烏金塘水庫溢洪道除險加固設計

劉越

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽 110006）

1 工程概況

烏金塘水庫位于葫蘆島市女兒河的中下游，是一座以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、灌溉、養(yǎng)魚等綜合利用性的大（Ⅱ）型水庫，總庫容2.80億m3，工程等別為Ⅱ等，設計防洪標準為100年一遇洪水標準設計，5 000年一遇洪水標準校核。

除險加固前，水庫建設曾歷時20年，工程始于1958年動工興建，1960年下半年停建。1970年2月開始復建，并于1973年主體工程竣工，當時的設計標準是100年設計、300年校核。1976年鑒于水庫下游有葫蘆島、錦州市、鐵合金廠及沈山鐵路等重要交通干線，將水庫防洪標準提高到百年設計、最大可能暴雨P(guān)MP校核，并于9月正式施工，至1978年12月底完工。現(xiàn)烏金塘水庫樞紐工程主要建筑物包括主壩、泄洪輸水洞、一副壩、非常溢洪道、主溢洪道、二副壩。

水庫建成后，由于建設資金、施工及管理水平等原因，使工程質(zhì)量及結(jié)構(gòu)安全存在重大隱患，直接關(guān)系到下游葫蘆島地區(qū)及錦州市的經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全。

烏金塘水庫關(guān)于溢洪道安全鑒定評價主要結(jié)論有：

1）溢洪道控制段、堰頂局部、陡槽段、邊墩、中墩、溢洪道岸墻等均存在不同程度問題；交通橋橋身及橋墩均有裂縫，已成危橋；結(jié)構(gòu)安全綜合評定為C級。

2）溢洪道岸坡滲水現(xiàn)象較嚴重；滲流安全綜合評定為C級。

3）溢洪道邊墩、堰體、底板存在多種安全問題；上游兩側(cè)山體及河道欠挖阻水，影響泄洪；挑坎后缺少消力池，對溢洪道安全穩(wěn)定不利。

4）溢洪道的閘門、啟閉機設施等存在閘門面板厚度、主梁強度與剛度不足，設備老化、配件無法更新，漏油、銹蝕等多種問題。

2 工程除險加固設計

2.1 溢洪道工程現(xiàn)狀

原溢洪道位于大壩左岸分水嶺一鞍部，其組成包括進口引渠、控制段、水平段、陡槽擴散段、挑坎段、檢修橋、工作橋及交通橋等。

1）進口引渠 。進口引渠段長308.0 m，兩岸為石灰?guī)r山體，底寬56.0～52.0 m，底高程為80.4 m，邊坡 1∶0.5～1∶0.75。

2）引水段。引水段長10 m，兩側(cè)為扭曲面組成的漿砌石導流墻，墻頂高程為94.5 m，底板為鋼筋混凝土襯砌厚0.4 m、寬52.2 m、底板頂面高程80.4 m。

3）控制段。控制段長17 m，堰型為曲線型實用堰，堰體為漿砌石外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，堰頂高程為82.5 m。泄洪孔分為5孔，每孔凈寬9 m，每孔設9 m×6 m弧形閘門一扇，閘墩厚度為1.8 m。弧形閘門在提高標準時，位置及尺寸均未做改動，弧門頂高程仍為88.5 m、支鉸高程為88.0 m。墩頂設有檢修橋、工作橋及交通橋。

4）水平段。水平段長40 m，底寬52.2 m，底板為0.15～0.20 m厚的鋼筋混凝土板，下設厚度為0.25～0.6 m的漿砌石做墊層，底板高程79.4～79.3 m。兩側(cè)山體以護坡形式保護，坡比1∶1.0，護坡在1.0 m以下為混凝土，以上為漿砌石襯砌。

5）陡槽擴散段。擴散段長35.0 m，總寬度由52.2 m擴散到56.0 m，底板高程自79.3～75.5 m，底板與兩側(cè)山體處理情況同水平段。

6）挑流段。挑流段長15.0 m。反弧半徑R=24.0 m、坎頂高程為77.5 m、反弧半徑30°、底板寬度56～63.2 m，這段底板構(gòu)造與前兩段一致，只是邊坡采用鋼筋混凝土護坡。挑坎型式為連續(xù)挑流，末端兩側(cè)設有插入墻，各深入混凝土護坡內(nèi)1.0 m。為防止水流回淘，挑坎下設齒墻，齒墻底部座落于巖石上，高程為70 m。

2.2 存在的問題

1）兩側(cè)邊墩在1993年進行檢修閘墩施工過程中，均出現(xiàn)裂縫，左側(cè)邊墩屬貫穿性裂縫，并且兩側(cè)邊墩向中間傾斜，影響閘門的正常運行，危及邊墩及溢洪道穩(wěn)定。溢洪道控制段底板、溢流堰堰頂及陡坡段混凝土面層大面積脫落，露筋現(xiàn)象嚴重，底板有貫通裂縫。泄槽及堰面凹凸不平，且有不同深度的凍融破壞。

2）經(jīng)穩(wěn)定計算結(jié)果復核，在各種工況下控制段的整體穩(wěn)定安全基本滿足規(guī)范要求；但在設計和校核水位時基底出現(xiàn)拉應力，堰體底面有大于規(guī)范要求的拉應力，不滿足規(guī)范要求。

溢洪道中墩抗滑穩(wěn)定在設計洪水位時不滿足規(guī)范要求并在墩底出現(xiàn)拉應力，在檢修工況時，中墩及邊墩底亦出現(xiàn)不滿足規(guī)范要求的拉應力。

3）溢洪道墩頂及岸墻頂高程不滿足規(guī)范要求，造成閘頂過水、阻水及洪水外溢現(xiàn)象，對整個溢洪道的穩(wěn)定造成極大威脅。

溢洪道上游兩側(cè)山體和河底按原設計要求還有欠挖，嚴重阻水，導致溢洪道泄洪量不能達到設計要求。

2.3 加固方案

隨著設計工作的深入，對溢洪道加固方案進行經(jīng)過多次的分析論證，由于溢洪道存在問題太多并且嚴重，采用常規(guī)修補的辦法不能根除現(xiàn)有的安全隱患，因此決定拆除現(xiàn)有溢洪道，并在原有位置建造新的溢洪道。次方案也符合安全評價是專家們的加固建議，所以設計推薦、各級技術(shù)審查通過并采用了將原主溢洪道全部拆除重建的加固方案。

2.3.1 溢流凈寬比較

新建溢洪道結(jié)構(gòu)型式及尺寸直接影響到樞紐中的各主要建筑物，為了使新建溢洪道布置經(jīng)濟合理，根據(jù)現(xiàn)場實際條件對溢流凈寬選擇了3個比較方案，即凈寬分別為45.0，40.0，65.0 m。

方案Ⅰ：凈寬45.0 m方案，為保持與原結(jié)構(gòu)凈寬相同而確定的方案。

方案Ⅱ：凈寬40.0 m方案，為避免大范圍的開挖，溢洪道的總寬度基本與原結(jié)構(gòu)總寬度相同55.0 m。

方案Ⅲ：凈寬為65.0 m方案，考慮加大泄流量不加高壩體，開挖兩側(cè)山體加寬溢洪道。

溢流凈寬比較時溢洪道的基本布置為：各方案溢洪道中心線（順水流方向）的位置均與原主溢洪道相應方向的軸線位置相同；堰頂高程仍保持原高程82.5 m不變；進口引渠、控制段、陡槽擴散段、挑坎段等的結(jié)構(gòu)布置及型式相同，僅寬度及頂高程作相應的變化。

以上3個方案比較結(jié)果見表1。

表1 方案比較特性表

該工程壩頂高程由校核水位控制。現(xiàn)狀壩頂高程99.0 m（實測頂高程98.698 m），防浪墻高1.0 m，比較結(jié)果表明，溢流凈寬40 m時要求的壩高最大，但現(xiàn)狀主、副壩防洪高程均高于該方案要求的99.5 m。在現(xiàn)狀總寬度內(nèi)重建溢洪道，滿足溢流要求的條件下，縮窄凈寬至40 m，是經(jīng)濟合理的。

2.3.2 溢洪道堰型比較

在溢洪道凈寬確定的情況下，對溢洪道進行了堰型比較，為避免增加太大的石方開挖，將實用堰堰型的方案排除，僅對寬頂堰和駝峰堰兩種堰型進行比較，堰頂高程分別為80.4 m和82.5 m。兩方案調(diào)洪演算計算成果見表2。

表2 調(diào)洪演算計算成果

水力計算及水面線推求表明：①平底寬頂堰方案在控制段上水面線無明顯降落，而駝峰堰上的水面線在經(jīng)過堰頂后有明顯的水位降落，泄流后沿程各段寬頂堰方案的水面線明顯高于駝峰堰方案的水面線，導致兩側(cè)擋墻混凝土工程量加大較多；②寬頂堰方案堰上水位低于駝峰堰0.37 m，現(xiàn)狀壩高以滿足駝峰堰方案的水位要求，不增加額外工程量；③寬頂堰方案閘門擋水高度增加2.1 m，較之駝峰堰加高約30%,加大了運行管理難度和費用；遼西地區(qū)泥沙較大，寬頂堰方案泥沙淤積對閘門底腳、底梁及止水產(chǎn)生潛在危害，對水庫運行管理不利。綜上，因此設計推薦駝峰堰方案。

2.3.3 新建溢洪道工程布置及結(jié)構(gòu)設計

溢洪道在原位置新建，與輸水洞進口相距440 m，出口與主壩壩腳相距500 m，溢洪道中心線的位置與原主溢洪道軸線位置相同。

各部位組成包括：進口引渠、控制段、陡槽擴散段、挑坎段、護坦、檢修橋及交通橋等。

1）進口引渠。進口引渠段的樁號為0-243.69～0+000.000 m，巖性為石灰?guī)r，其中0-243.69～0-174.028 m 渠底寬 70.0 m，0-053.223～0-031.500 m渠底寬60.0 m，底高程為80.4 m，對欠挖的左岸岸坡按設計要求尺寸開挖，開挖邊坡為1∶0.75。

2）引水段。引水段樁號0-031.500～0-011.500 m，兩側(cè)為衡重式鋼筋混凝土導流墻，墻頂高程為98.05 m，墻底高程為78.90 m，墻身總高19.15 m。

3）控制段。控制段自樁號0-011.500～0+019.184 m，堰型為駝峰堰a型，堰頂高程為82.5 m。堰體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共5孔，每孔凈寬8 m，中墩及邊墩為2.5 m；設有8 m×6.4 m弧形閘門一扇及檢修閘門，弧門頂高程仍為88.9 m、支鉸高程為88.9m；檢修閘門共設一扇。控制段在堰體上設三條結(jié)構(gòu)縫，分縫處設紫銅止水。閘墩頂部設有檢修橋及交通橋。檢修橋橋面頂高程98.05 m、橋面寬8.45 m；交通橋橋面高程為92.00 m；橋面寬7.5 m。

4）陡槽段。陡槽段樁號為0+019.184～0+082.219 m，底寬50.0 m，澆筑厚0.5 m的鋼纖維混凝土板，下設厚度為0.1 m厚的混凝土墊層，底板高程79.061～74.9 m，為保證陡槽底板穩(wěn)定在其下設直徑D=25 mm、長3 m、間距2 m×2 m的錨筋。兩側(cè)為衡重式鋼筋混凝土擋土墻，墻頂高程為92.00～81.789 m。

5）挑流段。挑流段樁號為0+082.219～0+097.219 m ，該段寬50.0 m，坎頂高程為77.5 m，兩側(cè)亦采用衡重式鋼筋混凝土擋土墻，墻頂高程為83.0 m、墻底高程為73.3 m。挑坎末端兩側(cè)各深入擋土墻內(nèi)2.5 m。為防止水流回淘，挑坎下設齒墻，齒墻底部座落于巖石上，高程為68.9 m。

6）護坦。在挑坎后修建混凝土護坦，以保證在小流量泄流時挑坎的穩(wěn)定。護坦底板厚1.5 m、寬50 m、總長20 m，兩側(cè)設漿砌石擋土墻，墻頂寬0.5 m，擋水側(cè)為直立面，背水面坡度為1∶0.3。

7）基礎處理。閘室及上游導流墻基礎設防滲帷幕灌漿，總長130 m,孔間距2 m，帷幕灌漿根據(jù)不同的部位深度為8.9～15.9 m不等。灌漿控制標準為 0.03 L/（min·m·m）。

溢洪道閘室段底部設固結(jié)灌漿，固結(jié)孔深5 m，孔間距2 m、排距均為3.0 m，共設10排，梅花形布孔。

2.3.4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及應力計算分析

作用在控制段上的荷載分為基本荷載和特殊荷載；特殊荷載中的地震荷載，由于烏金塘水庫地震烈度為6度，根據(jù)抗震設計規(guī)范可不考慮地震荷載。揚壓力系數(shù)α取為0.25。

基本荷載及特殊荷載組合見表3。

對溢洪道控制段按抗剪斷強度公式進行穩(wěn)定計算和按材料力學法進行應力計算，得出在各種工況下控制段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，建筑物安全穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)設計經(jīng)濟合理。控制工況為完建期，其壩趾最小應力值為σmin=20.68 kN/m2。

表3 荷載組合表

3 結(jié)論

烏金塘水庫溢洪道的加固設計方案合理，解決了歷次建設中所遺留的結(jié)構(gòu)、運行安全隱患，將為確保水庫發(fā)揮最大效益及當?shù)氐姆篮榘踩徒?jīng)濟發(fā)展起到極其重要的作用。