钢化玻璃廊道在关门山水库除险加固中的应用
2017-11-08
(辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006)
钢化玻璃廊道在关门山水库除险加固中的应用
王业红
(辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006)
关门山水库上坝公路存在严重安全隐患，除险加固工程设计中，采用混凝土挡墙结合钢化玻璃防护长廊方案，不但满足工程安全运行的要求，也保障了建筑景观与自然景观相协调，满足国家“AAAA”级景区及国家水利风景区的功能要求。
关门山水库；钢化玻璃廊道
1 工程概况
关门山水库位于辽宁省太子河支流小汤河中游，坝址距本溪县政府所在地小市镇约25km， 控制流域面积176.77km2，主要由混凝土面板堆石坝、河岸式溢洪道、泄洪输水洞、电站组成。设计洪水标准100年一遇、校核洪水标准2000年一遇，水库总库容7661万m3。关门山水库工程等别为Ⅲ等，规模为中型水库，永久性水工建筑物级别为3级，是一座以工农业供水为主，兼有防洪、发电、水产养殖及旅游等综合利用的中型水库。
关门山水库担负着下游小市镇及其辖属6个村镇的9.60万人、3.70万亩耕地及溪田铁路、小草线公路等防洪安全任务，位置十分重要，对小市镇乃至本溪市的国民经济发展起着至关重要作用。同时，关门山水库承载着国家“AAAA”级景区及国家水利风景区的多种功能要求，不仅要求枢纽自身建筑景观与自然景观相协调，且须保障景区水域、水体要求，为库区生态、观赏及亲水性等要求提供必要的基本条件。
2 上坝公路存在的问题
上坝公路(含电站进场路)位于溢洪道尾水渠右岸岸边依山而建，是进入水库管理区和上坝的唯一通道，其中需跨越入库区交通桥和坝下交通桥。上坝公路全长1.16km，行车路面宽7m，其中坝脚下一段240m长的上坝公路为碎石弃渣贴山填筑而成，路面高程331.50～332.00m，坡比1∶1。
上坝公路走向与溢洪道和输水洞轴线接近垂直，而水库溢洪道和输水洞采用挑流消能，挑射水流直接冲向上坝公路。1995年，在库水位371.60m时泄洪，溢洪道泄流量为250m3/s(30年一遇泄量为564.15m3/s)，输水洞泄流20m3/s(30年一遇泄量为115.85m3/s)，上坝公路局部被冲毁，无法上坝进行抗洪抢险工作。从上述情况看，溢洪道和输水洞泄洪时下泄水流挑至冲坑内后存在严重的回淘问题，导致上坝公路破坏。上坝公路现状的防洪标准低于30年一遇，在溢洪道或输水洞泄流量继续增加的情况下，上坝公路将会受到更加严重的破坏直至冲毁，直接影响汛期水库防洪安全。通过现场地质钻孔勘察，上坝公路为石渣填筑而成，路面以下7m为填筑覆盖层；7～12m为强化岩安山岩，完整性极差，节理裂隙发育；12m以下为弱风化安山岩，节理裂隙，完整性一般。该处的岩石虽然强度较高，但是节理裂隙发育，完整性差，不能抵抗高速水流的冲刷，且上坝公路为碎石弃渣填筑，迎水面坡度过陡，在高速水流淘刷下，一旦混凝土护坡板破坏，边坡即会失稳。
上坝公路有水电站向库外电网输送的高压电线，水库的用电均来自电站，一旦遭到破坏将影响到水库的正常运行，水库的防洪安全运行存在着严重的安全隐患。
3 上坝公路设计方案
鉴于上坝公路对水库防洪的重要性，经综合考虑，对上坝公路段的防洪标准采用100年一遇洪水设计。存在安全隐患的部位为坝下桥下游240m长的上坝公路段，该段上坝公路的除险加固方案应结合水库的泄洪及溢洪道和输水洞下泄水流的消能综合考虑，采用隧道方案和玻璃防护廊道方案进行方案比选，见图1。
图1 上坝公路方案比选
3.1 隧道方案
考虑水库溢洪道和输水洞泄洪影响，用新建交通隧道取代受冲刷段上坝公路。为防止溢洪道挑流对上坝公路冲刷，上坝公路在右岸山体内新建交通隧道。隧道长度为324.79m，马蹄型双车道设计，行车道宽度6.5m。顶拱为半圆拱，半径为5.14m，顶拱中心角180°，衬砌厚度0.8m，圆弧段边墙高1.884m。隧道出口接下游上坝公路。隧道断面结构详见图2。
图2 交通隧道断面结构(单位： mm)
3.2 玻璃防护廊道方案
考虑水库溢洪道和输水洞泄洪影响，对受冲刷的上坝公路采用混凝土挡土墙防护，并在公路上设防护廊防水雾。根据消能分析计算的成果，为保证上坝公路在水库泄洪情况下交通安全，对上坝公路迎水面路基采用混凝土重力式挡土墙防护，防护底高程为水库宣泄100年一遇洪水时，冲坑影响线以下0.50m，并且大于最大冻深。
为防止泄洪水雾的影响，对上坝公路采用钢化玻璃防护廊道防护，防护廊道采用横向拱形工字钢支撑骨架进行支撑，间距2m，纵向采用槽钢支撑并焊接在拱形骨架上，骨架外侧悬挂透明的钢化玻璃来防止水溅对行车的影响。玻璃防护廊道断面结构详见图3。
图3 玻璃防护廊道断面(单位：mm)
3.3 方案比较
两方案的经济比较见表1。
表1 上坝公路方案投资综合比较
两种方案在技术上都可行，通过比较可发现玻璃防护廊道方案更经济、更美观，且施工难度也低于隧道方案，更有利于加快施工进度，缩短工期，因此推荐采用玻璃防护廊道方案。
4 上坝公路加固设计
根据《水工挡土墙设计规范》(SL 379—2007)，该段挡土墙为主要建筑物上坝公路的防护工程，工程级别为3级，故挡土墙级别为3级。其洪水设计标准等同于上坝公路采用100年一遇设计洪水标准。
为防止回淘水流对上坝公路路基淘刷，对上坝公路迎水面采用悬挂式混凝土重力式挡土墙防护，防护底高程在挑射水流影响范围内为最大冲坑影响线以下0.50m，钢筋混凝土重力式挡土墙护岸长240m。混凝土挡土墙顶宽为0.50m，迎水坡直立，背水坡坡比为1∶0.50， 底板宽9m，顶面坡比1∶2。底板坐落于河底新鲜岩石上，在此以下采用直立混凝土墙护砌至最大冲深以下0.50m。直立墙与底板为整体结构，直立墙底宽1.50m，迎水坡直立，背水坡1∶0.20。钢筋混凝土护岸后回填砂砾与石渣，并碾压密实，在其上修建上坝公路。该段上坝公路行车道宽8.0m，其沥青路面厚8cm，沥青路面以下为20cm厚的水泥土稳定层。
防护挡土墙的荷载分为基本荷载和特殊荷载，其荷载组合见表2。
表2 荷载组合
注表2中冰冻情况为电站发电情况下，在墙前冲坑内的积水高程，可取现状河底高程。
4.1 抗滑稳定安全计算
计算公式如下：
式中f′——抗剪断摩擦系数，取0.5；
c′——抗剪断凝聚力，取0.2MPa；
∑W——作用于挡土墙上全部荷载对计算滑动面的法向分量；
∑P——作用于挡土墙上全部荷载对计算滑动面的切向分量；
A——挡土墙底面积。
挡土墙基底应力计算公式：
∑G——作用于挡土墙上全部垂直于基底面的荷载；
∑M——作用于挡土墙上的全部竖向荷载和水平荷载对基础底面垂直水流方向形心轴的力矩；
A——挡土墙基底面的面积，m2；
W——挡土墙基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴，m3。
抗滑稳定计算成果见表3。
表3 护岸挡土墙抗滑稳定计算成果
计算结果满足规范要求。
4.2 抗倾覆稳定计算
计算公式如下：
式中K0——挡土墙抗倾覆稳定安全系数；
∑MV——对挡土墙基底前趾的抵抗倾覆力矩，kN·m；
∑MH——对挡土墙基底前趾的抵抗倾覆力矩，kN·m。
护岸挡土墙抗倾稳定计算成果见表4。
表4 护岸挡土墙抗倾稳定计算成果
计算结果满足规范要求。
为防止泄洪水雾和水溅影响，对该段上坝公路采用钢化玻璃防护廊道进行防护，防护廊道采用横向拱形工字钢支撑骨架进行支撑，间距为2m，纵向采用槽钢支撑并焊接在拱形骨架上，骨架外侧悬挂透明的强化玻璃来防止水溅。
5 结 语
上坝公路为上坝的唯一通道，若公路被水冲毁，交通被阻断，无法运输防汛物资，当水库大坝、溢洪道、输水洞等建筑物发生险情时，无法进行有效的防汛抢险，给水库留下重大安全隐患。在消除水库安全隐患的前提下，除险加固工程设计应充分美化工程环境，为水库资源的再利用开辟一道亮丽的风景(见图4)，使除险加固后的关门山水库焕然一新，其防洪减灾、供水灌溉、旅游景观及生态效益得以充分发挥。
ApplicationoftoughenedglasscorridorinGuanmenshanreservoirandconsolidate
WANG Yehong
(LiaoningWaterConservancyandHydropowerSurvey&DesignInstitute,Shenyang110006,China)
Guanmenshan reservoir dam high has serious security hidden danger. Concrete retaining wall is combined with toughened glass protective corridor in risk removal and reinforcement engineering design, which not only meets the project requirements about safety operation, but also guarantees the coordination between building landscape and natural landscape. It meets the functional requirements about national ‘AAAA level scenic area and national water park’.
Guanmenshan Reservoir; toughened glass corridor
10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.020
TV62+1
B
1005-4774(2017)010-0081-05
图4 竣工运行后现场照片
