岸堤水庫溢洪道除險加固工程設(shè)計研究

莊洪軍

(山東省臨沂市岸堤水庫管理處，山東 臨沂 276217)

1 引 言

對已有水庫進(jìn)行除險加固是目前水利工程建設(shè)的重點(diǎn)問題。溢洪道是水利工程中較為重要的一項工程，其穩(wěn)定性和設(shè)計方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到水庫建設(shè)的安全和經(jīng)濟(jì)效益。潘露等[1]使用試驗的方法對溢洪道出口處挑流鼻坎體型設(shè)計進(jìn)行研究，提出了一種內(nèi)凹折線型斜切挑坎的新型式，工程效益較好。葉祥飛[2]等通過物理實驗和數(shù)值模擬方法對溢洪道進(jìn)水口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，增大了泄流能力。唐笑[3]使用數(shù)值模擬和模型試驗方法對不同型式泄洪道的泄流能力進(jìn)行研究，數(shù)值模擬結(jié)算結(jié)果較理論計算大4%～5%。王超[4]、朱友軍[5]分別使用數(shù)值模擬和理論計算方法對臺階式溢洪道的消能效率進(jìn)行分析，認(rèn)為退水池臺階具有較好的消能作用。本文在前人研究基礎(chǔ)上，以岸堤水庫為例，提出溢洪道加固工程設(shè)計方案比選，可為類似工程提供參考。

2 工程概況

岸堤水庫始建于1960年，是山東省第二大水庫，是一座承擔(dān)防洪、供水、灌溉、發(fā)電作用的大(2)型水庫。岸堤水庫溢洪閘(道)區(qū)斷裂主要有一條(F1)，穿過南北溢洪閘之間的裹頭，為壓扭性正斷層，走向NE40°～60°，傾向SE，傾角70～80°,斷層帶寬4～8m，帶內(nèi)充填黏土，斷層泥呈波狀條帶，斷層水平扭動約700m，使上盤寒武系地層與泰山期侵入巖接觸。在溢洪道下游形跡可見，產(chǎn)狀模糊，該斷裂穿潘家溝新村至東汶河，為串通水庫上下游的破碎帶。溢洪閘(道)內(nèi)出露的地層主要為太古代泰山期侵入巖、寒武系下統(tǒng)饅頭組，主要巖性為混合花崗巖(γm)、灰?guī)r∈1m)。除回填壤土、含碎石壤土外，第四系地層僅發(fā)育在兩岸邊坡上部及左右溢洪閘中間裹頭部位，主要巖性為殘坡積土(Qel+dl)黏土。

3 溢洪道進(jìn)、出水渠開挖寬度確定

3.1 進(jìn)水渠開挖寬度確定

3.1.1 開挖底部寬度285m

對左側(cè)溢洪閘、裹頭和右側(cè)溢流壩上游285m寬度范圍進(jìn)行開挖，開挖底部高程為164.5m，開挖往上游延伸至設(shè)計樁號0-630，兩側(cè)開挖邊坡1∶1.5。經(jīng)過推算，滿足10000年一遇泄洪流量，進(jìn)水渠流速小于3m/s。該方案只進(jìn)行開挖不用護(hù)砌就可滿足泄流和流速要求，但開挖量較大，占地30.9畝(高程175～180m范圍)。

3.1.2 進(jìn)水渠開挖底部寬度192m

對左側(cè)溢洪閘上游192m寬度范圍內(nèi)進(jìn)行開挖，開挖底部高程為164.5m，開挖往上游延伸至設(shè)計樁號0-630，兩側(cè)開挖邊坡1∶1.5。裹頭和右側(cè)溢流壩上游維持現(xiàn)狀。經(jīng)推算，10000年一遇洪水泄流時，接近閘室控制段流速偏大，不滿足進(jìn)水渠流速不超過3m/s的要求，需要對閘室上游兩側(cè)岸坡進(jìn)行局部護(hù)砌。該方案挖護(hù)結(jié)合，開挖量小，占地少。

兩種方案對比見表1。通過上述經(jīng)濟(jì)、技術(shù)對比，方案二具有占地少，開挖量小，可比項費(fèi)用少等優(yōu)勢，本次溢洪道進(jìn)水渠開挖寬度選定底寬192m方案。

表1 進(jìn)水渠開挖方案比選

3.2 出水渠開挖寬度確定

3.2.1 出水渠開挖寬度160m

出水渠(0+090～0+950)總長860m，利用現(xiàn)狀溢洪道開挖兩岸而成，渠底寬度160m，開挖邊坡1∶1.5。該方案只開挖不護(hù)砌。0+090～0+950段出水渠開挖設(shè)計底坡根據(jù)現(xiàn)狀確定為1∶179。左岸0+090～0+950段開挖邊坡1∶1.5，采用M10漿砌塊石岸坡護(hù)砌。右岸0+090～0+250段為漸變段，出水渠總寬度由285m(包括溢洪閘、裹頭、溢流壩)漸變至160m，該漸變段右側(cè)岸墻采用鋼筋混凝土擋土墻，擋土墻末端與出水渠右岸連接。擋土墻墻頂高程從172.0m漸變至165.0m。右岸0+250～0+950段開挖邊坡1∶1.5，采用M10漿砌塊石岸坡護(hù)砌。

3.2.2 出水渠開挖寬度120m

出水渠(0+090～0+950)總長860m，利用現(xiàn)狀溢洪道開挖兩岸而成，渠底寬度120m，開挖邊坡1∶1.5。該方案開挖結(jié)合岸坡護(hù)砌。0+090～0+950段出水渠開挖設(shè)計底坡根據(jù)現(xiàn)狀確定為1∶179。左岸0+090～0+950段開挖，開挖邊坡1∶1.5，并進(jìn)行M10漿砌塊石岸坡護(hù)砌。其余布置同方案一。右岸0+090～0+250段為漸變段，出水渠總寬度由285m漸變至120m，其余同方案一。右岸0+250～0+950段開挖，開挖邊坡1∶1.5，并進(jìn)行M10漿砌塊石岸坡護(hù)砌。

3.2.3 出水渠開挖寬度75m

出水渠(0+090～0+950)總長860m，利用現(xiàn)狀溢洪道開挖兩岸而成，渠底寬度75m，開挖邊坡1∶1.5。該方案開挖、復(fù)堤、護(hù)砌相結(jié)合。0+090～0+950段出水渠開挖設(shè)計底坡根據(jù)現(xiàn)狀確定為1∶179。左岸0+090～0+950段開挖，開挖邊坡1∶1.5，岸坡C25鋼筋混凝土護(hù)面。其余布置同方案一。右岸0+090～0+250段為漸變段，出水渠總寬度由285m漸變至75m，其余同方案一。右岸0+250～0+950開挖，開挖邊坡1∶1.5，岸坡C25鋼筋混凝土護(hù)面。左岸0+700～0+950進(jìn)行復(fù)堤，堤頂寬2.0m，堤頂高程156.9～155.1m，堤兩側(cè)采用M10漿砌塊石護(hù)坡。

三種方案對比見表2。方案二技術(shù)可行，占地相對較少，且開挖量結(jié)合主壩抗震加固和防汛路路基填筑，本次溢洪道出水渠開挖寬度選定底寬120m方案。

表2 出水渠開挖寬度方案比選

4 溢洪閘加固方案設(shè)計

4.1 溢洪閘現(xiàn)狀

岸堤水庫自建成以來，經(jīng)過多年的使用，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)已經(jīng)傷痕累累?；炷撂蓟?、凍融剝蝕、結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生裂縫等破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重，溢洪閘現(xiàn)狀見圖1、圖2。

圖1 右5孔溢洪閘現(xiàn)狀

圖2 左10孔溢洪閘現(xiàn)狀

經(jīng)過現(xiàn)場測驗，泄洪閘砂漿剝蝕老化平均值為3.48mm，上游漿砌塊石扭面翼墻頂高程為 173.0m，低于校核洪水位 180.4m，不滿足高于泄洪時的最高庫水位的規(guī)范要求。

4.2 溢洪閘加固方案

4.2.1 全部拆除重建左溢洪閘、右溢流壩

溢洪閘閘孔為12孔，單孔凈寬12m，鋼筋混凝土分離式結(jié)構(gòu)(大、小底板結(jié)構(gòu))，閘墩厚1.8m，平行水流方向閘室長27.0m，垂直水流方向閘室總寬度為163.8m。水閘底板高程為164.0m，閘墩頂高程181.0m，駝峰堰頂高程164.5m。溢流壩壩頂高程177.45m，壩底高程167.0m，壩高10.45m，垂直水流向壩長58m，順?biāo)飨驂伍L16m。壩頂堰面為三圓弧曲線，上游堰面鉛直，下游堰面為冪曲線，下游壩坡1∶0.8，底部采用反弧圓與下游相切連接，反弧半徑為7m，反弧角為51°。

4.2.2 全部拆除重建左、右溢洪閘

全部拆除左、右側(cè)溢洪閘，左、右側(cè)均重建溢洪閘。重建后的溢洪道控制段過流斷面總凈寬為204m。新建右側(cè)溢洪閘為5個單孔凈寬為12m的泄水孔，閘底板頂高程167.0m，駝峰堰頂高程167.5m，閘室總凈寬60m，閘墩厚2.0m，閘室順?biāo)鞣较蜷L度22m，閘墩頂高程180.0m，閘墩下底板厚2.0m，小底板厚1.0m。

左側(cè)溢洪閘為12個凈寬為12m的泄水孔，閘底板頂高程164.0m，駝峰堰頂高程164.5m，閘室總凈寬144m，閘墩厚2.0m，閘室順?biāo)鞣较蜷L26m，閘墩頂高程183.0m，閘墩下底板厚度設(shè)計為2.0m，小底板厚度為1.5m。

4.2.3 左閘改造加固，右閘拆除重建溢洪閘

右側(cè)溢洪閘全部拆除重建，左側(cè)溢洪閘局部拆除加固。加固后溢洪道控制段過流斷面總凈寬為180m。重建的右側(cè)溢洪閘為5孔，單孔凈寬12m，閘底板頂高程167.0m，駝峰堰頂高程167.5m，閘室總凈寬60m，閘墩厚2.0m，閘室順?biāo)鞣较蜷L度22m，閘墩頂高程180.0m，閘墩下底板厚度設(shè)計為2.0m，小底板厚度為1.5m。

左側(cè)溢洪閘拆除閘墩高程173.5m以上全部結(jié)構(gòu)，保留高程173.5m以下閘墩，保留閘墩厚度由2.0m加固至4.0m，采取“包餃子”方式，閘孔寬度由原來的14m減少至12m，孔數(shù)不變?nèi)詾?0孔。由于閘底板出現(xiàn)裂縫，將墩下底板拆除0.5m厚，重新澆注C30鋼筋混凝土至閘底板頂高程164.0m。

4.2.4 左閘拆除重建溢洪閘，右閘封堵改建為砂殼壩

左側(cè)溢洪閘拆除重建溢洪閘，閘孔為12孔，單孔凈寬12m，鋼筋混凝土分離式結(jié)構(gòu)，閘墩厚1.8m，閘室平行水流方向長度為27.0m，垂直水流方向?qū)挾葹?63.8m。閘底板頂高程164.0m，駝峰堰頂高程164.5m，閘墩頂高程181.0m。

溢洪閘右側(cè)利用原5孔老閘封堵改建為鋼筋混凝土心墻堆石壩。拆除原5孔閘閘墩上部結(jié)構(gòu)，保留閘墩以下部分，在上游側(cè)閘墩之間澆筑鋼筋混凝土心墻，墻厚1.0m，心墻墻頂高程180.0m，墻底高程167.0m。

4.2.5 左閘局部拆除加固改建為10孔溢洪閘，右閘部分拆除改建為溢流壩

左閘局部拆除加固改建為溢洪閘，右閘部分拆除改建為溢流壩。加固后溢洪道控制段過流斷面總凈寬為180m。對于左溢洪閘進(jìn)行局部拆除并進(jìn)行加固改造，方案如下：?拆除左溢洪閘閘墩以上的橋梁、橋下排架柱、機(jī)房以及檢修橋，局部拆除閘墩中部高程178.0m以上的凸起部分，拆除閘墩支座牛腿處高程174.0m以上局部結(jié)構(gòu)混凝土(保留鋼筋)；?將現(xiàn)狀閘墩厚度由2m加厚至3m，在原閘墩兩側(cè)分別鑿毛打錨筋新澆筑鋼筋混凝土厚0.5m，重新澆筑弧形閘門支座牛腿；?維持原閘底板長度29m不變，在原閘底板上鑿毛打錨筋重新澆筑鋼筋混凝土，層厚0.5m；?重新澆筑閘墩上部排架柱、橋梁、檢修橋、機(jī)房；?在閘室上游新澆筑鋼筋混凝土鋪蓋，長30m，寬157m，厚度0.5m；?左溢洪閘加固后，單孔凈寬13m，共10孔，總凈寬130m，垂直水流方向的寬度為157.0m，平行水流方向長度為29.0m，閘底板頂設(shè)計高程為164.5m，閘墩頂設(shè)計高程為181.0m。

拆除部分右溢流閘，修建為溢流壩，方案如下：?拆除原5孔閘閘墩上部檢修橋、橋梁以及高程177.0m以上機(jī)架墩，拆除弧形閘門支座牛腿處高程175.0m以上局部結(jié)構(gòu)，利用原閘墩剩余部分，在原閘墩之間澆筑鋼筋混凝土溢流壩；?拆除原閘室小底板，重新澆筑鋼筋混凝土小底板厚0.5m，順?biāo)飨蜷L度20m，垂直水流向?qū)挾?.0m，澆筑前對小底板下裸露的溶溝、溶槽進(jìn)行埋石混凝土封堵；?拆除原下游泄槽底板重新澆筑鋼筋混凝土泄槽段，板厚0.8m；?拆除原閘上游鋪蓋底板重新澆筑鋼筋混凝土鋪蓋，板厚度0.5m；?改建后的溢流壩，壩頂高程177.45m，壩底高程167.0m，壩長56.4m，修建5個凈寬為10m的溢流孔，設(shè)計墩頂高程為181.0m，中墩厚為1.6m。

4.3 溢洪閘加固方案比選

通過4.2節(jié)的加固方案設(shè)計，進(jìn)行方案比選，見表3。方案五充分利用原有工程進(jìn)行改建，工程建設(shè)投資費(fèi)用適中，控制運(yùn)用靈活性高，技術(shù)可行。本階段溢洪閘加固推薦方案五：將右溢洪閘重新改建為溢流壩，同時修建5個凈寬為10m的溢流孔，對左側(cè)溢洪閘進(jìn)行加固，修建為10孔泄洪閘，單孔凈寬為13m。

表3 各方案溢洪閘加固效益比選

5 結(jié) 語

根據(jù)岸堤水庫的工程現(xiàn)狀，針對工程特點(diǎn)，提出以進(jìn)水渠開挖底寬為192m、出水渠開挖底寬為120m作為進(jìn)、出水渠加固改造方案，通過對比，較其他方案具有較好的經(jīng)濟(jì)和工程效益；采用左閘局部拆除加固改建為10孔溢洪閘、右閘部分拆除改建為溢流壩(方案五)的溢洪閘加固方案，可以提高原有建筑的利用率，同時具有較好的削減洪峰效益。本設(shè)計可為類似工程建設(shè)提供參考。