岸堤水库溢洪道除险加固工程设计研究

庄洪军

(山东省临沂市岸堤水库管理处，山东 临沂 276217)

1 引 言

对已有水库进行除险加固是目前水利工程建设的重点问题。溢洪道是水利工程中较为重要的一项工程，其稳定性和设计方案的优劣直接关系到水库建设的安全和经济效益。潘露等[1]使用试验的方法对溢洪道出口处挑流鼻坎体型设计进行研究，提出了一种内凹折线型斜切挑坎的新型式，工程效益较好。叶祥飞[2]等通过物理实验和数值模拟方法对溢洪道进水口进行优化设计，增大了泄流能力。唐笑[3]使用数值模拟和模型试验方法对不同型式泄洪道的泄流能力进行研究，数值模拟结算结果较理论计算大4%～5%。王超[4]、朱友军[5]分别使用数值模拟和理论计算方法对台阶式溢洪道的消能效率进行分析，认为退水池台阶具有较好的消能作用。本文在前人研究基础上，以岸堤水库为例，提出溢洪道加固工程设计方案比选，可为类似工程提供参考。

2 工程概况

岸堤水库始建于1960年，是山东省第二大水库，是一座承担防洪、供水、灌溉、发电作用的大(2)型水库。岸堤水库溢洪闸(道)区断裂主要有一条(F1)，穿过南北溢洪闸之间的裹头，为压扭性正断层，走向NE40°～60°，倾向SE，倾角70～80°,断层带宽4～8m，带内充填黏土，断层泥呈波状条带，断层水平扭动约700m，使上盘寒武系地层与泰山期侵入岩接触。在溢洪道下游形迹可见，产状模糊，该断裂穿潘家沟新村至东汶河，为串通水库上下游的破碎带。溢洪闸(道)内出露的地层主要为太古代泰山期侵入岩、寒武系下统馒头组，主要岩性为混合花岗岩(γm)、灰岩∈1m)。除回填壤土、含碎石壤土外，第四系地层仅发育在两岸边坡上部及左右溢洪闸中间裹头部位，主要岩性为残坡积土(Qel+dl)黏土。

3 溢洪道进、出水渠开挖宽度确定

3.1 进水渠开挖宽度确定

3.1.1 开挖底部宽度285m

对左侧溢洪闸、裹头和右侧溢流坝上游285m宽度范围进行开挖，开挖底部高程为164.5m，开挖往上游延伸至设计桩号0-630，两侧开挖边坡1∶1.5。经过推算，满足10000年一遇泄洪流量，进水渠流速小于3m/s。该方案只进行开挖不用护砌就可满足泄流和流速要求，但开挖量较大，占地30.9亩(高程175～180m范围)。

3.1.2 进水渠开挖底部宽度192m

对左侧溢洪闸上游192m宽度范围内进行开挖，开挖底部高程为164.5m，开挖往上游延伸至设计桩号0-630，两侧开挖边坡1∶1.5。裹头和右侧溢流坝上游维持现状。经推算，10000年一遇洪水泄流时，接近闸室控制段流速偏大，不满足进水渠流速不超过3m/s的要求，需要对闸室上游两侧岸坡进行局部护砌。该方案挖护结合，开挖量小，占地少。

两种方案对比见表1。通过上述经济、技术对比，方案二具有占地少，开挖量小，可比项费用少等优势，本次溢洪道进水渠开挖宽度选定底宽192m方案。

表1 进水渠开挖方案比选

3.2 出水渠开挖宽度确定

3.2.1 出水渠开挖宽度160m

出水渠(0+090～0+950)总长860m，利用现状溢洪道开挖两岸而成，渠底宽度160m，开挖边坡1∶1.5。该方案只开挖不护砌。0+090～0+950段出水渠开挖设计底坡根据现状确定为1∶179。左岸0+090～0+950段开挖边坡1∶1.5，采用M10浆砌块石岸坡护砌。右岸0+090～0+250段为渐变段，出水渠总宽度由285m(包括溢洪闸、裹头、溢流坝)渐变至160m，该渐变段右侧岸墙采用钢筋混凝土挡土墙，挡土墙末端与出水渠右岸连接。挡土墙墙顶高程从172.0m渐变至165.0m。右岸0+250～0+950段开挖边坡1∶1.5，采用M10浆砌块石岸坡护砌。

3.2.2 出水渠开挖宽度120m

出水渠(0+090～0+950)总长860m，利用现状溢洪道开挖两岸而成，渠底宽度120m，开挖边坡1∶1.5。该方案开挖结合岸坡护砌。0+090～0+950段出水渠开挖设计底坡根据现状确定为1∶179。左岸0+090～0+950段开挖，开挖边坡1∶1.5，并进行M10浆砌块石岸坡护砌。其余布置同方案一。右岸0+090～0+250段为渐变段，出水渠总宽度由285m渐变至120m，其余同方案一。右岸0+250～0+950段开挖，开挖边坡1∶1.5，并进行M10浆砌块石岸坡护砌。

3.2.3 出水渠开挖宽度75m

出水渠(0+090～0+950)总长860m，利用现状溢洪道开挖两岸而成，渠底宽度75m，开挖边坡1∶1.5。该方案开挖、复堤、护砌相结合。0+090～0+950段出水渠开挖设计底坡根据现状确定为1∶179。左岸0+090～0+950段开挖，开挖边坡1∶1.5，岸坡C25钢筋混凝土护面。其余布置同方案一。右岸0+090～0+250段为渐变段，出水渠总宽度由285m渐变至75m，其余同方案一。右岸0+250～0+950开挖，开挖边坡1∶1.5，岸坡C25钢筋混凝土护面。左岸0+700～0+950进行复堤，堤顶宽2.0m，堤顶高程156.9～155.1m，堤两侧采用M10浆砌块石护坡。

三种方案对比见表2。方案二技术可行，占地相对较少，且开挖量结合主坝抗震加固和防汛路路基填筑，本次溢洪道出水渠开挖宽度选定底宽120m方案。

表2 出水渠开挖宽度方案比选

4 溢洪闸加固方案设计

4.1 溢洪闸现状

岸堤水库自建成以来，经过多年的使用，现有的结构已经伤痕累累。混凝土碳化、冻融剥蚀、结构表面产生裂缝等破坏现象较为严重，溢洪闸现状见图1、图2。

图1 右5孔溢洪闸现状

图2 左10孔溢洪闸现状

经过现场测验，泄洪闸砂浆剥蚀老化平均值为3.48mm，上游浆砌块石扭面翼墙顶高程为 173.0m，低于校核洪水位 180.4m，不满足高于泄洪时的最高库水位的规范要求。

4.2 溢洪闸加固方案

4.2.1 全部拆除重建左溢洪闸、右溢流坝

溢洪闸闸孔为12孔，单孔净宽12m，钢筋混凝土分离式结构(大、小底板结构)，闸墩厚1.8m，平行水流方向闸室长27.0m，垂直水流方向闸室总宽度为163.8m。水闸底板高程为164.0m，闸墩顶高程181.0m，驼峰堰顶高程164.5m。溢流坝坝顶高程177.45m，坝底高程167.0m，坝高10.45m，垂直水流向坝长58m，顺水流向坝长16m。坝顶堰面为三圆弧曲线，上游堰面铅直，下游堰面为幂曲线，下游坝坡1∶0.8，底部采用反弧圆与下游相切连接，反弧半径为7m，反弧角为51°。

4.2.2 全部拆除重建左、右溢洪闸

全部拆除左、右侧溢洪闸，左、右侧均重建溢洪闸。重建后的溢洪道控制段过流断面总净宽为204m。新建右侧溢洪闸为5个单孔净宽为12m的泄水孔，闸底板顶高程167.0m，驼峰堰顶高程167.5m，闸室总净宽60m，闸墩厚2.0m，闸室顺水流方向长度22m，闸墩顶高程180.0m，闸墩下底板厚2.0m，小底板厚1.0m。

左侧溢洪闸为12个净宽为12m的泄水孔，闸底板顶高程164.0m，驼峰堰顶高程164.5m，闸室总净宽144m，闸墩厚2.0m，闸室顺水流方向长26m，闸墩顶高程183.0m，闸墩下底板厚度设计为2.0m，小底板厚度为1.5m。

4.2.3 左闸改造加固，右闸拆除重建溢洪闸

右侧溢洪闸全部拆除重建，左侧溢洪闸局部拆除加固。加固后溢洪道控制段过流断面总净宽为180m。重建的右侧溢洪闸为5孔，单孔净宽12m，闸底板顶高程167.0m，驼峰堰顶高程167.5m，闸室总净宽60m，闸墩厚2.0m，闸室顺水流方向长度22m，闸墩顶高程180.0m，闸墩下底板厚度设计为2.0m，小底板厚度为1.5m。

左侧溢洪闸拆除闸墩高程173.5m以上全部结构，保留高程173.5m以下闸墩，保留闸墩厚度由2.0m加固至4.0m，采取“包饺子”方式，闸孔宽度由原来的14m减少至12m，孔数不变仍为10孔。由于闸底板出现裂缝，将墩下底板拆除0.5m厚，重新浇注C30钢筋混凝土至闸底板顶高程164.0m。

4.2.4 左闸拆除重建溢洪闸，右闸封堵改建为砂壳坝

左侧溢洪闸拆除重建溢洪闸，闸孔为12孔，单孔净宽12m，钢筋混凝土分离式结构，闸墩厚1.8m，闸室平行水流方向长度为27.0m，垂直水流方向宽度为163.8m。闸底板顶高程164.0m，驼峰堰顶高程164.5m，闸墩顶高程181.0m。

溢洪闸右侧利用原5孔老闸封堵改建为钢筋混凝土心墙堆石坝。拆除原5孔闸闸墩上部结构，保留闸墩以下部分，在上游侧闸墩之间浇筑钢筋混凝土心墙，墙厚1.0m，心墙墙顶高程180.0m，墙底高程167.0m。

4.2.5 左闸局部拆除加固改建为10孔溢洪闸，右闸部分拆除改建为溢流坝

左闸局部拆除加固改建为溢洪闸，右闸部分拆除改建为溢流坝。加固后溢洪道控制段过流断面总净宽为180m。对于左溢洪闸进行局部拆除并进行加固改造，方案如下：ⓐ拆除左溢洪闸闸墩以上的桥梁、桥下排架柱、机房以及检修桥，局部拆除闸墩中部高程178.0m以上的凸起部分，拆除闸墩支座牛腿处高程174.0m以上局部结构混凝土(保留钢筋)；ⓑ将现状闸墩厚度由2m加厚至3m，在原闸墩两侧分别凿毛打锚筋新浇筑钢筋混凝土厚0.5m，重新浇筑弧形闸门支座牛腿；ⓒ维持原闸底板长度29m不变，在原闸底板上凿毛打锚筋重新浇筑钢筋混凝土，层厚0.5m；ⓓ重新浇筑闸墩上部排架柱、桥梁、检修桥、机房；ⓔ在闸室上游新浇筑钢筋混凝土铺盖，长30m，宽157m，厚度0.5m；ⓕ左溢洪闸加固后，单孔净宽13m，共10孔，总净宽130m，垂直水流方向的宽度为157.0m，平行水流方向长度为29.0m，闸底板顶设计高程为164.5m，闸墩顶设计高程为181.0m。

拆除部分右溢流闸，修建为溢流坝，方案如下：ⓐ拆除原5孔闸闸墩上部检修桥、桥梁以及高程177.0m以上机架墩，拆除弧形闸门支座牛腿处高程175.0m以上局部结构，利用原闸墩剩余部分，在原闸墩之间浇筑钢筋混凝土溢流坝；ⓑ拆除原闸室小底板，重新浇筑钢筋混凝土小底板厚0.5m，顺水流向长度20m，垂直水流向宽度8.0m，浇筑前对小底板下裸露的溶沟、溶槽进行埋石混凝土封堵；ⓒ拆除原下游泄槽底板重新浇筑钢筋混凝土泄槽段，板厚0.8m；ⓓ拆除原闸上游铺盖底板重新浇筑钢筋混凝土铺盖，板厚度0.5m；ⓔ改建后的溢流坝，坝顶高程177.45m，坝底高程167.0m，坝长56.4m，修建5个净宽为10m的溢流孔，设计墩顶高程为181.0m，中墩厚为1.6m。

4.3 溢洪闸加固方案比选

通过4.2节的加固方案设计，进行方案比选，见表3。方案五充分利用原有工程进行改建，工程建设投资费用适中，控制运用灵活性高，技术可行。本阶段溢洪闸加固推荐方案五：将右溢洪闸重新改建为溢流坝，同时修建5个净宽为10m的溢流孔，对左侧溢洪闸进行加固，修建为10孔泄洪闸，单孔净宽为13m。

表3 各方案溢洪闸加固效益比选

5 结 语

根据岸堤水库的工程现状，针对工程特点，提出以进水渠开挖底宽为192m、出水渠开挖底宽为120m作为进、出水渠加固改造方案，通过对比，较其他方案具有较好的经济和工程效益；采用左闸局部拆除加固改建为10孔溢洪闸、右闸部分拆除改建为溢流坝(方案五)的溢洪闸加固方案，可以提高原有建筑的利用率，同时具有较好的削减洪峰效益。本设计可为类似工程建设提供参考。