慶豐水庫混凝土梁格干砌石護坡結構設計

劉金巖，蘇道峰

（吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021）

1 工程概況

慶豐水庫位于蛟河市天北鎮境內,屬于二松水系，位于團山河上游，壩址以上控制流域面積為68.8 km2。慶豐水庫除險加固之后總庫容為1036×104m3，是以灌溉為主結合防洪、發電、養魚等綜合利用的中型水庫。水庫主要建筑物由大壩、溢洪道、輸水洞構成，工程等級為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級。設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為千年一遇。因大壩上游原有干砌石護坡年久失修，加之凍融淘刷破壞，護坡損毀十分嚴重。故此次除險加固設計將上游原有干砌塊石護坡全部拆除后重新進行護砌。經對干砌石護坡與干砌石護坡附加混凝土梁格兩種設計方案計算比較后，大壩上游護坡最終選定采取干砌石護坡附加混凝土梁格的設計加固處理措施。

2 計算比較分析

慶豐水庫大壩為粘土心墻壩，壩頂高程為328.00 m，壩頂長510 m。壩頂寬5.0 m，最大壩高20.7 m。上游壩坡于高程319.17 m處設置一級馬道，寬 1.5 m，馬道以上壩坡 1∶2.8，以下壩坡 1∶3.0。

2.1 浪壓力情況計算

根據SL274-2001《碾壓式土石壩設計規范》，砌石護坡在最大局部波浪壓力作用下所需的換算球形直徑和質量、平均粒徑、平均質量和厚度計算公式：

式中：D——石塊的換算球形直徑，m；D50——石塊的平均粒徑，m；Q——石塊的質量，kN；Q50——石塊的平均質量，kN；t—— 護坡厚度，m；m——護坡坡率，2.8；Kt——隨坡率變化的系數，取Kt=1.40；ρk——塊石密度，取2.5×103kN/m3；ρw——水密度，取 1.0×103kN/m3；hp—累計頻率為 5%的波高，m。

經計算，干砌石護坡厚度在浪壓力作用下計算所需的護坡厚度為0.236 m。

2.2 冰推力情況計算

根據《土壩設計·上冊》在冰推力作用下干砌石護坡穩定計算公式：

式中：K——穩定安全系數；γk——石塊的容重，2.5×103kN/m3；t——護坡厚度，m；m——護坡坡率,2.8；H——冰層以上護坡高度，m；δ——冰層厚度，m；f——護坡與墊層間摩擦系數，0.7；T——靜冰壓力，t/m，采用DL5077-1997《水工建筑物荷載設計規范》表13.1.1中數值。

在滿足干砌塊石護坡穩定安全系數[K]=1.0的條件下，且假設水庫冬季于正常高水位325.70 m處結冰工況時對應不同結冰冰層厚度，計算所需干砌石護坡厚度結果見表1。

表1 干砌石護坡厚度計算結果表

2.3 計算結果對比分析

通過以上分別對浪壓力及冰推力兩種情況下計算所得的干砌石護坡厚度結果可知，在我國北方寒冷地區干砌石護坡厚度多數為冰推力情況控制，且計算所需厚度過大，若依然采取普通干砌石護坡設計必然導致工程造價較高，且選料和施工方面亦具有極大難度。而在北方寒冷地區水庫冬季普遍結冰冰層厚度多年實測均不低于0.75 m，所以為減小干砌石護坡厚度，設計時可采用附加混凝土梁格的工程措施。

3 干砌石護坡附加混凝土梁格設計

為便于施工附加混凝土梁格可布置成正交網格。混凝土梁格由頂梁、底梁和中間豎向聯系梁組成。原則上頂梁應布置在水庫冬季結冰水位以上，即略高于正常高水位處。底梁的位置及中間豎向聯系梁的間距需經過結構計算來確定。

3.1 設計計算模型

如果將附加混凝土梁格及其內部的塊石作為一整體考慮，在冰推力作用下由于該整體將會產生一順坡向下的抵抗力G（自重和摩擦力產生的）。增設附加混凝土梁格工程設計后，在冰推力作用下力的傳遞過程改變如下：冰推力→上部接近頂梁的塊石→頂梁→中間豎向聯系梁→底梁→梁格內塊石，最終該整體達到抵抗冰推力破壞而保持穩定。當順坡向上冰推力的分力F1小于抵抗力G時，該整體保持穩定不動。計算模型示意圖見圖1。依據此理論在冰推力作用下干砌石護坡穩定計算公式為：

式中：G——計入冰層abc重量的護坡單寬重量，kN；F——冰推力，kN/m；θ——護坡面與水平線的交角；f——護坡與墊層間的摩擦系數。

其中：G=γk（1+m2）0.5H1t+γbmz2/2+γk′（1+m2）0.5H2t

式中：γk′——塊石浮容重,kN/m3；m——上游壩坡坡度；γb——冰容重，kN/m3；z——冰厚度，m；H1，H2——冰上、冰下護坡高度，m。

圖1 干砌石護坡附加混凝土梁格設計計算模型

3.2 除險加固設計方案

綜合考慮護坡選取塊石料及施工難度等原因，大壩上游干砌石護坡厚度宜設計為0.30 m，為滿足抵抗冰推力的要求，在壩坡面上增設鋼筋混凝土梁格以確保干砌石護坡的穩定。經計算可得附加混凝土梁格的布置型式為：頂梁貼坡布置于正常高水位325.70 m以上0.5 m處；底梁布置于高程321.96 m處，兩道梁之間沿壩坡向間距為12.3 m，在兩道梁中間加設一道中梁，高程為324.08 m，以縮小梁格間距，增加干砌石護坡的穩定，以上三道平行于大壩軸線的梁截面尺寸為30 cm×45 cm（寬×高）。在三道梁中間每隔5.0 m布置一道橫梁，截面尺寸為30 cm×45 cm（寬×高），形成梁格，梁格為5.0 m×6.0 m（寬×高）。每隔21.5 m兩個整體梁格結構之間設置結構縫一道。梁格內部鋪設塊石，梁格混凝土強度等級為C25 F300。

4 結語

慶豐水庫除險加固工程于2009年開工建設，2010年該工程竣工驗收合格并交付使用。經過實際冬季運行，大壩上游護坡不僅結構完整，安全穩定，且工程造價合理，施工方便，外型美觀大方。通過蛟河市慶豐水庫除險加固工程的設計案例，在北方寒冷地區土石壩上游護坡設計中推廣采用干砌石附加混凝土梁格設計為宜。

[1]于富貴，劉樹峰.土石壩上游塊石護坡混凝土梁格設計[J].東北水利水電，2004（2）.