濟(jì)南市長清區(qū)崮頭水庫溢洪道改建方案比選

姜?jiǎng)γ鳎跒t霈

（濟(jì)南市水利建筑勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

崮頭水庫位于山東省濟(jì)南市長清區(qū)馬山鎮(zhèn)崮頭村南，是一座具有防洪、灌溉和發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖等多功能綜合利用的中型水庫。崮頭水庫樞紐工程由均質(zhì)土壩、右壩肩設(shè)置的開敞式溢洪道和穿壩放水洞等水工建筑物構(gòu)成。均質(zhì)土壩順壩中軸線的總長度為859m，壩軸線的基面至壩頂?shù)膲胃咦畲笾禐?1.5m。均質(zhì)土壩的右壩肩和右岸山體之間設(shè)置4孔10m寬開敞式溢洪道。2019年8月山東省水利勘測設(shè)計(jì)院對崮頭水庫進(jìn)行了安全鑒定，結(jié)果表明崮頭水庫溢洪道消力池現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)尺寸、抗浮安全穩(wěn)定性以及防沖刷能力不滿足現(xiàn)行規(guī)范所需安全系數(shù)的要求。

1 消力池現(xiàn)狀

底流消能是在泄水建筑物下游設(shè)置尺寸足夠大的下挖式消力池，利用泄水時(shí)在消力池內(nèi)發(fā)生的水躍水力現(xiàn)象，消除上游宣泄水流的大部分能量，使出池的水流具備較低的流速，以防止下游河床產(chǎn)生沖刷。崮頭水庫大壩類型為均質(zhì)土壩，根據(jù)土石壩的特性，一般情況下，考慮到壩體安全的影響因素，土石壩設(shè)計(jì)要求將溢洪道設(shè)置在遠(yuǎn)離大壩壩肩的山體埡口之上，但由于崮頭水庫壩址處不存在遠(yuǎn)離壩肩并適合建設(shè)溢洪道的山體埡口，所以崮頭水庫只能采取將溢洪道設(shè)置在均質(zhì)土壩右壩肩的布置方案，因而在發(fā)生設(shè)計(jì)、校核洪水之時(shí)，在高速水流產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力以及上下游水位所產(chǎn)生的揚(yáng)壓力等荷載作用下，消力池一旦失事，將對崮頭水庫均質(zhì)土壩的安全產(chǎn)生致命的威脅。

現(xiàn)狀崮頭水庫采用底流消能的方式對下泄洪水進(jìn)行消能，采用下挖式消力池方式?，F(xiàn)狀消力池全長33m，深2.9m，底板厚度為0.8m，設(shè)計(jì)之初消力池底板未設(shè)置抗浮錨桿，消力池底板按照單塊11m×10m的尺寸設(shè)置永久結(jié)構(gòu)縫，并于結(jié)構(gòu)縫中設(shè)置紫銅止水一道。

由于崮頭水庫建成完工后一直受到滲漏問題的困擾，且多次除險(xiǎn)加固未從根本上解決其嚴(yán)重的滲漏問題，以至于水庫常年處于正常蓄水位以下的運(yùn)行狀態(tài)，建成至今溢洪道從未達(dá)到過設(shè)計(jì)洪水的下泄流量；再加上出于對下游村莊防護(hù)的要求，崮頭水庫調(diào)度運(yùn)行時(shí)要求在遭遇小于20年一遇的中小洪水情況下，溢洪道往下游河道宣泄的流量峰值需小于或等于300m3/s，以免下泄洪水對下游村莊造成嚴(yán)重的沖刷和淹沒，從而保護(hù)下游河道的安全。因此，自2003年除險(xiǎn)加固工程實(shí)施完工后，雖然崮頭水庫溢洪道消力池存在長度、深度以及底板厚度不滿足要求的問題，但其建成至今并未遭受過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水的考驗(yàn)，所以現(xiàn)狀消力池狀況仍保持完好，未出現(xiàn)破損和水毀現(xiàn)象。

2 消力池改造設(shè)計(jì)方案選擇

根據(jù)規(guī)范編號SL253-2018中出具的計(jì)算公式，對現(xiàn)狀崮頭水庫消力池的控制性尺寸（即池長、池深和底板厚度）進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。分析消力池穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)考慮宣泄設(shè)計(jì)、校核洪峰流量時(shí)和檢修期間以正常蓄水放空水庫下泄流量峰值時(shí)等多種不利工況，以上幾種工況下的消力池底板穩(wěn)定均應(yīng)考慮下泄水流所產(chǎn)生的脈動(dòng)荷載。

根據(jù)溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，一般情況下溢洪道消能防沖設(shè)施的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)可低于溢洪道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但由于崮頭水庫溢洪直接設(shè)置在大壩的右壩肩上，一旦失事將直接威脅大壩安全，故而溢洪道消力池計(jì)算的洪水標(biāo)準(zhǔn)直接采用崮頭水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)及校核洪水標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)的右壩肩開敞式溢洪道過閘流量峰值分別為697m3/s、1266m3/s。計(jì)算消力池底板厚度時(shí)，且消力池底板抗浮安全系數(shù)值在各種不利計(jì)算工況下，消力池底板設(shè)置抗浮錨桿和未設(shè)置抗浮錨桿兩種情況時(shí)的抗浮穩(wěn)定系數(shù)均不應(yīng)小于1.2。

消力池底板設(shè)置抗浮錨桿時(shí)，若是設(shè)置的抗浮錨桿間距過小，則消力池底板上孔點(diǎn)密集，不僅造孔施工會產(chǎn)生貫通裂縫，影響消力池的整體剛度，而且不利于施工機(jī)具的布設(shè)和人員安排，若是設(shè)置的抗浮錨桿間距過大，則抗浮錨桿錨固端所需錨入基巖的深度需相應(yīng)加大。因此綜合考慮，采用28錨桿，將抗浮錨桿間距設(shè)置為3.0m，錨固深度按照經(jīng)驗(yàn)取值擬定為5.0m。其計(jì)算成果見表1。

表1各種不利工況下消能防沖復(fù)核計(jì)算成果表 m

根據(jù)復(fù)核計(jì)算結(jié)果，崮頭水庫消力池長和池深應(yīng)分別滿足44m和3.0m的構(gòu)造尺寸要求，底板在不設(shè)置抗浮錨桿時(shí)厚度應(yīng)設(shè)計(jì)為3.0m，但設(shè)置抗浮錨桿后可以取現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)厚度的0.8m。因此，對崮頭水庫現(xiàn)狀消力池的改造設(shè)計(jì)可采取如下兩個(gè)方案：

方案一：可先將現(xiàn)狀消力池完全拆除，然后重新修建一個(gè)44m長，3.0m深，底板厚度尺寸為3.0m（或者設(shè)置抗浮錨桿后可將底板厚度取為0.8m）的大型鋼筋混凝土消力池；若將消力池整個(gè)拆除重建，固然可以從根本上達(dá)到有效保證工程安全運(yùn)行的主要目的，但此方案不僅工程量浩大，且消力池底板基礎(chǔ)為巖石基礎(chǔ)，若采用石方爆破的方式進(jìn)行開挖，則很可能在施工過程中影響到壩體及溢洪道堰體的穩(wěn)定安全，若采用液壓破碎錘配合人工使用風(fēng)鎬的方式進(jìn)行開挖施工，則施工難度較大，且工期較長。

方案二：保留原消力池結(jié)構(gòu)，將現(xiàn)狀消力池向下游延長11m，并抬高消力池尾坎以解決長度和深度不足的問題。另外，增設(shè)抗浮錨桿，以解決消力池因厚度不滿足需求而帶來的抗浮穩(wěn)定的問題。

綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)以及施工難易程度的影響，采用保留原消力池底板，延長消力池長度，并對消力池底板設(shè)置抗浮錨桿的方式對現(xiàn)狀消力池進(jìn)行加固改造。

3 結(jié)語

在進(jìn)行溢洪道消力池設(shè)計(jì)時(shí)，由于底流消能工結(jié)構(gòu)簡單且其運(yùn)行較可靠，所以在泄水建筑物設(shè)計(jì)中下挖式鋼筋混凝土消力池應(yīng)用比較廣泛。但是一般情況下，下挖式消力池計(jì)算得出的長度和深度均較大，若消力池底板不設(shè)置抗浮錨桿，則計(jì)算得出的消力池厚度尺寸同樣較大，結(jié)果造成消力池工程量浩大，使得工程投資加大，不僅不經(jīng)濟(jì)，且不能充分發(fā)揮消力池本身的鋼筋混凝土材料強(qiáng)度。

從崮頭水庫消力池改造加固方案選擇中可以看出，不設(shè)置抗浮錨桿的消力池底板厚度需要3.0m，在設(shè)置抗浮錨桿后底板厚度僅需0.8m便可達(dá)到相同的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)。因此，可保留現(xiàn)狀的消力池結(jié)構(gòu)，僅將現(xiàn)狀消力池按照設(shè)計(jì)需求順?biāo)鞣较蜓娱L，并增設(shè)抗浮錨桿即可，而無需將整個(gè)消力池拆除、加大開挖深度并延長設(shè)計(jì)需求長度后重建。如此，無論是混凝土拆除量、石方開挖量還是混凝土澆筑量均成倍地減小，經(jīng)濟(jì)效益可觀，而且無需在靠近大壩的位置進(jìn)行石方開挖，減小了施工震動(dòng)對大壩壩體和溢洪道堰體穩(wěn)定性的影響。