潑河水庫溢洪道工程閘室段加固設計方案比選

□代 蔚 □付明濤

（信陽市潑河水庫管理局）

潑河水庫溢洪道位于信陽市光山縣潑河水庫8#、9#副壩之間，軸線方向南43.5°東，為開敞式梯形寬頂堰，堰頂高程78.0m，進口底部高程74.0m，堰頂建5個閘墩，其上建公路橋及啟閉機操縱室。堰面是克—奧氏非真空曲線，下接1：1.8的陡坡，再下為挑流式消能池，挑角30°。堰寬70m，安裝6扇鋼絲網薄殼水泥弧形閘門，斜支臂為鋼筋混凝土預制，半徑6m，用2×15t卷揚式啟閉機啟閉。最大過水深5m，設計最大泄量2340m3/s。工程于1968年11月開工，1972年4月全部竣工。建成運行至今已30余年。共參與泄洪7次，最大泄量450m3/s(1973年2月24日)。“75.8”特大洪水后，主副壩于1977年進行了垂直加高，壩頂高程已由建庫時86.6m增高至87.5m，但溢洪道閘室中墩、邊墩頂高程和交通橋沒有相應進行加高，仍是原設計85.0m和86.5m。

一、閘室穩定復核

潑河水庫溢洪道采用的是分離式閘墩，此次分別對中墩順水流向的穩定和邊墩雙向穩定進行復核。

（一）荷載及荷載組合計算

依據規范要求，計算荷載組合包括基本荷載組合和特殊荷載組合，不同計算工況荷載組合見表1。各荷載計算方法按照《溢洪道設計規范》（SL253-2000）計算。

表1 計算荷載組合表

（二）計算參數選取

混凝土與基巖抗剪摩擦系數f=0.6。溢洪道閘墩和邊墻、底板均為150#混凝土。上部荷載：每孔工作橋重120t，交通橋重80t，弧形閘門重16.5t，操縱室重150t（包括啟閉機重9t在內）。滲透壓力：采用直線比例法計算。土重：土體濕密度1.85g/cm3，摩擦角Ф＝21°，c=22kPa。地基允許承載力：2500kPa。抗滑穩定安全系數：基本組合K≥1.05，特殊組合K≥1.0。

（三）閘室抗滑穩定及基底應力計算

溢洪道為分離式閘墩，閘室抗滑穩定計算主要是核算閘墩的抗滑安全和地基應力，抗滑安全采用抗剪強度計算公式計算；地基應力計算采用材料力學計算公式。

1.抗滑穩定計算公式

式中：Kc－抗滑穩定安全系數；f－基礎底面與地基之間的摩擦系數；∑G－作用在閘室上的全部豎向荷載（t）；∑H－作用在閘室上的全部水平向荷載（t）。

2.閘室基底壓力計算公式

式中：σ－基底壓力（t/m2）；A－基底面積（m2）；e－偏心距（m）（x向,y向）；B－基底寬度（m）（x向,y向）。

（四）計算水深

由于原溢洪道布置上的特殊性，所以在計算時，不同庫水位對閘墩和邊墩的上、下端將有不同的數值。根據運用情況，按下面方法計算。

水位85.7m以下，泄洪方式為敞泄，上端水位為庫水位，下端水位應按庫水位下泄流量的臨界水深計算。水位85.7m以上泄洪方式為控泄，上端水位為庫水位，下端水位應按庫水位時的孔口出游的收縮水深計算。

（五）計算成果

根據荷載組合表中各計算工況，對中墩和邊墩按上式分別進行抗滑穩定和地基應力計算。其計算成果見表2、表3。

表2 閘室中墩穩定計算成果表

表3 閘室邊墩穩定計算成果表

從表中可以看出閘室穩定滿足要求（抗滑穩定安全系數允許值為：荷載基本組合≥1.05，特殊組合≥1.0）；邊墩后趾出現拉應力0.24MPa，超過規范規定值（計算雙向受力情況時，基底面上可容許出現≤0.1MPa的垂直拉應力），不滿足要求。

又根據2006年6月華北水利水電學院對溢洪道所做的混凝土質量檢測報告描述，溢洪道壩面混凝土強度嚴重偏低，混凝土表面碳化嚴重，所測值均已超過6mm；表面出現不規則裂縫多條。骨料顆粒級配極不均勻，最大粒徑超過100mm，溢洪道閘室段應盡快采取加固修補措施。

二、溢洪道閘室段加固方案選擇

基于上述原因，潑河水庫閘室段要進行除險加固。根據工程實際情況，結合投資，設計出3套加固方案。以下對3個方案分別比較：

（一）方案一：對老閘閘室段現狀進行加固

1.邊墩拆除重建。從地質勘探成果來看，邊墩處于強風化巖石上；閘室右邊墩牛腿處沿新舊混凝土交接處有兩條不規則寬0.1mm長20cm裂縫，且邊墩牛腿后趾出現拉應力，存在嚴重的質量問題；故邊墩拆除重建。

2.閘墩上部結構拆除重建，在溢洪道右岸設置檢修閘門門庫和橋頭堡。

3.閘室左側第二個中墩拆除重建。根據地質報告，左側第二個中墩坐落在F26斷層破碎帶上，基礎未作處理，因此需拆除重建。

4.加高加長其它中墩。原4個中墩加高2.5m，向上游加長2m，向下游加長至底板末端。并將閘墩兩側表層混凝土鑿除，鑿除深度為50mm，表層加抗沖耐磨混凝土，并布設鋼筋網，使新老混凝土結合緊密。

5.增加檢修閘門。將原折線型底板改進為折線III型底板，以便增加檢修閘門。

6.原小底板向上游面加長，與閘墩一致，改進為折線型，并將原底板表面混凝土鑿除50mm，表層加抗沖耐磨混凝土，布設鋼筋網，上游面加長部分與原底板銜接處打錨筋，使新老混凝土結合緊密。

7.加強牛腿輻射筋。原牛腿靠近下游部位已出現裂縫，并有混凝土剝落，由于缺乏原始資料，根據對閘墩和擋墻的強度驗算配筋均不滿足新規范要求，原牛腿輻射筋未必滿足。

8.根據勘探資料，閘室地基在強風化帶上，強風化帶底部高程為69～80m，并且閘基斷層沒進行處理，因此對閘基進行帷幕灌漿和固結灌漿。

9.閘門啟閉機以及機電設備更新。

10.觀測設施更新。

11.由于泄槽段擋墻和底板存在嚴重的質量問題，故拆除重建。

（二）方案二：老閘閘室段拆除重建方案，結合原方案進行布置

拆除重建閘室段，結合原方案進行布置，重新布置閘室控制段，新建溢洪道泄洪閘中心線布置在原溢洪道中心線上，新建閘軸線同原閘軸線。

閘室段長21m，控制堰為開敞式折線III型寬堰，閘墩與底板仍采用分離式鋼筋混凝土結構，閘墩兩側各1m處設縫與底板分開。閘室共6孔，總寬70m，每孔凈寬10m，底板高程74m，堰頂高程78m，底板厚2.0m，中墩厚2m。安設10m×4.5m弧形鋼閘門，啟閉設備為液壓啟閉機。閘墩前部設檢修閘門，檢修閘門采用浮箱式疊梁平面焊接鋼閘門，閘門分為6節，每節閘門高1.1m，疊梁結構相同具有互換性，檢修閘門工作平臺高程為87.5m，啟閉設備選用門機，檢修閘門平時存放在泄洪閘右岸檢修閘門門庫里。閘墩下游建有寬5.0m的工作橋，機電設備及液壓啟閉機布置在操作室內。閘室段兩側靠近上游處，為防止繞滲回填粘土，粘土心墻頂高87.5m，頂寬1.0m，邊坡1：0.35，其余回填石渣。

泄槽段擋墻和底板由于存在問題較多，故拆除重建。

（三）方案三：老閘閘室段拆除重建方案，原閘室寬度縮窄

拆除重建閘室段，重新布置閘室控制段，新建溢洪道泄洪閘中心線布置在原溢洪道中心線上，新建閘軸線同原閘軸線。0+182.08～0+203.08為閘室段，長度為21m，為鋼筋混凝土結構。閘室總寬為67.5m，為6孔閘，每孔凈寬10m，安設10m×4.5m（寬×高）弧形鋼閘門，閘底板高程78.0m，中墩厚1.5m，中墩下底板厚1.5m，小底板厚1m，邊墩為半重力式，高度11.5～15.5m，底部寬9.1～11m，頂部寬為1.0m，閘墩頂高程為87.5m。閘底板采用折線型實用堰，為改善水流條件，將堰頂角修圓成III型斷面，修圓角半徑為2m。堰頂水平直線段長12.48m，后為半徑15m的圓弧與泄槽底板相接。閘室混凝土強度等級均采用C25，閘室底板設0.5m厚C10混凝土蓋重，做固結灌漿處理。閘室段上游側設有檢修閘門，檢修閘門選用露頂式疊梁平板鋼閘門，閘門分2節，每節2.25m高，檢修閘門工作平臺高程為87.5 m，設5m寬檢修工作橋連接兩岸，采用門機起吊，檢修閘門平時存放在溢洪道右側檢修閘門門庫里。閘室下游設有寬5.0m的汽-20工作橋，橋面高程為87.5m。閘室段右岸靠近閘墩建有檢修閘門庫和橋頭堡，檢修門及門庫排架上設操縱室。機電設備及控制裝置布置在操縱室內，在閘室右岸以及門庫下游側均設橋頭堡，橋頭堡內設樓梯。

泄槽段擋墻和底板由于存在問題較多，故而拆除重建。

（四）方案比較

表4 方案投資比較表

各方案投資見表4。

方案一充分利用老閘，邊墩和左邊第二個中墩拆除重建，中墩和底板加固，節約了投資。但閘底板座在強風化地基上，從勘探取樣來看，巖心基本呈土狀，固結灌漿很難達到預期效果；中墩和底板加固施工技術難度較大，尤其是牛腿輻射筋施工難度更大；故加固方案難以從根本上解決問題。

方案二從根本上徹底解決了泄洪閘的安全問題，不留存任何隱患，便于今后的運行管理，投資略有增加，但施工難度大。

方案三從根本上徹底解決了泄洪閘的安全問題，不留存任何隱患，便于今后的運行管理，且施工難度小、工程量較小、投資較省。

經綜合比較選擇拆除重建方案三。主要因為方案三無論在工程安全、工程投資量、施工難度等方面都有優勢。潑河水庫除險加固工程溢洪道閘室段已于2008年10月開工建設，2009年建設完成，工程建成后，達到了設計要求，徹底解決了溢洪道的安全問題，充分證明當初加固方案選擇的正確性。