陡山水庫(kù)放水洞除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案比選

鄭善磊

（山東水總有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

臨沂市莒南縣陡山水庫(kù)建于1959年，位于莒南縣城北17km，大店鎮(zhèn)花園村東1km處，屬淮河水系沭河一級(jí)支流潯河中下游，控制流域面積431km2，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、供水、漁業(yè)養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的多年調(diào)節(jié)大（2）型水庫(kù)。經(jīng)過(guò)20多年的使用及正常老化，2010年經(jīng)臨沂市相關(guān)部門檢查發(fā)現(xiàn)該水庫(kù)的放水洞存在著兩方面的問(wèn)題：在結(jié)構(gòu)和功能性方面，放水洞內(nèi)混凝土管存在裂縫，砌石廊道存在滲漏現(xiàn)象，豎井無(wú)檢修閘門且內(nèi)閘門與啟閉設(shè)施老化銹蝕嚴(yán)重；在資源和利用方面，當(dāng)?shù)厮Y源緊缺，需求量缺口大，已嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)貒?guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，陡山水庫(kù)已被規(guī)劃為莒南縣城及臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)主要供水水源地。鑒于此，需對(duì)放水洞進(jìn)行維修或新建，以便消除安全隱患，滿足抗震防滲的需要，為城鎮(zhèn)居民、工業(yè)和農(nóng)業(yè)持續(xù)供水。

1 放水洞設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案

方案一：對(duì)原放水洞進(jìn)行維修加固，灌漿堵漏，更換閘門。該方案可暫緩消除水庫(kù)放水洞的安全隱患，無(wú)法長(zhǎng)期解決抗震、裂縫滲漏和閘門檢修問(wèn)題。施工時(shí)間短，工程投資小。

方案二：將原放水洞拆除重建，輸水洞身由原來(lái)的拱洞式改為矩形箱涵式，漿砌石豎井改為磚砌式，增加檢修閘門等。該方案可徹底消除放水洞安全隱患，滿足定期檢修及供水需要。施工時(shí)間長(zhǎng)，投資大。在原址重建無(wú)需擾動(dòng)壩體其他標(biāo)段[1]。

方案三：封堵原放水洞，在其他位置新建放水洞。該方案可徹底除險(xiǎn)加固，施工時(shí)間較長(zhǎng)，投資較大，但需要嚴(yán)格封堵原放水洞防止?jié)B漏，需要合理選址且擾動(dòng)壩體其他標(biāo)段進(jìn)行挖洞。

綜上，通過(guò)工程布置、施工工期、工程投資及工程的安全性等多方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇方案二既能夠從根本上解決現(xiàn)有放水洞存在的問(wèn)題，符合抗震供水的要求，對(duì)壩體整體影響較小。

1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

陡山水庫(kù)主要由黏土心墻砂殼壩，北端溢洪閘和南端放水洞組成。水庫(kù)工程規(guī)模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級(jí)別為2等，次要建筑物為3等。原放水洞拆除重建，設(shè)計(jì)灌溉面積2.03萬(wàn) hm2，有效灌溉面積 1.08萬(wàn)hm2，設(shè)計(jì)流量25m3/s。

1.3 放水洞布置

1）進(jìn)口段。為保證水流平順地進(jìn)入放水洞洞身內(nèi)，進(jìn)口采用喇叭形布置，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)10.0m，底高程為107.9m，進(jìn)口底寬5.75m，兩側(cè)邊墻收縮角為12°；上游鋪蓋采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.5m，前端設(shè)齒墻，深1.2m，上層縱橫筋均配φ12@200；邊墻采用M10漿砌石結(jié)構(gòu)，墻頂寬0.5m，背水坡比1∶0.4，迎水面采用M10粗料石鑲面，厚0.2m，邊墻基礎(chǔ)座在混凝土鋼筋底板上；邊墻、鋪蓋與下游控制段間設(shè)止水，進(jìn)口設(shè)活動(dòng)式欄污柵[2]。

2）上游引水涵洞段。引水涵洞洞采用內(nèi)徑1.5m×1.8m矩形C30鋼筋混凝土箱涵與下游控制段連接，壁厚0.4m，共3節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)12m，引水洞進(jìn)口底高程108.0m，出口底高程108.4m。引水洞身下設(shè)0.1m厚C15混凝土層，箱涵兩側(cè)回填水泥土，回填至混凝土箱涵頂以上0.5m。

3）閘室控制段?？刂贫蔚装彘L(zhǎng)9.5m，寬8.0m，下部為豎井式閘室，上部為啟閉機(jī)房，內(nèi)設(shè)工作閘門、檢修閘門；豎井為圓筒式結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑5.8m，壁厚0.5m，高程128.9m設(shè)檢修平臺(tái)，啟閉機(jī)房地面高程132.5m，屋面采用雙層式六邊仿古坡屋面；控制段筒壁下游側(cè)設(shè)鋼管通氣孔以防氣蝕，通氣孔出口高程131.8.0m，通氣管位于筒壁內(nèi)；圓筒內(nèi)上游側(cè)設(shè)檢修閘門，下游側(cè)設(shè)工作閘門，中間采用厚0.3m的鋼筋混凝土板分隔，圓筒下游側(cè)筒身設(shè)鋼閘門槽以方便閘門啟閉，鋼閘門槽下游設(shè)混凝土固定梁以固定門槽；閘室側(cè)面設(shè)Φ22@400鋼筋爬梯，以方便工作人員檢修。

4）輸水涵洞段。輸水洞采用內(nèi)徑1.2m×1.8m矩形C30鋼筋混凝土箱涵與上游控制段進(jìn)行連接，壁厚0.4m，共9節(jié)，前8段每節(jié)12m，箱涵末端5.0m長(zhǎng)為漸變段，輸水方涵漸變到圓形管連接段長(zhǎng)5.0m鋼管，外包C30鋼筋混凝土，分別與下游供水管連接，涵洞底部設(shè)C15混凝土墊層厚0.1m；箱涵間及涵與上游控制段均設(shè)雙道止水，內(nèi)側(cè)采用紫銅片、外側(cè)采用橡膠止水，每節(jié)箱涵中間設(shè)一處C30混凝土截滲環(huán)，施工時(shí)與輸水涵整體澆筑，輸水涵洞外圍采用黏土回填壓實(shí)。輸水洞進(jìn)口底高程108.4m，出口底高程107.68m。箱涵兩側(cè)回填水泥土，回填至箱涵以上0.5m。

2 水力學(xué)和結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 放水洞過(guò)流能力計(jì)算

放水洞的水力計(jì)算主要是核算新建后工程實(shí)施后現(xiàn)狀洞徑能否滿足不同運(yùn)用工況的過(guò)流能力要求，由于出水口接壓力管道，在設(shè)計(jì)水頭下，放水洞涵管的水流流態(tài)屬有壓自由出流[3]，經(jīng)試算，當(dāng)庫(kù)水位為108.7m時(shí)，放水洞供水流量0.5m3/s，日供水能力達(dá)到4.3萬(wàn)m3，滿足灌溉水最低流量0.45m3/s的要求，50%興利庫(kù)容對(duì)應(yīng)水位122.4m時(shí)，放水洞最大流量21.7m3/s，興利庫(kù)容對(duì)應(yīng)水位127m時(shí)，放水洞最大流量25m3/s，符合設(shè)計(jì)流量要求。

2.2 放水洞豎井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

1）計(jì)算基本數(shù)據(jù)。豎井基礎(chǔ)與中等風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖摩擦系數(shù)：f=0.6，抗剪斷摩擦系數(shù)：f=0.85，抗剪斷粘聚力c′=0.061MPa；回填土飽和容重為20.384kN/m3；回填土浮容重為10.384kN/m3；地基允許承載力為1500kN/m3；鋼筋混凝土容重為25kN/m3；設(shè)計(jì)地震烈度為Ⅷ度；回填土內(nèi)摩擦角Φ=32.5°，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GBJ9-87），100年一遇基本風(fēng)壓為0.35kN/m2。

2）荷載組合。荷載組合情況見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)口豎井穩(wěn)定計(jì)算荷載組合表

正常工況下正常水位127.00m；校核工況下校核水位131.99m；地震工況下正常水位127.00m，遇Ⅷ度地震。

3）荷載計(jì)算成果。通過(guò)計(jì)算可得3種工況下荷載計(jì)算成果表，見(jiàn)表2。

表23 種工況下荷載計(jì)算成果表

4）穩(wěn)定計(jì)算成果。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）巖基上閘室底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：f′為閘室基底與巖石地基之間的抗剪斷摩擦系數(shù)，取值0.85；C′為閘室基底面與巖石地基之間的抗剪斷粘結(jié)力；A為底板的面積，m2；∑G是豎向力，kN；∑H為水平力，kN；Kc為安全系數(shù)。

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001閘室基底應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

由表3可知：在正常情況、校核情況、地震情況3種工況條件下進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性計(jì)算，基底應(yīng)力值遠(yuǎn)小于承載力標(biāo)準(zhǔn)值1500kPa，基底應(yīng)力符合要求，放水洞巖基上沿閘室基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果均大于限值，滿足規(guī)范要求。

表3 放水洞豎井穩(wěn)定計(jì)算成果表

3 結(jié)語(yǔ)

陡山水庫(kù)放水洞重建工程以完成，各設(shè)施運(yùn)行狀況良好，各項(xiàng)指標(biāo)均符合水利工程施工規(guī)范，徹底解決了放水洞存在的安全隱患；同時(shí)，放水洞經(jīng)過(guò)高水位低水位的驗(yàn)證，出水流量滿足了當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)生產(chǎn)生活的需要，對(duì)農(nóng)田灌溉環(huán)境、水力發(fā)電等實(shí)現(xiàn)了很好的改善，提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。