陡山水庫放水洞除險加固設計方案比選

鄭善磊

（山東水總有限公司，山東 濟南 250014）

臨沂市莒南縣陡山水庫建于1959年，位于莒南縣城北17km，大店鎮花園村東1km處，屬淮河水系沭河一級支流潯河中下游，控制流域面積431km2，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發電、供水、漁業養殖、旅游等綜合利用的多年調節大（2）型水庫。經過20多年的使用及正常老化，2010年經臨沂市相關部門檢查發現該水庫的放水洞存在著兩方面的問題：在結構和功能性方面，放水洞內混凝土管存在裂縫，砌石廊道存在滲漏現象，豎井無檢修閘門且內閘門與啟閉設施老化銹蝕嚴重；在資源和利用方面，當地水資源緊缺，需求量缺口大，已嚴重制約了當地國民經濟的發展，陡山水庫已被規劃為莒南縣城及臨港產業區主要供水水源地。鑒于此，需對放水洞進行維修或新建，以便消除安全隱患，滿足抗震防滲的需要，為城鎮居民、工業和農業持續供水。

1 放水洞設計

1.1 設計方案

方案一：對原放水洞進行維修加固，灌漿堵漏，更換閘門。該方案可暫緩消除水庫放水洞的安全隱患，無法長期解決抗震、裂縫滲漏和閘門檢修問題。施工時間短，工程投資小。

方案二：將原放水洞拆除重建，輸水洞身由原來的拱洞式改為矩形箱涵式，漿砌石豎井改為磚砌式，增加檢修閘門等。該方案可徹底消除放水洞安全隱患，滿足定期檢修及供水需要。施工時間長，投資大。在原址重建無需擾動壩體其他標段[1]。

方案三：封堵原放水洞，在其他位置新建放水洞。該方案可徹底除險加固，施工時間較長，投資較大，但需要嚴格封堵原放水洞防止滲漏，需要合理選址且擾動壩體其他標段進行挖洞。

綜上，通過工程布置、施工工期、工程投資及工程的安全性等多方面的技術經濟比較，選擇方案二既能夠從根本上解決現有放水洞存在的問題，符合抗震供水的要求，對壩體整體影響較小。

1.2 設計標準

陡山水庫主要由黏土心墻砂殼壩，北端溢洪閘和南端放水洞組成。水庫工程規模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2等，次要建筑物為3等。原放水洞拆除重建，設計灌溉面積2.03萬 hm2，有效灌溉面積 1.08萬hm2，設計流量25m3/s。

1.3 放水洞布置

1）進口段。為保證水流平順地進入放水洞洞身內，進口采用喇叭形布置，順水流方向長10.0m，底高程為107.9m，進口底寬5.75m，兩側邊墻收縮角為12°；上游鋪蓋采用C25鋼筋混凝土結構，厚0.5m，前端設齒墻，深1.2m，上層縱橫筋均配φ12@200；邊墻采用M10漿砌石結構，墻頂寬0.5m，背水坡比1∶0.4，迎水面采用M10粗料石鑲面，厚0.2m，邊墻基礎座在混凝土鋼筋底板上；邊墻、鋪蓋與下游控制段間設止水，進口設活動式欄污柵[2]。

2）上游引水涵洞段。引水涵洞洞采用內徑1.5m×1.8m矩形C30鋼筋混凝土箱涵與下游控制段連接，壁厚0.4m，共3節，每節長12m，引水洞進口底高程108.0m，出口底高程108.4m。引水洞身下設0.1m厚C15混凝土層，箱涵兩側回填水泥土，回填至混凝土箱涵頂以上0.5m。

3）閘室控制段。控制段底板長9.5m，寬8.0m，下部為豎井式閘室，上部為啟閉機房，內設工作閘門、檢修閘門；豎井為圓筒式結構，內徑5.8m，壁厚0.5m，高程128.9m設檢修平臺，啟閉機房地面高程132.5m，屋面采用雙層式六邊仿古坡屋面；控制段筒壁下游側設鋼管通氣孔以防氣蝕，通氣孔出口高程131.8.0m，通氣管位于筒壁內；圓筒內上游側設檢修閘門，下游側設工作閘門，中間采用厚0.3m的鋼筋混凝土板分隔，圓筒下游側筒身設鋼閘門槽以方便閘門啟閉，鋼閘門槽下游設混凝土固定梁以固定門槽；閘室側面設Φ22@400鋼筋爬梯，以方便工作人員檢修。

4）輸水涵洞段。輸水洞采用內徑1.2m×1.8m矩形C30鋼筋混凝土箱涵與上游控制段進行連接，壁厚0.4m，共9節，前8段每節12m，箱涵末端5.0m長為漸變段，輸水方涵漸變到圓形管連接段長5.0m鋼管，外包C30鋼筋混凝土，分別與下游供水管連接，涵洞底部設C15混凝土墊層厚0.1m；箱涵間及涵與上游控制段均設雙道止水，內側采用紫銅片、外側采用橡膠止水，每節箱涵中間設一處C30混凝土截滲環，施工時與輸水涵整體澆筑，輸水涵洞外圍采用黏土回填壓實。輸水洞進口底高程108.4m，出口底高程107.68m。箱涵兩側回填水泥土，回填至箱涵以上0.5m。

2 水力學和結構計算

2.1 放水洞過流能力計算

放水洞的水力計算主要是核算新建后工程實施后現狀洞徑能否滿足不同運用工況的過流能力要求，由于出水口接壓力管道，在設計水頭下，放水洞涵管的水流流態屬有壓自由出流[3]，經試算，當庫水位為108.7m時，放水洞供水流量0.5m3/s，日供水能力達到4.3萬m3，滿足灌溉水最低流量0.45m3/s的要求，50%興利庫容對應水位122.4m時，放水洞最大流量21.7m3/s，興利庫容對應水位127m時，放水洞最大流量25m3/s，符合設計流量要求。

2.2 放水洞豎井結構穩定計算

1）計算基本數據。豎井基礎與中等風化花崗閃長巖摩擦系數：f=0.6，抗剪斷摩擦系數：f=0.85，抗剪斷粘聚力c′=0.061MPa；回填土飽和容重為20.384kN/m3；回填土浮容重為10.384kN/m3；地基允許承載力為1500kN/m3；鋼筋混凝土容重為25kN/m3；設計地震烈度為Ⅷ度；回填土內摩擦角Φ=32.5°，根據《建筑結構荷載規范》（GBJ9-87），100年一遇基本風壓為0.35kN/m2。

2）荷載組合。荷載組合情況見表1。

表1 進口豎井穩定計算荷載組合表

正常工況下正常水位127.00m；校核工況下校核水位131.99m；地震工況下正常水位127.00m，遇Ⅷ度地震。

3）荷載計算成果。通過計算可得3種工況下荷載計算成果表，見表2。

表23 種工況下荷載計算成果表

4）穩定計算成果。根據《水閘設計規范》（SL265-2001）巖基上閘室底面的抗滑穩定安全系數按下式計算：

式中：f′為閘室基底與巖石地基之間的抗剪斷摩擦系數，取值0.85；C′為閘室基底面與巖石地基之間的抗剪斷粘結力；A為底板的面積，m2；∑G是豎向力，kN；∑H為水平力，kN；Kc為安全系數。

根據《水閘設計規范》SL265-2001閘室基底應力應按下式計算：

由表3可知：在正常情況、校核情況、地震情況3種工況條件下進行抗滑穩定性計算，基底應力值遠小于承載力標準值1500kPa，基底應力符合要求，放水洞巖基上沿閘室基底面抗滑穩定安全系數的計算結果均大于限值，滿足規范要求。

表3 放水洞豎井穩定計算成果表

3 結語

陡山水庫放水洞重建工程以完成，各設施運行狀況良好，各項指標均符合水利工程施工規范，徹底解決了放水洞存在的安全隱患；同時，放水洞經過高水位低水位的驗證，出水流量滿足了當地城鎮生產生活的需要，對農田灌溉環境、水力發電等實現了很好的改善，提高了經濟效益和社會效益。