乌金塘水库溢洪道除险加固设计

2010-02-24刘越

东北水利水电 2010年7期

刘越

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 110006）

1 工程概况

乌金塘水库位于葫芦岛市女儿河的中下游，是一座以防洪、供水为主，兼顾发电、灌溉、养鱼等综合利用性的大（Ⅱ）型水库，总库容2.80亿m3，工程等别为Ⅱ等，设计防洪标准为100年一遇洪水标准设计，5 000年一遇洪水标准校核。

除险加固前，水库建设曾历时20年，工程始于1958年动工兴建，1960年下半年停建。1970年2月开始复建，并于1973年主体工程竣工，当时的设计标准是100年设计、300年校核。1976年鉴于水库下游有葫芦岛、锦州市、铁合金厂及沈山铁路等重要交通干线，将水库防洪标准提高到百年设计、最大可能暴雨PMP校核，并于9月正式施工，至1978年12月底完工。现乌金塘水库枢纽工程主要建筑物包括主坝、泄洪输水洞、一副坝、非常溢洪道、主溢洪道、二副坝。

水库建成后，由于建设资金、施工及管理水平等原因，使工程质量及结构安全存在重大隐患，直接关系到下游葫芦岛地区及锦州市的经济发展和人民生命财产安全。

乌金塘水库关于溢洪道安全鉴定评价主要结论有：

1）溢洪道控制段、堰顶局部、陡槽段、边墩、中墩、溢洪道岸墙等均存在不同程度问题；交通桥桥身及桥墩均有裂缝，已成危桥；结构安全综合评定为C级。

2）溢洪道岸坡渗水现象较严重；渗流安全综合评定为C级。

3）溢洪道边墩、堰体、底板存在多种安全问题；上游两侧山体及河道欠挖阻水，影响泄洪；挑坎后缺少消力池，对溢洪道安全稳定不利。

4）溢洪道的闸门、启闭机设施等存在闸门面板厚度、主梁强度与刚度不足，设备老化、配件无法更新，漏油、锈蚀等多种问题。

2 工程除险加固设计

2.1 溢洪道工程现状

原溢洪道位于大坝左岸分水岭一鞍部，其组成包括进口引渠、控制段、水平段、陡槽扩散段、挑坎段、检修桥、工作桥及交通桥等。

1）进口引渠。进口引渠段长308.0 m，两岸为石灰岩山体，底宽56.0～52.0 m，底高程为80.4 m，边坡 1∶0.5～1∶0.75。

2）引水段。引水段长10 m，两侧为扭曲面组成的浆砌石导流墙，墙顶高程为94.5 m，底板为钢筋混凝土衬砌厚0.4 m、宽52.2 m、底板顶面高程80.4 m。

3）控制段。控制段长17 m，堰型为曲线型实用堰，堰体为浆砌石外包钢筋混凝土结构，堰顶高程为82.5 m。泄洪孔分为5孔，每孔净宽9 m，每孔设9 m×6 m弧形闸门一扇，闸墩厚度为1.8 m。弧形闸门在提高标准时，位置及尺寸均未做改动，弧门顶高程仍为88.5 m、支铰高程为88.0 m。墩顶设有检修桥、工作桥及交通桥。

4）水平段。水平段长40 m，底宽52.2 m，底板为0.15～0.20 m厚的钢筋混凝土板，下设厚度为0.25～0.6 m的浆砌石做垫层，底板高程79.4～79.3 m。两侧山体以护坡形式保护，坡比1∶1.0，护坡在1.0 m以下为混凝土，以上为浆砌石衬砌。

5）陡槽扩散段。扩散段长35.0 m，总宽度由52.2 m扩散到56.0 m，底板高程自79.3～75.5 m，底板与两侧山体处理情况同水平段。

6）挑流段。挑流段长15.0 m。反弧半径R=24.0 m、坎顶高程为77.5 m、反弧半径30°、底板宽度56～63.2 m，这段底板构造与前两段一致，只是边坡采用钢筋混凝土护坡。挑坎型式为连续挑流，末端两侧设有插入墙，各深入混凝土护坡内1.0 m。为防止水流回淘，挑坎下设齿墙，齿墙底部座落于岩石上，高程为70 m。

2.2 存在的问题

1）两侧边墩在1993年进行检修闸墩施工过程中，均出现裂缝，左侧边墩属贯穿性裂缝，并且两侧边墩向中间倾斜，影响闸门的正常运行，危及边墩及溢洪道稳定。溢洪道控制段底板、溢流堰堰顶及陡坡段混凝土面层大面积脱落，露筋现象严重，底板有贯通裂缝。泄槽及堰面凹凸不平，且有不同深度的冻融破坏。

2）经稳定计算结果复核，在各种工况下控制段的整体稳定安全基本满足规范要求；但在设计和校核水位时基底出现拉应力，堰体底面有大于规范要求的拉应力，不满足规范要求。

溢洪道中墩抗滑稳定在设计洪水位时不满足规范要求并在墩底出现拉应力，在检修工况时，中墩及边墩底亦出现不满足规范要求的拉应力。

3）溢洪道墩顶及岸墙顶高程不满足规范要求，造成闸顶过水、阻水及洪水外溢现象，对整个溢洪道的稳定造成极大威胁。

溢洪道上游两侧山体和河底按原设计要求还有欠挖，严重阻水，导致溢洪道泄洪量不能达到设计要求。

2.3 加固方案

随着设计工作的深入，对溢洪道加固方案进行经过多次的分析论证，由于溢洪道存在问题太多并且严重，采用常规修补的办法不能根除现有的安全隐患，因此决定拆除现有溢洪道，并在原有位置建造新的溢洪道。次方案也符合安全评价是专家们的加固建议，所以设计推荐、各级技术审查通过并采用了将原主溢洪道全部拆除重建的加固方案。

2.3.1 溢流净宽比较

新建溢洪道结构型式及尺寸直接影响到枢纽中的各主要建筑物，为了使新建溢洪道布置经济合理，根据现场实际条件对溢流净宽选择了3个比较方案，即净宽分别为45.0，40.0，65.0 m。

方案Ⅰ：净宽45.0 m方案，为保持与原结构净宽相同而确定的方案。

方案Ⅱ：净宽40.0 m方案，为避免大范围的开挖，溢洪道的总宽度基本与原结构总宽度相同55.0 m。

方案Ⅲ：净宽为65.0 m方案，考虑加大泄流量不加高坝体，开挖两侧山体加宽溢洪道。

溢流净宽比较时溢洪道的基本布置为：各方案溢洪道中心线（顺水流方向）的位置均与原主溢洪道相应方向的轴线位置相同；堰顶高程仍保持原高程82.5 m不变；进口引渠、控制段、陡槽扩散段、挑坎段等的结构布置及型式相同，仅宽度及顶高程作相应的变化。

以上3个方案比较结果见表1。

表1 方案比较特性表

该工程坝顶高程由校核水位控制。现状坝顶高程99.0 m（实测顶高程98.698 m），防浪墙高1.0 m，比较结果表明，溢流净宽40 m时要求的坝高最大，但现状主、副坝防洪高程均高于该方案要求的99.5 m。在现状总宽度内重建溢洪道，满足溢流要求的条件下，缩窄净宽至40 m，是经济合理的。

2.3.2 溢洪道堰型比较

在溢洪道净宽确定的情况下，对溢洪道进行了堰型比较，为避免增加太大的石方开挖，将实用堰堰型的方案排除，仅对宽顶堰和驼峰堰两种堰型进行比较，堰顶高程分别为80.4 m和82.5 m。两方案调洪演算计算成果见表2。

表2 调洪演算计算成果

水力计算及水面线推求表明：①平底宽顶堰方案在控制段上水面线无明显降落，而驼峰堰上的水面线在经过堰顶后有明显的水位降落，泄流后沿程各段宽顶堰方案的水面线明显高于驼峰堰方案的水面线，导致两侧挡墙混凝土工程量加大较多；②宽顶堰方案堰上水位低于驼峰堰0.37 m，现状坝高以满足驼峰堰方案的水位要求，不增加额外工程量；③宽顶堰方案闸门挡水高度增加2.1 m，较之驼峰堰加高约30%,加大了运行管理难度和费用；辽西地区泥沙较大，宽顶堰方案泥沙淤积对闸门底脚、底梁及止水产生潜在危害，对水库运行管理不利。综上，因此设计推荐驼峰堰方案。

2.3.3 新建溢洪道工程布置及结构设计

溢洪道在原位置新建，与输水洞进口相距440 m，出口与主坝坝脚相距500 m，溢洪道中心线的位置与原主溢洪道轴线位置相同。

各部位组成包括：进口引渠、控制段、陡槽扩散段、挑坎段、护坦、检修桥及交通桥等。

1）进口引渠。进口引渠段的桩号为0-243.69～0+000.000 m，岩性为石灰岩，其中0-243.69～0-174.028 m 渠底宽 70.0 m，0-053.223～0-031.500 m渠底宽60.0 m，底高程为80.4 m，对欠挖的左岸岸坡按设计要求尺寸开挖，开挖边坡为1∶0.75。

2）引水段。引水段桩号0-031.500～0-011.500 m，两侧为衡重式钢筋混凝土导流墙，墙顶高程为98.05 m，墙底高程为78.90 m，墙身总高19.15 m。

3）控制段。控制段自桩号0-011.500～0+019.184 m，堰型为驼峰堰a型，堰顶高程为82.5 m。堰体为钢筋混凝土结构，共5孔，每孔净宽8 m，中墩及边墩为2.5 m；设有8 m×6.4 m弧形闸门一扇及检修闸门，弧门顶高程仍为88.9 m、支铰高程为88.9m；检修闸门共设一扇。控制段在堰体上设三条结构缝，分缝处设紫铜止水。闸墩顶部设有检修桥及交通桥。检修桥桥面顶高程98.05 m、桥面宽8.45 m；交通桥桥面高程为92.00 m；桥面宽7.5 m。

4）陡槽段。陡槽段桩号为0+019.184～0+082.219 m，底宽50.0 m，浇筑厚0.5 m的钢纤维混凝土板，下设厚度为0.1 m厚的混凝土垫层，底板高程79.061～74.9 m，为保证陡槽底板稳定在其下设直径D=25 mm、长3 m、间距2 m×2 m的锚筋。两侧为衡重式钢筋混凝土挡土墙，墙顶高程为92.00～81.789 m。

5）挑流段。挑流段桩号为0+082.219～0+097.219 m ，该段宽50.0 m，坎顶高程为77.5 m，两侧亦采用衡重式钢筋混凝土挡土墙，墙顶高程为83.0 m、墙底高程为73.3 m。挑坎末端两侧各深入挡土墙内2.5 m。为防止水流回淘，挑坎下设齿墙，齿墙底部座落于岩石上，高程为68.9 m。

6）护坦。在挑坎后修建混凝土护坦，以保证在小流量泄流时挑坎的稳定。护坦底板厚1.5 m、宽50 m、总长20 m，两侧设浆砌石挡土墙，墙顶宽0.5 m，挡水侧为直立面，背水面坡度为1∶0.3。

7）基础处理。闸室及上游导流墙基础设防渗帷幕灌浆，总长130 m,孔间距2 m，帷幕灌浆根据不同的部位深度为8.9～15.9 m不等。灌浆控制标准为 0.03 L/（min·m·m）。

溢洪道闸室段底部设固结灌浆，固结孔深5 m，孔间距2 m、排距均为3.0 m，共设10排，梅花形布孔。

2.3.4 结构稳定及应力计算分析

作用在控制段上的荷载分为基本荷载和特殊荷载；特殊荷载中的地震荷载，由于乌金塘水库地震烈度为6度，根据抗震设计规范可不考虑地震荷载。扬压力系数α取为0.25。

基本荷载及特殊荷载组合见表3。

对溢洪道控制段按抗剪断强度公式进行稳定计算和按材料力学法进行应力计算，得出在各种工况下控制段的抗滑稳定安全系数满足规范要求，建筑物安全稳定，结构设计经济合理。控制工况为完建期，其坝趾最小应力值为σmin=20.68 kN/m2。