棘洪灘水庫(kù)改造工程大壩護(hù)坡復(fù)核與加固方案選擇

任恒誼，馬新涌

（1.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心膠州管理站，山東 膠州 266300；2.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心棘洪灘水庫(kù)管理站，山東 青島 266109）

1 工程概況

棘洪灘水庫(kù)樞紐工程是引黃濟(jì)青工程的調(diào)蓄水庫(kù)，工程位于青島市城陽(yáng)區(qū)棘洪灘鎮(zhèn)以西。棘洪灘水庫(kù)原設(shè)計(jì)風(fēng)速20 m/s，取即墨氣象站歷年最大風(fēng)速（1964年5月17日），即墨站氣象站距水庫(kù)22 km，且東南嶗山對(duì)該站風(fēng)速風(fēng)向影響較大，根據(jù)水庫(kù)多年的運(yùn)行實(shí)踐及波浪觀測(cè)研究，主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)計(jì)風(fēng)速偏低[1]。本次討論的設(shè)計(jì)主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速采用距棘洪灘水庫(kù)11 km的馬戈莊氣象站1989年~2008年的風(fēng)速資料，次主導(dǎo)風(fēng)向及非主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)速仍采用原設(shè)計(jì)的風(fēng)速。

2 現(xiàn)狀護(hù)坡復(fù)核

大壩上游壩坡原設(shè)計(jì)采用干砌方塊石護(hù)坡厚30 cm，下設(shè)反濾層自下而上分別為粒徑2 cm~4 cm的碎石、粒徑0.5 cm~2 cm的碎石、中粗砂。水庫(kù)壩坡施工時(shí)，因搶工期，反濾層未按設(shè)計(jì)要求施工，實(shí)際護(hù)坡存在的問(wèn)題包括：護(hù)坡石間縫隙太寬，大多為4 cm~5 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求的2 cm，造成反濾料流失、塊石被架空；砌石護(hù)坡厚度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，一部分砌石厚度0.25 m~0.26 m，少數(shù)只有0.2 m。在水壩長(zhǎng)期運(yùn)行中，護(hù)坡因受到主導(dǎo)風(fēng)沖刷出現(xiàn)了不同程度損壞，相關(guān)管理部門已先后對(duì)破壞嚴(yán)重邊坡進(jìn)行了改造加固，主要方法為保持原干砌石護(hù)坡不變，在面層澆筑鋼筋混凝土板，以此起到一定保護(hù)作用。

2.1 計(jì)算依據(jù)

干砌石護(hù)坡厚度計(jì)算依據(jù)波浪計(jì)算中的波浪要素，根據(jù)SL274-2001《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中的護(hù)坡計(jì)算理論[2]，相應(yīng)公式如下：

塊石在最大局部波壓力作用下所需的直徑D（換算為球形）為[3]：

式中：

D——石塊的換算球形直徑，m；

D50——塊石平均粒徑，m；

ρk——塊石容重，取ρk=2.65 t/m3；

ρw——水的容重，取ρw=1.0 t/m3；

m——坡率；

hp——累積頻率為5%的波高，m；

Kt——隨坡率變化的系數(shù)。

干砌石護(hù)坡的厚度t為：

當(dāng)Lm/hp≤15時(shí)

當(dāng)Lm/hp>15時(shí)

現(xiàn)澆砼板板護(hù)坡計(jì)算公式

式中：

η——系數(shù)，取η=1.0；

hp——累積頻率為1%的波高，m；

ρc——砼的容重，ρc=2.35 t/m3；

b——沿壩坡向板長(zhǎng)，5.4 m。

2.2 復(fù)核結(jié)果分析

復(fù)核內(nèi)容包括有主導(dǎo)風(fēng)向段、次主導(dǎo)風(fēng)向段、非主導(dǎo)風(fēng)向段，現(xiàn)狀護(hù)坡、各現(xiàn)狀段樁號(hào)內(nèi)容和實(shí)際情況可見(jiàn)表中備注。觀察表1可以看出主導(dǎo)風(fēng)向段高程15.0 m以上至壩頂護(hù)坡石厚度部分未達(dá)到0.38 m的復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)，不滿足要求。表2表明雖然次主導(dǎo)風(fēng)向段高程13.5 m以上至壩頂護(hù)坡石實(shí)際厚度達(dá)到復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)，但部分厚度僅在0.25 m~0.26 m之間，仍然達(dá)不到規(guī)范要求。非主導(dǎo)風(fēng)向段（見(jiàn)表3）砌石護(hù)坡厚度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，一部分砌石厚度0.25 m~0.26 m，亟需進(jìn)行加固改造。

總的來(lái)說(shuō)，主導(dǎo)風(fēng)向段和次主導(dǎo)風(fēng)向段高程分別在6.5 m~15 m和6.5 m~13.5 m的護(hù)坡受損并不嚴(yán)重，其材質(zhì)主要為鋼筋混凝土護(hù)坡板，并且由于受力比較均勻、剛度大使得它承受風(fēng)浪和水波荷載的能力遠(yuǎn)大于上部的干砌石材質(zhì)護(hù)坡。受損較為嚴(yán)重的以干砌石為材質(zhì)的護(hù)坡段，主導(dǎo)風(fēng)向段和次主導(dǎo)風(fēng)向段的干砌石護(hù)坡段現(xiàn)狀并不樂(lè)觀，兩者厚度都有明顯變薄的趨勢(shì)，厚度減少量均達(dá)到了15%以上。更為嚴(yán)重的屬非主導(dǎo)風(fēng)向段的護(hù)坡，高程在6.5 m以上的現(xiàn)狀護(hù)坡均減少到0.3 m以下，僅死水位（6.5 m~9.5 m）高程段現(xiàn)狀厚度滿足復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)，9.5 m以上高程段均需要加固處理。這可能是由于水庫(kù)壩施工時(shí)工期安排不恰當(dāng)，導(dǎo)致了施工未按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；此外，設(shè)計(jì)要求護(hù)坡石縫隙寬度小于2 cm，但現(xiàn)狀縫隙寬度多為4~5 cm，縫隙過(guò)大導(dǎo)致填充物流失，塊狀石料附著力減小，最后形成架空[4]。

表 1 主導(dǎo)風(fēng)向段現(xiàn)狀護(hù)坡復(fù)核結(jié)果

表2 次主導(dǎo)風(fēng)向段現(xiàn)狀護(hù)坡復(fù)核結(jié)果

表 3 非主導(dǎo)風(fēng)向段現(xiàn)狀護(hù)坡復(fù)核結(jié)果

3 護(hù)坡改建方案比選分析

針對(duì)大壩護(hù)坡厚度不滿足要求且反濾層沒(méi)按設(shè)計(jì)施工的情況，現(xiàn)提出以下三個(gè)改建方案進(jìn)行比較：

3.1 現(xiàn)澆鋼筋砼板方案（方案1）

拆除部分原上游砌石護(hù)坡澆注混凝土格梁，同時(shí)在原砌石護(hù)坡上澆注鋼筋砼板，現(xiàn)澆板沿壩坡向板長(zhǎng)6.0 m，沿壩坡方向分縫寬度為5 mm。按照此方案布置，主導(dǎo)風(fēng)向段護(hù)坡厚度將減少至0.15 m，次主導(dǎo)風(fēng)向段護(hù)護(hù)坡厚度減少至0.125 m，滿足復(fù)核最大厚度需求。

3.2 漿砌石護(hù)坡方案（方案2）

采用漿砌石護(hù)坡可以有效防止護(hù)坡風(fēng)化、減少水流沖刷護(hù)坡造成的損害。具體是將現(xiàn)狀干砌石護(hù)坡拆除，采取符合規(guī)范的塊狀石料布置M 10漿砌石護(hù)坡，注意漿砌石布置方向需沿壩坡布置，豎向分隔距離5 m。此種方法可將非主導(dǎo)風(fēng)向段和次主導(dǎo)風(fēng)向段護(hù)坡厚度改至0.17 m，主導(dǎo)風(fēng)向段護(hù)坡厚度降低至0.22 m。

3.3 漿砌石護(hù)坡加糙方案（方案3）

經(jīng)計(jì)算加糙后主導(dǎo)風(fēng)向邊坡1∶2.25壩段計(jì)算壩頂高程17.63 m，主導(dǎo)風(fēng)向邊坡1∶2.5壩段計(jì)算壩頂高程17.43 m，兩者較現(xiàn)狀高程都相對(duì)較低，現(xiàn)狀為18.24 m。參考方案2所述拆除干砌石，重建漿砌石，但間距按照2.5 m砌筑0.2 m厚條石，條石高出坡面0.2 m以加糙消浪。計(jì)算后可知按照此方案設(shè)計(jì)后主導(dǎo)風(fēng)向、次主導(dǎo)風(fēng)向和非主導(dǎo)風(fēng)向與方案2實(shí)施后結(jié)果相一致。

經(jīng)過(guò)比較分析，上述三種方案均能有效滿足大壩護(hù)坡厚度要求。方案1優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需進(jìn)行拆除工程，直接在原有大壩護(hù)坡上施工，工序較少，施工簡(jiǎn)潔，工期較短，能有效避免長(zhǎng)時(shí)間施工造成的水庫(kù)安全事故發(fā)生。此方案單位造價(jià)預(yù)估為108元/m2，K△為0.9。方案2需要先對(duì)護(hù)坡石進(jìn)行拆除，然后再進(jìn)行漿砌，該方案的優(yōu)點(diǎn)是在除主風(fēng)向壩段外，基本滿足大壩計(jì)算壩頂高程的要求，此方案可就地取材，節(jié)省投資（約為54元/m2），但施工難度大，工期長(zhǎng)。方案3需要先對(duì)護(hù)坡石進(jìn)行拆除，然后再進(jìn)行漿砌，并砌筑條石消浪坎加糙，該方案的優(yōu)點(diǎn)是在主風(fēng)向壩段，基本滿足大壩計(jì)算壩頂高程的要求，不需對(duì)壩頂進(jìn)行改建，工程投資少（65元/m2）。以上方案優(yōu)缺點(diǎn)分析考慮問(wèn)題比較綜合，通過(guò)比選，在非主導(dǎo)風(fēng)向段高程介于9.5 m~13.5 m采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土擋板作為護(hù)坡（方案1），以此縮短項(xiàng)目工期[5]；高程介于13.5 m~17.24 m之間的壩段包含次主導(dǎo)風(fēng)向段和非主導(dǎo)風(fēng)向段中的13+900~14+227、1+350~3+000、6+050~7+648和7+648~10+100，采用漿砌石護(hù)坡加固設(shè)計(jì)（方案2）；在主導(dǎo)風(fēng)向（10+100~12+765、12+765～13+900、3+000～6+050）采用漿砌石護(hù)坡加糙方案（方案3）。

4 結(jié)論

在滿足大壩改造加固厚度的前提條件下，方案1在大壩護(hù)坡上直接施工，施工便利，工期短，利于水庫(kù)低水位時(shí)護(hù)坡加固縮短工期。方案2施工有一定施工難度但是能有效利用周圍石料，節(jié)約改造成本（約54元/m2）。方案3省去了壩頂改建工序，減輕施工負(fù)擔(dān)的同時(shí)為其他標(biāo)段爭(zhēng)取了寶貴資源。對(duì)待年久失修的水庫(kù)大壩護(hù)坡工程，必須強(qiáng)有力地執(zhí)行加固改造，從而有效避免一些不確定因素帶來(lái)的災(zāi)害。此外，隨著城市建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市水源面臨著嚴(yán)重威脅,棘洪灘水庫(kù)改造的順利進(jìn)行可以為城市飲水保障做出有效提升和幫助。