將軍槽水庫砌石拱壩除險加固設計

王 慧 ，郝曉輝 ，劉莉莉

（1.濟南市水政監察支隊，山東 濟南 250014；2.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

將軍槽水庫位于青島市嶗山區沙子口街道辦事處東部，嶗山山脈南麓，流清河下游濱海處。該水庫于1987年3月開始興建，1988年5月竣工。水庫為小（2）型水庫，總庫容為12.35萬m3，興利庫容10.06萬m3，死庫容0.03萬m3，興利水位57.0m，設計防洪標準為20年一遇設計，設計洪水位58.7m，百年一遇洪水校核，校核洪水位59.2m，死水位38.5m。

將軍槽水庫工程由大壩、溢流堰、壩頂交通橋和放水涵管等建筑物組成，工程等別Ⅴ級，主要建筑物級別5級。經過30多年的運行，工程處于帶病運行狀態，不能發揮正常效益。2014年，水庫大壩被鑒定為“三類壩”。

1 存在的主要問題

1.1 大壩

1）興利水位溫降工況下大壩的最大拉應力不滿足規范要求，最大壓應力滿足規范要求。由于現狀大壩應力超過規范要求一倍以上，如果大壩出現開裂等險情，將嚴重威脅大壩下游人民生命財產安全。

2）經多年運行，閘閥及管道銹蝕老化，密封不嚴，存在滲水漏水現象，且閘閥開關不靈。

3）交通橋現狀護欄缺失，交通橋面板鋼筋裸露、銹蝕。

1.2 消能工

經多年水流沖刷、凍融等破壞，下游護坦表層砂漿大部分已脫落損壞，局部砌石已被沖走，嚴重影響整個護坦的結構完整性。受泄洪水的沖刷，護坦兩側損毀嚴重，砌體石塊被沖走，護坦兩側底面出現沖溝。漿砌石二道壩已被沖垮，現狀兩側僅剩較短一段，且壩基礎80%部分被淘空，已不具備消能作用。

2 大壩除險加固設計

大壩安全鑒定報告中用拱梁分載法計算了壩體應力，該壩在興利水位及溫降情況下，上游面出現2.47MPa梁向和1.29MPa拱向的最大拉應力，下游面出現3.11MPa梁向和3.34MPa拱向的最大壓應力。在校核水位及溫升情況下，上游面出現2.06MPa梁向和1.59MPa拱向的最大拉應力，下游面出現2.68MPa梁向和4.41MPa拱向的最大壓應力。兩種荷載組合情況下，拱壩上游面的拉應力都超過漿砌石極限抗拉強度。計算結果表明壩體的最大壓應力符合規范要求，最大拉應力超過規范要求，因此，為解決大壩拉應力超標的問題，選擇改善壩體應力，增加壩體梁的作用，削弱拱的作用，考慮對壩體進行加厚處理。

2.1 加固方案比較

根據將軍槽水庫大壩具體布置特點，加固指導思想為壩體培厚。本次選取壩體迎水面培厚方案、壩體背水面培厚兩種方案進行比較分析，各方案布置如下。

方案一：上游面增設鋼筋混凝土面板。優點：施工技術成熟，不僅能解決應力問題，同時具有較好的防滲效果。缺點：需放空庫容，增設圍堰，增加施工工序，施工工期長。同時設置錨固鋼筋，將破壞原壩體防滲塑料板。

方案二：大壩下游面分段加厚。優點：施工技術成熟，可有效降低壩體應力，施工工期短。缺點：無防滲作用。

推薦方案：水庫壩體沒有明顯的滲漏，只需解決壩體應力過大的問題，而且水庫庫區內四周地形條件比較復雜，均為陡峭的山體，人工及施工機械難以進入庫內，庫內施工比較困難；方案二施工簡便，工期短，工程投資較小。綜合考慮，本工程壩體加固設計方案推薦方案二即壩體下游面分段加厚。

2.2 培厚材料比選

原壩體為M10漿砌石，本次加固設計采用C15拋石混凝土與C15混凝土比較。

方案一：下游壩面采用C15拋石混凝土。優點：施工技術成熟，可就地取材，與原壩體結合度較好。缺點：施工工期長。總投資118.35萬元。

方案二：下游壩面采用C15混凝土。優點：施工技術成熟，施工方便，施工工期短。缺點：兩種材料結合，施工溫度不易控制，易產生裂縫。總投資107.63萬元。

推薦方案：綜合考慮，方案一工程投資較大，由于材料相同新老壩體結合度較好，更有利于壩體安全，因此，本工程壩體加固材料選用C15拋石混凝土。

2.3 加固后應力分析計算

1）考慮分析結果的準確性，在各種工況下的應力變形情況采用拱冠梁法分析計算。本大壩沿壩高選取7層拱圈進行計算分析，見表1。

2）計算工況及荷載。大壩應力分析共考慮了以下四種工況。

表1 大壩加固前后體形幾何參數表

工況一：正常蓄水位+溫降工況，其荷載為壩體自重+正常蓄水位時水壓力+淤沙壓力+溫降。

工況二：設計洪水位+溫升工況，其荷載為壩體自重+設計洪水位時上游水壓力+淤沙壓力+溫升。

工況三：校核洪水位+溫升工況，其荷載為壩體自重+校核洪水位時上游水壓力+淤沙壓力+溫升。

工況四：死水位+溫降工況，其荷載為壩體自重+死水位時上游水壓力+死水位時下游水壓力+淤沙壓力+溫降。

溫度場計算：封拱溫度為18℃，砌石體的線膨脹系數參照規范取ɑ=7×10-6/℃，彈性模量取5MPa。壩體表面升溫和降溫值按《砌石壩設計規范》（SL25-2006）附錄C中相應公式計算。

3）計算成果分析。計算結果表明拱壩上、下游面的最大主拉應力出現在工況一時，位置為拱壩壩底，拉應力為1.1MPa。依據水利部《混凝土拱壩設計規范》（SL282-2018），對于基本荷載組合，拉應力不得大于1.5MPa，對非地震情況特殊荷載組合，拉應力不得大于2.0MPa。上游面最大主拉應力在加固前的三種工況時都大于規范要求，加固后三種工況的最大主拉應力、壓應力均符合規范要求。

2.4 加固方案設計

壩體加固前，應用高壓水槍清洗壩面，徹底清除原壩面的灰沙、青苔等雜質。壩體底部培厚3.5m，高程32.0m，頂部至溢流堰下檐，高程54.7m，頂部厚度為0.5m；外層30cm為M15漿砌料石，內部為C15拋石混凝土，拋石與混凝土的比例為40∶60；高程32.0～52.0m之間新老壩體用φ18鋼筋錨固，高程52.0～54.0m之間新老壩體用φ12鋼筋錨固，間距均為1.0m×1.0m，梅花形布置；底部基建面挖至新鮮基巖，嵌入壩基巖體1.0m；兩岸壩肩基建面處理至新鮮巖石面，壩肩厚度不小于同高程壩體厚度。

2.5 消能防沖設計

大壩下游消力池沖刷凍融破壞，砂漿剝蝕，石子裸露。同時，下游壩體加固開挖基礎時，需拆除原壩下消力池。故本次大壩加固開挖消力池至壩基底部高程31.3m，壩體加固完成后，按原尺寸重建消力池；重新回填至37.6m高程，上層鋪設鋼筋網，鋼筋為Φ14@300mm×300mm，澆筑C30混凝土，30cm厚，消力池底板頂高程37.9m。

2.6 壩頂交通橋改造

更換壩頂交通橋面板及欄桿，共17跨，橋面板頂高程60.0m，寬度1.5m，每跨由3塊2.0m×0.5m×0.12m的預制C30鋼筋混凝土板構成，上層鋪設鋼絲網，澆筑6cm厚C30混凝土鋪裝層，跨與跨之間在橋墩中部分縫；壩頂上下游設置不銹鋼欄桿，高1.2m。

2.7 更換放水洞閘閥及管道

放水洞閘閥銹蝕嚴重，啟閉困難，而且下游壩體加固培厚后原閘閥室將埋入壩體內，加固設計將閘閥室拆除，輸水管道外延，在壩體加固完成后再新建閘閥室，更換新的閘閥。新建閘閥室，M10漿砌石結構，尺寸為2m×2m×2.5m。

2.8 增設無人值守網絡管理系統

增設“一桿一站”式綜合監測站，集雨量、水位、視頻三位一體，加之風電互補電源系統、通訊系統、采集終端系統，全部集于一桿，管理人員可以在室內運用網絡遠程監控庫區

3 結語

將軍槽水庫大壩針對壩體拉應力超標問題，采取壩后分段加厚措施，加固工程于2016年3月份開工，2016年6月份完工，經過數個汛期的實踐檢驗，該加固方案措施效果良好。