嶗山水庫除險加固工程設(shè)計

張 曉，時鐵城，阮建飛

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，300222，天津）

一、工程概況

嶗山水庫位于山東省青島市城陽區(qū)，工程于1958年9月開工，1959年建成蓄水。設(shè)計總庫容6 044萬m3，為青島市重要供水水源之一。

嶗山水庫樞紐工程由主壩、放水洞、溢洪道、引沖式自潰副壩等建筑物組成。

①主壩為亞黏土斜墻砂殼壩，壩頂長672.15 m，壩頂高程56.00 m，最大壩高26 m。

②引沖式自潰副壩位于左岸埡口處，為黏土斜墻式砂殼壩，壩頂長55.20m，最大壩高5.7m，最大泄水量約1000m3/s。

③溢洪道為5孔溢洪閘和6孔開敞式溢流堰。溢洪閘尺寸為10m×6m（寬×高），底檻高程 49.00 m，溢洪閘兩側(cè)各有3孔砌石溢流堰，堰頂高程54.00 m，閘、堰總凈寬68 m。控制段后接泄槽和消力池。

④放水洞位于主壩左岸，為圓形鋼筋混凝土涵管，內(nèi)徑1.2m，長279m，設(shè)計流量6 m3/s。

二、工程存在主要病險及除險加固的必要性

1.工程存在的主要病險問題

嶗山水庫自建成蓄水至今已運行50年，原水庫防洪標準低，工程老化嚴重，建筑物存在病害和安全隱患。

①水庫現(xiàn)有的防洪能力達不到2 000年一遇校核洪水的防洪要求。

②大壩防浪墻斷裂，上游干砌石護坡高低不平，其下部反濾層破損嚴重，失去了對黏土斜墻的保護作用。

③溢洪道結(jié)構(gòu)混凝土老化嚴重，結(jié)構(gòu)安全和整體穩(wěn)定性不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；橋墩變形，欄桿開裂，橋面出現(xiàn)貫穿裂縫，交通橋與兩岸連接處有不均勻沉陷，漿砌石溢流堰也存在豎向裂縫；護坦及下游泄槽漿砌石護底平整度差，砂漿剝蝕嚴重，裂縫較多，裂縫處雜草叢生，泄槽底板和邊墻抗沖能力不足；在校核洪水工況下泄槽水面線高于漿砌石擋墻頂高程。

④放水洞進水塔控制門等金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備失控，不能操作；放水洞洞徑小，洞身沒有檢修條件，出壩后埋涵結(jié)構(gòu)強度不滿足規(guī)范要求。

⑤每年汛期都需對引沖式自潰壩安排一些臨時的應(yīng)急措施，防止超前潰壩或該潰不潰的情況發(fā)生。

2.工程除險加固的必要性

考慮工程下游有國際機場、高速公路、國道、鐵路、220 kV變電站及幾十家企事業(yè)單位、30多個村莊、6萬多人口，加之該水庫為青島城市供水重要水源之一，因此，決定對水庫實施除險加固。

三、除險加固設(shè)計

1.工程等級及建筑物級別

根據(jù)庫容指標和防洪保護對象的重要性，按照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2000）中的有關(guān)規(guī)定，確定該水庫為Ⅲ等工程；主要建筑物——主壩、泄洪閘、放水洞、副壩均為3級建筑物。

水庫的設(shè)計洪水標準為100年一遇，相應(yīng)洪峰流量1 970 m3/s；校核洪水標準為2 000年一遇，相應(yīng)洪峰流量3 440 m3/s；溢洪道消能防沖建筑物設(shè)計洪水標準采用30年一遇。

2.工程除險加固設(shè)計

根據(jù)工程建筑物病險情況及工程位置和下游防洪保護區(qū)內(nèi)對象的重要性，結(jié)合工程的具體情況，在除險加固設(shè)計中對各種方案進行了比選，經(jīng)綜合經(jīng)濟技術(shù)分析比較，推薦除險加固方案為：主壩不加高，修復(fù)反濾；拆除并重建溢洪道，適當降低溢洪道堰頂高程，增大泄洪能力，使工程防洪標準達到2 000年一遇的校核洪水標準；引沖式自潰壩改建成溢流堰，以保證能宣泄超標準洪水；封堵原壩下放水洞，新建放水洞以保證原供水功能且達到運用安全、檢修方便。

（1）主壩除險加固設(shè)計

由于上游護坡反濾層破壞，成土石混合物，對黏土斜墻失去保護作用，根據(jù)上述除險加固方案，本次除險加固對水位變動區(qū)高程在42～48 m范圍內(nèi)的上游護坡及反濾按原設(shè)計進行翻修，以保證加固后上游壩坡的坡度不變且平順。反濾層由內(nèi)向外依次為中粗砂層40 cm，粒徑范圍0.1～2 mm；礫石層 30 cm，粒徑范圍2～20 mm；卵礫石層30cm，粒徑范圍20～150mm；表面干砌塊石層厚50 cm，平均塊徑41 cm。

防浪墻裂縫采用環(huán)氧砂漿封堵處理；壩頂路面采用厚200 mm 12%水泥穩(wěn)定級配碎石基層，面層鋪設(shè)厚50 mm瀝青混凝土路面。

通過對大壩進行滲流計算和穩(wěn)定復(fù)核，計算結(jié)果表明，在各種工況下，斜墻內(nèi)的滲透比降平均為4，小于斜墻土料的允許比降，且其后設(shè)有反濾層，反濾層后為礫質(zhì)粗砂壩殼，斜墻不會發(fā)生有害的滲透變形；下游壩基和壩殼內(nèi)的滲透比降都小于0.022，且在下游壩坡設(shè)有貼坡排水，堤基和壩殼亦不會產(chǎn)生有害的滲透變形；上下游壩坡抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

（2）溢洪道拆除重建設(shè)計

原溢洪道布置為5孔溢洪閘（閘底板堰頂高程49m），兩側(cè)各3孔溢流堰（堰頂高程54m）。閘、堰下游接泄槽，泄槽首部寬134m，其后在泄槽順水流方向長30m范圍內(nèi)急劇收縮為60m。此種布置宣泄洪水時，將在閘、堰后發(fā)生橫向水流，泄流不順暢，流態(tài)不佳。

根據(jù)主壩不加高、在壩頂高程滿足安全超高的前提下，適當降低堰頂高程，以加大溢洪閘的泄流能力。在汛限水位53.5 m的條件下，經(jīng)調(diào)洪演算，確定新建5孔×10 m（單孔凈寬）溢洪閘，實用堰堰頂高程47.8 m，后接泄槽寬由62 m漸縮至40 m的溢洪道重建方案，閘兩側(cè)各3孔10 m溢流堰改建成擋水壩。此方案既消除了溢洪道病害、隱患，又能夠滿足宣泄校核洪水的防洪標準要求，同時改善了泄槽水流的流態(tài)。

由于溢洪道地處天然的寬闊埡口，溢洪閘前沿直接與水庫相接，不需要做專門的進水渠。

①溢洪閘布置，為使溢洪閘具有較大的超泄能力，溢洪閘形式采用開敞式；堰型為折線形實用堰，單孔凈寬10 m；閘室總寬68 m，順水流方向長為15 m；閘底板采用整體式底板，分縫位于閘孔中央，底板厚1 m，折線形底板下部仍采用原漿砌石基礎(chǔ)。

中墩厚度根據(jù)閘門布置要求確定為1.5 m，墩頂高程為57.40 m，中墩上下游端部均為圓弧形，半徑0.75 m。閘室兩側(cè)邊墩為了布置控制樓及與兩側(cè)擋水壩段相接，采用空腔結(jié)構(gòu)，寬6m，壁厚1.0m，邊墩垂直水流方向長19.2m。排架高度根據(jù)閘門要求取7.9 m。

本工程溢洪閘擋水高度較低，選用平面閘門，平面尺寸為10 m×7.3 m；為滿足蓄水興利要求，閘門高度為7.3 m。為方便檢修，在工作閘門上游側(cè)2.5 m處布置檢修門門槽，檢修門采用疊梁式鋼閘門，平時分節(jié)鎖定在檢修門槽頂部。

工作橋布置于閘墩排架柱上，寬5m，長58m，主梁高度1.1m，橋板厚0.2 m，工作橋頂高程66.4m。啟閉機根據(jù)啟門力要求選用2×250 kN雙吊點卷揚式啟閉機，在機架橋上布置啟閉機房。

檢修橋和交通橋均布置于閘墩上游，總長度為57 m。由于溢洪閘頂沒有公共交通要求，交通橋采用標準鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力空心板，共布置3塊，寬4.55 m，設(shè)計標準為汽—20、掛—100。橋頭堡布置在機架橋兩端，為四層框架結(jié)構(gòu)，溢洪道中控室、管理房均設(shè)于橋頭堡內(nèi)。

閘基礎(chǔ)保留原漿砌石基礎(chǔ)，通過開挖清理后檢測，其承載能力大于1 MPa，滿足建閘要求。為增強閘底板下部漿砌石基礎(chǔ)的整體性，對漿砌石基礎(chǔ)全段進行灌漿，灌漿深度為6 m，灌漿孔的間、排距均為2.0 m。

②溢洪道泄槽布置。溢洪道控制段后，接泄槽與下游原消力池連接。泄槽軸線為直線，水平長度165 m，平面布置為漸變直立明渠形式，橫斷面呈矩形。為減少開挖量，泄槽縱坡采用0.05和0.092兩種坡比，槽尾以渥奇曲面接原有消力池。泄槽護底采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)抗沖刷要求確定護底厚度為0.4 m，縱、橫向分縫最大距離均為15 m。

為保證泄槽底板與基巖結(jié)合良好，底板設(shè)錨筋，經(jīng)過工程類比，錨筋直徑為25mm，間距為2m，入巖深度為3m，錨筋頂端與泄槽底板上層鋼筋網(wǎng)焊接牢固。

泄槽兩側(cè)邊墻高程按2 000年一遇校核洪水的水面線加安全超高確定。漿砌塊石邊墻臨水面澆筑厚40 cm混凝土，以提高抗沖刷能力。為減小揚壓力，底板下設(shè)有縱、橫排水軟管，管徑10 cm，邊墻后也設(shè)置排水設(shè)施，將滲透水流排至下游河道。

經(jīng)復(fù)核，原消力池深度及長度均滿足泄流安全要求。

（3）放水洞設(shè)計

①方案比選。方案一為在原位置重建壩下放水洞，方案二為在主壩左岸山丘下新建放水洞。經(jīng)過比選，重建壩下放水洞方案投資大、工期長，而且需采用揚水翻過大壩才能保證施工期不中斷向下游供水，增加了工程投資。而新建放水洞方案，在建設(shè)完工經(jīng)試運行驗收后，可擇機對原放水洞在主壩斜墻段范圍實施封堵，既解決了放水洞病險問題，又能保證施工期不間斷向下游供水。因此，選擇在主壩左岸山丘下新建放水洞方案。

②新建放水洞線路選擇。新建放水洞遵循線路順直、沿線巖體完整、上覆巖層厚度適中、工程地質(zhì)條件有利、施工方便等原則，又考慮盡量不因隧洞施工對大壩造成影響，根據(jù)地形、地質(zhì)條件，隧洞線路選擇在主壩左壩頭外40 m左右山丘下穿過。此線路地質(zhì)構(gòu)造簡單，洞身段巖體為花崗巖，堅硬完整，塊狀結(jié)構(gòu)，洞線與主裂隙交角較大，成洞條件好；地下水活動微弱，圍巖穩(wěn)定；具有足夠的上覆層厚度（10～40 m）。

③放水洞進水塔布置。進水塔位于主壩左壩頭，塔后經(jīng)隧洞和一段埋涵輸水至下游控制蝶閥室，蝶閥室后通過鋼管與水廠原供水主管相接。進水塔底板高程30 m，塔頂高程56 m，通過交通橋和環(huán)山公路相接。進水塔外形為六角形，底層每邊長4.6 m。為提高取水的保證率，在塔內(nèi)布置3層取水口，高程分別為 30 m、43 m、47 m，三層進水口尺寸均為2.0 m×2.5 m（寬×高），設(shè)有3扇事故檢修平板鋼閘門。塔頂布置六邊形的啟閉機房，安裝3臺固定式啟閉機。

在進水塔前布置引水渠，渠寬5m，長90 m，底高程自塔前的30 m漸抬升至上游端處的34.8 m。

④放水洞布置。本工程放水洞供水流量為6 m3/s，根據(jù)供水流量，按照規(guī)范推薦的公式擬定放水洞的斷面尺寸，并考慮施工、檢查及維護方便，放水洞確定采用內(nèi)徑為2 m的圓形斷面。為減小糙率，提高輸水能力，放水洞采用鋼筋混凝土襯砌，根據(jù)襯砌計算結(jié)果，襯砌厚度Ⅱ、Ⅲ類圍巖0.3 m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖0.35 m，每8 m設(shè)一道伸縮縫。

放水洞長225 m，路徑巖體類別為Ⅱ～Ⅴ類，Ⅱ、Ⅲ類圍巖一期支護采用隨機錨桿，Ⅳ、Ⅴ類圍巖一期支護采用錨桿加噴C20混凝土（厚100 mm），遇巖脈、斷層破碎帶采用鋼支撐。隧洞頂部全長進行回填灌漿，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖段布置固結(jié)灌漿。

（4）引沖式自潰壩除險加固設(shè)計

根據(jù)引潰式自潰壩的現(xiàn)狀，除險加固設(shè)計在保留非常溢洪道功能的前提下，將引沖式自潰壩頂部拆除，在原上下游壩坡干砌塊石護面和壩頂澆筑一層厚0.2 m的C25鋼筋混凝土，改建成WES曲線形溢流堰，其堰頂高程55.86 m，與校核洪水位相同。這樣遇超標準洪水時，可以從其頂部過流宣泄洪水，徹底改變每年汛期都要安排臨時應(yīng)急措施的局面，從而確保主壩安全。

[1]水利部.碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范（SL 274—2001）[S].2000.

[2]水利部.水閘設(shè)計規(guī)范（SL 265—2001）[S].2001.

[3]水利部.水工隧洞設(shè)計規(guī)范（SL 279—2002）[S].2002.

[4]水利部.水利水電工程進水口設(shè)計規(guī)范（SL 285—2003）[S].2003.

[5]水利部.溢洪道設(shè)計規(guī)范（SL 253—2000）[S].2000.