将军槽水库砌石拱坝除险加固设计

2020-06-29郝晓辉刘莉莉

山东水利 2020年5期

王慧，郝晓辉，刘莉莉

（1.济南市水政监察支队，山东济南 250014；2.山东省水利科学研究院，山东济南 250014）

将军槽水库位于青岛市崂山区沙子口街道办事处东部，崂山山脉南麓，流清河下游滨海处。该水库于1987年3月开始兴建，1988年5月竣工。水库为小（2）型水库，总库容为12.35万m3，兴利库容10.06万m3，死库容0.03万m3，兴利水位57.0m，设计防洪标准为20年一遇设计，设计洪水位58.7m，百年一遇洪水校核，校核洪水位59.2m，死水位38.5m。

将军槽水库工程由大坝、溢流堰、坝顶交通桥和放水涵管等建筑物组成，工程等别Ⅴ级，主要建筑物级别5级。经过30多年的运行，工程处于带病运行状态，不能发挥正常效益。2014年，水库大坝被鉴定为“三类坝”。

1 存在的主要问题

1.1 大坝

1）兴利水位温降工况下大坝的最大拉应力不满足规范要求，最大压应力满足规范要求。由于现状大坝应力超过规范要求一倍以上，如果大坝出现开裂等险情，将严重威胁大坝下游人民生命财产安全。

2）经多年运行，闸阀及管道锈蚀老化，密封不严，存在渗水漏水现象，且闸阀开关不灵。

3）交通桥现状护栏缺失，交通桥面板钢筋裸露、锈蚀。

1.2 消能工

经多年水流冲刷、冻融等破坏，下游护坦表层砂浆大部分已脱落损坏，局部砌石已被冲走，严重影响整个护坦的结构完整性。受泄洪水的冲刷，护坦两侧损毁严重，砌体石块被冲走，护坦两侧底面出现冲沟。浆砌石二道坝已被冲垮，现状两侧仅剩较短一段，且坝基础80%部分被淘空，已不具备消能作用。

2 大坝除险加固设计

大坝安全鉴定报告中用拱梁分载法计算了坝体应力，该坝在兴利水位及温降情况下，上游面出现2.47MPa梁向和1.29MPa拱向的最大拉应力，下游面出现3.11MPa梁向和3.34MPa拱向的最大压应力。在校核水位及温升情况下，上游面出现2.06MPa梁向和1.59MPa拱向的最大拉应力，下游面出现2.68MPa梁向和4.41MPa拱向的最大压应力。两种荷载组合情况下，拱坝上游面的拉应力都超过浆砌石极限抗拉强度。计算结果表明坝体的最大压应力符合规范要求，最大拉应力超过规范要求，因此，为解决大坝拉应力超标的问题，选择改善坝体应力，增加坝体梁的作用，削弱拱的作用，考虑对坝体进行加厚处理。

2.1 加固方案比较

根据将军槽水库大坝具体布置特点，加固指导思想为坝体培厚。本次选取坝体迎水面培厚方案、坝体背水面培厚两种方案进行比较分析，各方案布置如下。

方案一：上游面增设钢筋混凝土面板。优点：施工技术成熟，不仅能解决应力问题，同时具有较好的防渗效果。缺点：需放空库容，增设围堰，增加施工工序，施工工期长。同时设置锚固钢筋，将破坏原坝体防渗塑料板。

方案二：大坝下游面分段加厚。优点：施工技术成熟，可有效降低坝体应力，施工工期短。缺点：无防渗作用。

推荐方案：水库坝体没有明显的渗漏，只需解决坝体应力过大的问题，而且水库库区内四周地形条件比较复杂，均为陡峭的山体，人工及施工机械难以进入库内，库内施工比较困难；方案二施工简便，工期短，工程投资较小。综合考虑，本工程坝体加固设计方案推荐方案二即坝体下游面分段加厚。

2.2 培厚材料比选

原坝体为M10浆砌石，本次加固设计采用C15抛石混凝土与C15混凝土比较。

方案一：下游坝面采用C15抛石混凝土。优点：施工技术成熟，可就地取材，与原坝体结合度较好。缺点：施工工期长。总投资118.35万元。

方案二：下游坝面采用C15混凝土。优点：施工技术成熟，施工方便，施工工期短。缺点：两种材料结合，施工温度不易控制，易产生裂缝。总投资107.63万元。

推荐方案：综合考虑，方案一工程投资较大，由于材料相同新老坝体结合度较好，更有利于坝体安全，因此，本工程坝体加固材料选用C15抛石混凝土。

2.3 加固后应力分析计算

1）考虑分析结果的准确性，在各种工况下的应力变形情况采用拱冠梁法分析计算。本大坝沿坝高选取7层拱圈进行计算分析，见表1。

2）计算工况及荷载。大坝应力分析共考虑了以下四种工况。

表1 大坝加固前后体形几何参数表

工况一：正常蓄水位+温降工况，其荷载为坝体自重+正常蓄水位时水压力+淤沙压力+温降。

工况二：设计洪水位+温升工况，其荷载为坝体自重+设计洪水位时上游水压力+淤沙压力+温升。

工况三：校核洪水位+温升工况，其荷载为坝体自重+校核洪水位时上游水压力+淤沙压力+温升。

工况四：死水位+温降工况，其荷载为坝体自重+死水位时上游水压力+死水位时下游水压力+淤沙压力+温降。

温度场计算：封拱温度为18℃，砌石体的线膨胀系数参照规范取ɑ=7×10-6/℃，弹性模量取5MPa。坝体表面升温和降温值按《砌石坝设计规范》（SL25-2006）附录C中相应公式计算。

3）计算成果分析。计算结果表明拱坝上、下游面的最大主拉应力出现在工况一时，位置为拱坝坝底，拉应力为1.1MPa。依据水利部《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2018），对于基本荷载组合，拉应力不得大于1.5MPa，对非地震情况特殊荷载组合，拉应力不得大于2.0MPa。上游面最大主拉应力在加固前的三种工况时都大于规范要求，加固后三种工况的最大主拉应力、压应力均符合规范要求。

2.4 加固方案设计

坝体加固前，应用高压水枪清洗坝面，彻底清除原坝面的灰沙、青苔等杂质。坝体底部培厚3.5m，高程32.0m，顶部至溢流堰下檐，高程54.7m，顶部厚度为0.5m；外层30cm为M15浆砌料石，内部为C15抛石混凝土，抛石与混凝土的比例为40∶60；高程32.0～52.0m之间新老坝体用φ18钢筋锚固，高程52.0～54.0m之间新老坝体用φ12钢筋锚固，间距均为1.0m×1.0m，梅花形布置；底部基建面挖至新鲜基岩，嵌入坝基岩体1.0m；两岸坝肩基建面处理至新鲜岩石面，坝肩厚度不小于同高程坝体厚度。

2.5 消能防冲设计

大坝下游消力池冲刷冻融破坏，砂浆剥蚀，石子裸露。同时，下游坝体加固开挖基础时，需拆除原坝下消力池。故本次大坝加固开挖消力池至坝基底部高程31.3m，坝体加固完成后，按原尺寸重建消力池；重新回填至37.6m高程，上层铺设钢筋网，钢筋为Φ14@300mm×300mm，浇筑C30混凝土，30cm厚，消力池底板顶高程37.9m。