岸堤水庫溢洪道除險加固工程設計研究

莊洪軍

(山東省臨沂市岸堤水庫管理處，山東 臨沂 276217)

1 引 言

對已有水庫進行除險加固是目前水利工程建設的重點問題。溢洪道是水利工程中較為重要的一項工程，其穩定性和設計方案的優劣直接關系到水庫建設的安全和經濟效益。潘露等[1]使用試驗的方法對溢洪道出口處挑流鼻坎體型設計進行研究，提出了一種內凹折線型斜切挑坎的新型式，工程效益較好。葉祥飛[2]等通過物理實驗和數值模擬方法對溢洪道進水口進行優化設計，增大了泄流能力。唐笑[3]使用數值模擬和模型試驗方法對不同型式泄洪道的泄流能力進行研究，數值模擬結算結果較理論計算大4%～5%。王超[4]、朱友軍[5]分別使用數值模擬和理論計算方法對臺階式溢洪道的消能效率進行分析，認為退水池臺階具有較好的消能作用。本文在前人研究基礎上，以岸堤水庫為例，提出溢洪道加固工程設計方案比選，可為類似工程提供參考。

2 工程概況

岸堤水庫始建于1960年，是山東省第二大水庫，是一座承擔防洪、供水、灌溉、發電作用的大(2)型水庫。岸堤水庫溢洪閘(道)區斷裂主要有一條(F1)，穿過南北溢洪閘之間的裹頭，為壓扭性正斷層，走向NE40°～60°，傾向SE，傾角70～80°,斷層帶寬4～8m，帶內充填黏土，斷層泥呈波狀條帶，斷層水平扭動約700m，使上盤寒武系地層與泰山期侵入巖接觸。在溢洪道下游形跡可見，產狀模糊，該斷裂穿潘家溝新村至東汶河，為串通水庫上下游的破碎帶。溢洪閘(道)內出露的地層主要為太古代泰山期侵入巖、寒武系下統饅頭組，主要巖性為混合花崗巖(γm)、灰巖∈1m)。除回填壤土、含碎石壤土外，第四系地層僅發育在兩岸邊坡上部及左右溢洪閘中間裹頭部位，主要巖性為殘坡積土(Qel+dl)黏土。

3 溢洪道進、出水渠開挖寬度確定

3.1 進水渠開挖寬度確定

3.1.1 開挖底部寬度285m

對左側溢洪閘、裹頭和右側溢流壩上游285m寬度范圍進行開挖，開挖底部高程為164.5m，開挖往上游延伸至設計樁號0-630，兩側開挖邊坡1∶1.5。經過推算，滿足10000年一遇泄洪流量，進水渠流速小于3m/s。該方案只進行開挖不用護砌就可滿足泄流和流速要求，但開挖量較大，占地30.9畝(高程175～180m范圍)。

3.1.2 進水渠開挖底部寬度192m

對左側溢洪閘上游192m寬度范圍內進行開挖，開挖底部高程為164.5m，開挖往上游延伸至設計樁號0-630，兩側開挖邊坡1∶1.5。裹頭和右側溢流壩上游維持現狀。經推算，10000年一遇洪水泄流時，接近閘室控制段流速偏大，不滿足進水渠流速不超過3m/s的要求，需要對閘室上游兩側岸坡進行局部護砌。該方案挖護結合，開挖量小，占地少。

兩種方案對比見表1。通過上述經濟、技術對比，方案二具有占地少，開挖量小，可比項費用少等優勢，本次溢洪道進水渠開挖寬度選定底寬192m方案。

表1 進水渠開挖方案比選

3.2 出水渠開挖寬度確定

3.2.1 出水渠開挖寬度160m

出水渠(0+090～0+950)總長860m，利用現狀溢洪道開挖兩岸而成，渠底寬度160m，開挖邊坡1∶1.5。該方案只開挖不護砌。0+090～0+950段出水渠開挖設計底坡根據現狀確定為1∶179。左岸0+090～0+950段開挖邊坡1∶1.5，采用M10漿砌塊石岸坡護砌。右岸0+090～0+250段為漸變段，出水渠總寬度由285m(包括溢洪閘、裹頭、溢流壩)漸變至160m，該漸變段右側岸墻采用鋼筋混凝土擋土墻，擋土墻末端與出水渠右岸連接。擋土墻墻頂高程從172.0m漸變至165.0m。右岸0+250～0+950段開挖邊坡1∶1.5，采用M10漿砌塊石岸坡護砌。

3.2.2 出水渠開挖寬度120m

出水渠(0+090～0+950)總長860m，利用現狀溢洪道開挖兩岸而成，渠底寬度120m，開挖邊坡1∶1.5。該方案開挖結合岸坡護砌。0+090～0+950段出水渠開挖設計底坡根據現狀確定為1∶179。左岸0+090～0+950段開挖，開挖邊坡1∶1.5，并進行M10漿砌塊石岸坡護砌。其余布置同方案一。右岸0+090～0+250段為漸變段，出水渠總寬度由285m漸變至120m，其余同方案一。右岸0+250～0+950段開挖，開挖邊坡1∶1.5，并進行M10漿砌塊石岸坡護砌。

3.2.3 出水渠開挖寬度75m

出水渠(0+090～0+950)總長860m，利用現狀溢洪道開挖兩岸而成，渠底寬度75m，開挖邊坡1∶1.5。該方案開挖、復堤、護砌相結合。0+090～0+950段出水渠開挖設計底坡根據現狀確定為1∶179。左岸0+090～0+950段開挖，開挖邊坡1∶1.5，岸坡C25鋼筋混凝土護面。其余布置同方案一。右岸0+090～0+250段為漸變段，出水渠總寬度由285m漸變至75m，其余同方案一。右岸0+250～0+950開挖，開挖邊坡1∶1.5，岸坡C25鋼筋混凝土護面。左岸0+700～0+950進行復堤，堤頂寬2.0m，堤頂高程156.9～155.1m，堤兩側采用M10漿砌塊石護坡。

三種方案對比見表2。方案二技術可行，占地相對較少，且開挖量結合主壩抗震加固和防汛路路基填筑，本次溢洪道出水渠開挖寬度選定底寬120m方案。

表2 出水渠開挖寬度方案比選

4 溢洪閘加固方案設計

4.1 溢洪閘現狀

岸堤水庫自建成以來，經過多年的使用，現有的結構已經傷痕累累。混凝土碳化、凍融剝蝕、結構表面產生裂縫等破壞現象較為嚴重，溢洪閘現狀見圖1、圖2。

圖1 右5孔溢洪閘現狀

圖2 左10孔溢洪閘現狀

經過現場測驗，泄洪閘砂漿剝蝕老化平均值為3.48mm，上游漿砌塊石扭面翼墻頂高程為 173.0m，低于校核洪水位 180.4m，不滿足高于泄洪時的最高庫水位的規范要求。

4.2 溢洪閘加固方案

4.2.1 全部拆除重建左溢洪閘、右溢流壩

溢洪閘閘孔為12孔，單孔凈寬12m，鋼筋混凝土分離式結構(大、小底板結構)，閘墩厚1.8m，平行水流方向閘室長27.0m，垂直水流方向閘室總寬度為163.8m。水閘底板高程為164.0m，閘墩頂高程181.0m，駝峰堰頂高程164.5m。溢流壩壩頂高程177.45m，壩底高程167.0m，壩高10.45m，垂直水流向壩長58m，順水流向壩長16m。壩頂堰面為三圓弧曲線，上游堰面鉛直，下游堰面為冪曲線，下游壩坡1∶0.8，底部采用反弧圓與下游相切連接，反弧半徑為7m，反弧角為51°。

4.2.2 全部拆除重建左、右溢洪閘

全部拆除左、右側溢洪閘，左、右側均重建溢洪閘。重建后的溢洪道控制段過流斷面總凈寬為204m。新建右側溢洪閘為5個單孔凈寬為12m的泄水孔，閘底板頂高程167.0m，駝峰堰頂高程167.5m，閘室總凈寬60m，閘墩厚2.0m，閘室順水流方向長度22m，閘墩頂高程180.0m，閘墩下底板厚2.0m，小底板厚1.0m。

左側溢洪閘為12個凈寬為12m的泄水孔，閘底板頂高程164.0m，駝峰堰頂高程164.5m，閘室總凈寬144m，閘墩厚2.0m，閘室順水流方向長26m，閘墩頂高程183.0m，閘墩下底板厚度設計為2.0m，小底板厚度為1.5m。

4.2.3 左閘改造加固，右閘拆除重建溢洪閘

右側溢洪閘全部拆除重建，左側溢洪閘局部拆除加固。加固后溢洪道控制段過流斷面總凈寬為180m。重建的右側溢洪閘為5孔，單孔凈寬12m，閘底板頂高程167.0m，駝峰堰頂高程167.5m，閘室總凈寬60m，閘墩厚2.0m，閘室順水流方向長度22m，閘墩頂高程180.0m，閘墩下底板厚度設計為2.0m，小底板厚度為1.5m。

左側溢洪閘拆除閘墩高程173.5m以上全部結構，保留高程173.5m以下閘墩，保留閘墩厚度由2.0m加固至4.0m，采取“包餃子”方式，閘孔寬度由原來的14m減少至12m，孔數不變仍為10孔。由于閘底板出現裂縫，將墩下底板拆除0.5m厚，重新澆注C30鋼筋混凝土至閘底板頂高程164.0m。

4.2.4 左閘拆除重建溢洪閘，右閘封堵改建為砂殼壩

左側溢洪閘拆除重建溢洪閘，閘孔為12孔，單孔凈寬12m，鋼筋混凝土分離式結構，閘墩厚1.8m，閘室平行水流方向長度為27.0m，垂直水流方向寬度為163.8m。閘底板頂高程164.0m，駝峰堰頂高程164.5m，閘墩頂高程181.0m。

溢洪閘右側利用原5孔老閘封堵改建為鋼筋混凝土心墻堆石壩。拆除原5孔閘閘墩上部結構，保留閘墩以下部分，在上游側閘墩之間澆筑鋼筋混凝土心墻，墻厚1.0m，心墻墻頂高程180.0m，墻底高程167.0m。

4.2.5 左閘局部拆除加固改建為10孔溢洪閘，右閘部分拆除改建為溢流壩

左閘局部拆除加固改建為溢洪閘，右閘部分拆除改建為溢流壩。加固后溢洪道控制段過流斷面總凈寬為180m。對于左溢洪閘進行局部拆除并進行加固改造，方案如下：?拆除左溢洪閘閘墩以上的橋梁、橋下排架柱、機房以及檢修橋，局部拆除閘墩中部高程178.0m以上的凸起部分，拆除閘墩支座牛腿處高程174.0m以上局部結構混凝土(保留鋼筋)；?將現狀閘墩厚度由2m加厚至3m，在原閘墩兩側分別鑿毛打錨筋新澆筑鋼筋混凝土厚0.5m，重新澆筑弧形閘門支座牛腿；?維持原閘底板長度29m不變，在原閘底板上鑿毛打錨筋重新澆筑鋼筋混凝土，層厚0.5m；?重新澆筑閘墩上部排架柱、橋梁、檢修橋、機房；?在閘室上游新澆筑鋼筋混凝土鋪蓋，長30m，寬157m，厚度0.5m；?左溢洪閘加固后，單孔凈寬13m，共10孔，總凈寬130m，垂直水流方向的寬度為157.0m，平行水流方向長度為29.0m，閘底板頂設計高程為164.5m，閘墩頂設計高程為181.0m。

拆除部分右溢流閘，修建為溢流壩，方案如下：?拆除原5孔閘閘墩上部檢修橋、橋梁以及高程177.0m以上機架墩，拆除弧形閘門支座牛腿處高程175.0m以上局部結構，利用原閘墩剩余部分，在原閘墩之間澆筑鋼筋混凝土溢流壩；?拆除原閘室小底板，重新澆筑鋼筋混凝土小底板厚0.5m，順水流向長度20m，垂直水流向寬度8.0m，澆筑前對小底板下裸露的溶溝、溶槽進行埋石混凝土封堵；?拆除原下游泄槽底板重新澆筑鋼筋混凝土泄槽段，板厚0.8m；?拆除原閘上游鋪蓋底板重新澆筑鋼筋混凝土鋪蓋，板厚度0.5m；?改建后的溢流壩，壩頂高程177.45m，壩底高程167.0m，壩長56.4m，修建5個凈寬為10m的溢流孔，設計墩頂高程為181.0m，中墩厚為1.6m。

4.3 溢洪閘加固方案比選

通過4.2節的加固方案設計，進行方案比選，見表3。方案五充分利用原有工程進行改建，工程建設投資費用適中，控制運用靈活性高，技術可行。本階段溢洪閘加固推薦方案五：將右溢洪閘重新改建為溢流壩，同時修建5個凈寬為10m的溢流孔，對左側溢洪閘進行加固，修建為10孔泄洪閘，單孔凈寬為13m。

表3 各方案溢洪閘加固效益比選

5 結 語

根據岸堤水庫的工程現狀，針對工程特點，提出以進水渠開挖底寬為192m、出水渠開挖底寬為120m作為進、出水渠加固改造方案，通過對比，較其他方案具有較好的經濟和工程效益；采用左閘局部拆除加固改建為10孔溢洪閘、右閘部分拆除改建為溢流壩(方案五)的溢洪閘加固方案，可以提高原有建筑的利用率，同時具有較好的削減洪峰效益。本設計可為類似工程建設提供參考。