙，因此，新建防浪墙的厚度与现有防浪墙同厚，墙厚取0.40m。但因为新建防浪墙与原有防浪墙之间仅有0.10m的操作空间，施工时支模难度较大，为给后期的混凝土浇筑立模增加操作空间，因此，从墙顶往下0.70处，墙厚缩窄0.10m，墙厚为0.30m，满足顶部宽度不小于0.3m的规范要求。

4.3.3  配筋设计

东风水库枢纽工程等别为Ⅲ等，大坝为3级永久建筑物。贴面式防浪墙高2.10m，下部墙厚0.40m，上部墙厚0.30m，混凝土强度等级为C25。采用Ⅱ级热轧带肋钢筋，受力筋双排布置，混凝土保护层厚度50mm。

贴面式防浪墙的配筋不再进行承载力和配筋计算，直接采用原防浪墙的配筋方案， 即，受力钢筋直径12mm，间距200mm，分布筋直径10mm，间距200mm，内外层受力筋之间的拉筋直径8mm，轴向间距1000mm，竖向间距600mm，成梅花状错开布置。为增加防浪墙的抗弯和抗剪能力，在防浪墙底部设置了一道400×500mm的基础梁，基础梁受力钢筋直径14mm，间距300mm，箍筋直径8mm，间距200mm。贴面式防浪墙的配筋如图3所示。

图3  贴面式防浪墙配筋图

4.3.4  新老墙体的结合处理

现有防浪墙经过几年的运行，混凝土表面出现了碳化，强度降低等情况，为确保新老墙体的结合紧密，在浇筑新防浪墙混凝土前需要对原防浪墙的整个上游面进行彻底凿毛，凿除表面老化的混凝土、浮浆、碎屑等杂物，凿毛深度10～20mm,直至坚硬、新鲜的混凝土露出表面，并用清水把凿毛后的表面清洗干净；为确保新老墙体之间连接紧密、牢固，防止分离，在现有防浪墙上进行植筋，植筋单根长度0.30m，深入原墙体长度不小于0.15m。通过上述两项措施确保新老防浪墙之间不会发生开裂、错动等情况。

4.3.5 防浪墙的分仓

东风水库坝顶全长450m，本次需要加高的防浪墙长度为424.96m，根据《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）的相关技术要求，结合现有防浪墙的分仓长度，东风水库新建贴面式防浪墙共分为29仓浇筑，除第1仓和第29仓长度分别为12.46m和7.50m外，其余仓段长度均为15.00m。仓段之间采用651型橡胶止水带止水，仓段与仓段之间的接缝处采用高压聚氯乙烯泡沫塑料板分隔，以适应仓段与仓段之间的热胀冷缩变形和不均匀沉降的需要。高压聚乙烯泡沫板塑料板具有密度小、容重轻，回复率高、伸缩强度大、防渗性能好、防漏效果佳，使用寿命长等特点，是替代传统的三油四毡、沥青杉木板等材料的较好选择。

4.3.6  模板的选择

     东风水库是玉溪市的第一大水库，紧邻玉溪市中心城区。除承担着玉溪市中心城区的生产、生活用水外，还具有非常重要的城市防洪功能。各级领导非常关心和重视东风水库的安全运行情况，经常会有各级领导莅临东风水库参观指导工作，因此，该防浪墙的建设除了满足水库大坝的安全运行需求外，新建防浪墙的外观质量也非常重要。为确保新建防浪墙的外观质量，设计人员要根据设计方案提出使用ABS塑钢模板，并尽量使用大尺寸模板，减少混凝土浇筑后的接缝数量，确保新建防浪墙的外观质量。

5  结语

东风水库新建的贴面式防浪墙现已建成并投入使用，在设计和施工过程中尝试使用了ABS塑钢模板、聚氯乙烯高压泡沫塑料板、二甲基硅油脱模剂等新材料、新工艺，新建成的防浪墙质量优良，外观平直、美观，为东风水库抵御校核洪水位加非常运用情况下的安全运行提供了安全保障，确保大坝安全运行，为玉溪市的经济社会发展提供安全有效的保障。

参考文献：

[1] 云南省水利水电勘测设计研究院.云南省玉溪市东风水库大坝安全评价报告[R].

[2] SL252-2017  水利水电工程等级划分及洪水标准[S].北京：中国水利水电出版社，2017.

[3] SL274-2020  碾压式土石坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2020.

[4] DL5073-2000  水工建筑物抗震设计规范[S].北京：中国电力出版社，2001.

[5] SL191-2008  水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2008.

作者简介：

赵良坤，1973年， 男，高级工程师，学士学位，中国水利工程协会会员，

主要从事东风水库的运行管理、枢纽及其配套设施维修养护工程的设计和施工管理工作。

说明：作者为东风水库贴面式防浪墙工程的设计者。