將軍槽水庫砌石拱壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

王 慧 ，郝曉輝 ，劉莉莉

（1.濟(jì)南市水政監(jiān)察支隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

將軍槽水庫位于青島市嶗山區(qū)沙子口街道辦事處東部，嶗山山脈南麓，流清河下游濱海處。該水庫于1987年3月開始興建，1988年5月竣工。水庫為?。?）型水庫，總庫容為12.35萬m3，興利庫容10.06萬m3，死庫容0.03萬m3，興利水位57.0m，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位58.7m，百年一遇洪水校核，校核洪水位59.2m，死水位38.5m。

將軍槽水庫工程由大壩、溢流堰、壩頂交通橋和放水涵管等建筑物組成，工程等別Ⅴ級(jí)，主要建筑物級(jí)別5級(jí)。經(jīng)過30多年的運(yùn)行，工程處于帶病運(yùn)行狀態(tài)，不能發(fā)揮正常效益。2014年，水庫大壩被鑒定為“三類壩”。

1 存在的主要問題

1.1 大壩

1）興利水位溫降工況下大壩的最大拉應(yīng)力不滿足規(guī)范要求，最大壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。由于現(xiàn)狀大壩應(yīng)力超過規(guī)范要求一倍以上，如果大壩出現(xiàn)開裂等險(xiǎn)情，將嚴(yán)重威脅大壩下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

2）經(jīng)多年運(yùn)行，閘閥及管道銹蝕老化，密封不嚴(yán)，存在滲水漏水現(xiàn)象，且閘閥開關(guān)不靈。

3）交通橋現(xiàn)狀護(hù)欄缺失，交通橋面板鋼筋裸露、銹蝕。

1.2 消能工

經(jīng)多年水流沖刷、凍融等破壞，下游護(hù)坦表層砂漿大部分已脫落損壞，局部砌石已被沖走，嚴(yán)重影響整個(gè)護(hù)坦的結(jié)構(gòu)完整性。受泄洪水的沖刷，護(hù)坦兩側(cè)損毀嚴(yán)重，砌體石塊被沖走，護(hù)坦兩側(cè)底面出現(xiàn)沖溝。漿砌石二道壩已被沖垮，現(xiàn)狀兩側(cè)僅剩較短一段，且壩基礎(chǔ)80%部分被淘空，已不具備消能作用。

2 大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

大壩安全鑒定報(bào)告中用拱梁分載法計(jì)算了壩體應(yīng)力，該壩在興利水位及溫降情況下，上游面出現(xiàn)2.47MPa梁向和1.29MPa拱向的最大拉應(yīng)力，下游面出現(xiàn)3.11MPa梁向和3.34MPa拱向的最大壓應(yīng)力。在校核水位及溫升情況下，上游面出現(xiàn)2.06MPa梁向和1.59MPa拱向的最大拉應(yīng)力，下游面出現(xiàn)2.68MPa梁向和4.41MPa拱向的最大壓應(yīng)力。兩種荷載組合情況下，拱壩上游面的拉應(yīng)力都超過漿砌石極限抗拉強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果表明壩體的最大壓應(yīng)力符合規(guī)范要求，最大拉應(yīng)力超過規(guī)范要求，因此，為解決大壩拉應(yīng)力超標(biāo)的問題，選擇改善壩體應(yīng)力，增加壩體梁的作用，削弱拱的作用，考慮對(duì)壩體進(jìn)行加厚處理。

2.1 加固方案比較

根據(jù)將軍槽水庫大壩具體布置特點(diǎn)，加固指導(dǎo)思想為壩體培厚。本次選取壩體迎水面培厚方案、壩體背水面培厚兩種方案進(jìn)行比較分析，各方案布置如下。

方案一：上游面增設(shè)鋼筋混凝土面板。優(yōu)點(diǎn)：施工技術(shù)成熟，不僅能解決應(yīng)力問題，同時(shí)具有較好的防滲效果。缺點(diǎn)：需放空庫容，增設(shè)圍堰，增加施工工序，施工工期長(zhǎng)。同時(shí)設(shè)置錨固鋼筋，將破壞原壩體防滲塑料板。

方案二：大壩下游面分段加厚。優(yōu)點(diǎn)：施工技術(shù)成熟，可有效降低壩體應(yīng)力，施工工期短。缺點(diǎn)：無防滲作用。

推薦方案：水庫壩體沒有明顯的滲漏，只需解決壩體應(yīng)力過大的問題，而且水庫庫區(qū)內(nèi)四周地形條件比較復(fù)雜，均為陡峭的山體，人工及施工機(jī)械難以進(jìn)入庫內(nèi)，庫內(nèi)施工比較困難；方案二施工簡(jiǎn)便，工期短，工程投資較小。綜合考慮，本工程壩體加固設(shè)計(jì)方案推薦方案二即壩體下游面分段加厚。

2.2 培厚材料比選

原壩體為M10漿砌石，本次加固設(shè)計(jì)采用C15拋石混凝土與C15混凝土比較。

方案一：下游壩面采用C15拋石混凝土。優(yōu)點(diǎn)：施工技術(shù)成熟，可就地取材，與原壩體結(jié)合度較好。缺點(diǎn)：施工工期長(zhǎng)?？偼顿Y118.35萬元。

方案二：下游壩面采用C15混凝土。優(yōu)點(diǎn)：施工技術(shù)成熟，施工方便，施工工期短。缺點(diǎn)：兩種材料結(jié)合，施工溫度不易控制，易產(chǎn)生裂縫?？偼顿Y107.63萬元。

推薦方案：綜合考慮，方案一工程投資較大，由于材料相同新老壩體結(jié)合度較好，更有利于壩體安全，因此，本工程壩體加固材料選用C15拋石混凝土。

2.3 加固后應(yīng)力分析計(jì)算

1）考慮分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在各種工況下的應(yīng)力變形情況采用拱冠梁法分析計(jì)算。本大壩沿壩高選取7層拱圈進(jìn)行計(jì)算分析，見表1。

2）計(jì)算工況及荷載。大壩應(yīng)力分析共考慮了以下四種工況。

表1 大壩加固前后體形幾何參數(shù)表

工況一：正常蓄水位+溫降工況，其荷載為壩體自重+正常蓄水位時(shí)水壓力+淤沙壓力+溫降。

工況二：設(shè)計(jì)洪水位+溫升工況，其荷載為壩體自重+設(shè)計(jì)洪水位時(shí)上游水壓力+淤沙壓力+溫升。

工況三：校核洪水位+溫升工況，其荷載為壩體自重+校核洪水位時(shí)上游水壓力+淤沙壓力+溫升。

工況四：死水位+溫降工況，其荷載為壩體自重+死水位時(shí)上游水壓力+死水位時(shí)下游水壓力+淤沙壓力+溫降。

溫度場(chǎng)計(jì)算：封拱溫度為18℃，砌石體的線膨脹系數(shù)參照規(guī)范取ɑ=7×10-6/℃，彈性模量取5MPa。壩體表面升溫和降溫值按《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL25-2006）附錄C中相應(yīng)公式計(jì)算。

3）計(jì)算成果分析。計(jì)算結(jié)果表明拱壩上、下游面的最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在工況一時(shí)，位置為拱壩壩底，拉應(yīng)力為1.1MPa。依據(jù)水利部《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL282-2018），對(duì)于基本荷載組合，拉應(yīng)力不得大于1.5MPa，對(duì)非地震情況特殊荷載組合，拉應(yīng)力不得大于2.0MPa。上游面最大主拉應(yīng)力在加固前的三種工況時(shí)都大于規(guī)范要求，加固后三種工況的最大主拉應(yīng)力、壓應(yīng)力均符合規(guī)范要求。

2.4 加固方案設(shè)計(jì)

壩體加固前，應(yīng)用高壓水槍清洗壩面，徹底清除原壩面的灰沙、青苔等雜質(zhì)。壩體底部培厚3.5m，高程32.0m，頂部至溢流堰下檐，高程54.7m，頂部厚度為0.5m；外層30cm為M15漿砌料石，內(nèi)部為C15拋石混凝土，拋石與混凝土的比例為40∶60；高程32.0～52.0m之間新老壩體用φ18鋼筋錨固，高程52.0～54.0m之間新老壩體用φ12鋼筋錨固，間距均為1.0m×1.0m，梅花形布置；底部基建面挖至新鮮基巖，嵌入壩基巖體1.0m；兩岸壩肩基建面處理至新鮮巖石面，壩肩厚度不小于同高程壩體厚度。

2.5 消能防沖設(shè)計(jì)

大壩下游消力池沖刷凍融破壞，砂漿剝蝕，石子裸露。同時(shí)，下游壩體加固開挖基礎(chǔ)時(shí)，需拆除原壩下消力池。故本次大壩加固開挖消力池至壩基底部高程31.3m，壩體加固完成后，按原尺寸重建消力池；重新回填至37.6m高程，上層鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，鋼筋為Φ14@300mm×300mm，澆筑C30混凝土，30cm厚，消力池底板頂高程37.9m。

2.6 壩頂交通橋改造

更換壩頂交通橋面板及欄桿，共17跨，橋面板頂高程60.0m，寬度1.5m，每跨由3塊2.0m×0.5m×0.12m的預(yù)制C30鋼筋混凝土板構(gòu)成，上層鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，澆筑6cm厚C30混凝土鋪裝層，跨與跨之間在橋墩中部分縫；壩頂上下游設(shè)置不銹鋼欄桿，高1.2m。

2.7 更換放水洞閘閥及管道

放水洞閘閥銹蝕嚴(yán)重，啟閉困難，而且下游壩體加固培厚后原閘閥室將埋入壩體內(nèi)，加固設(shè)計(jì)將閘閥室拆除，輸水管道外延，在壩體加固完成后再新建閘閥室，更換新的閘閥。新建閘閥室，M10漿砌石結(jié)構(gòu)，尺寸為2m×2m×2.5m。

2.8 增設(shè)無人值守網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

增設(shè)“一桿一站”式綜合監(jiān)測(cè)站，集雨量、水位、視頻三位一體，加之風(fēng)電互補(bǔ)電源系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、采集終端系統(tǒng)，全部集于一桿，管理人員可以在室內(nèi)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控庫區(qū)

3 結(jié)語

將軍槽水庫大壩針對(duì)壩體拉應(yīng)力超標(biāo)問題，采取壩后分段加厚措施，加固工程于2016年3月份開工，2016年6月份完工，經(jīng)過數(shù)個(gè)汛期的實(shí)踐檢驗(yàn)，該加固方案措施效果良好。