济南市长清区崮头水库溢洪道改建方案比选

姜剑明，于潇霈

（济南市水利建筑勘测设计研究院有限公司，山东 济南 250101）

崮头水库位于山东省济南市长清区马山镇崮头村南，是一座具有防洪、灌溉和发展水产养殖等多功能综合利用的中型水库。崮头水库枢纽工程由均质土坝、右坝肩设置的开敞式溢洪道和穿坝放水洞等水工建筑物构成。均质土坝顺坝中轴线的总长度为859m，坝轴线的基面至坝顶的坝高最大值为21.5m。均质土坝的右坝肩和右岸山体之间设置4孔10m宽开敞式溢洪道。2019年8月山东省水利勘测设计院对崮头水库进行了安全鉴定，结果表明崮头水库溢洪道消力池现状结构尺寸、抗浮安全稳定性以及防冲刷能力不满足现行规范所需安全系数的要求。

1 消力池现状

底流消能是在泄水建筑物下游设置尺寸足够大的下挖式消力池，利用泄水时在消力池内发生的水跃水力现象，消除上游宣泄水流的大部分能量，使出池的水流具备较低的流速，以防止下游河床产生冲刷。崮头水库大坝类型为均质土坝，根据土石坝的特性，一般情况下，考虑到坝体安全的影响因素，土石坝设计要求将溢洪道设置在远离大坝坝肩的山体垭口之上，但由于崮头水库坝址处不存在远离坝肩并适合建设溢洪道的山体垭口，所以崮头水库只能采取将溢洪道设置在均质土坝右坝肩的布置方案，因而在发生设计、校核洪水之时，在高速水流产生的脉动压力以及上下游水位所产生的扬压力等荷载作用下，消力池一旦失事，将对崮头水库均质土坝的安全产生致命的威胁。

现状崮头水库采用底流消能的方式对下泄洪水进行消能，采用下挖式消力池方式。现状消力池全长33m，深2.9m，底板厚度为0.8m，设计之初消力池底板未设置抗浮锚杆，消力池底板按照单块11m×10m的尺寸设置永久结构缝，并于结构缝中设置紫铜止水一道。

由于崮头水库建成完工后一直受到渗漏问题的困扰，且多次除险加固未从根本上解决其严重的渗漏问题，以至于水库常年处于正常蓄水位以下的运行状态，建成至今溢洪道从未达到过设计洪水的下泄流量；再加上出于对下游村庄防护的要求，崮头水库调度运行时要求在遭遇小于20年一遇的中小洪水情况下，溢洪道往下游河道宣泄的流量峰值需小于或等于300m3/s，以免下泄洪水对下游村庄造成严重的冲刷和淹没，从而保护下游河道的安全。因此，自2003年除险加固工程实施完工后，虽然崮头水库溢洪道消力池存在长度、深度以及底板厚度不满足要求的问题，但其建成至今并未遭受过设计标准洪水的考验，所以现状消力池状况仍保持完好，未出现破损和水毁现象。

2 消力池改造设计方案选择

根据规范编号SL253-2018中出具的计算公式，对现状崮头水库消力池的控制性尺寸（即池长、池深和底板厚度）进行复核计算。分析消力池稳定性时，应考虑宣泄设计、校核洪峰流量时和检修期间以正常蓄水放空水库下泄流量峰值时等多种不利工况，以上几种工况下的消力池底板稳定均应考虑下泄水流所产生的脉动荷载。

根据溢洪道设计规范的要求，一般情况下溢洪道消能防冲设施的设计洪水标准可低于溢洪道的设计标准，但由于崮头水库溢洪直接设置在大坝的右坝肩上，一旦失事将直接威胁大坝安全，故而溢洪道消力池计算的洪水标准直接采用崮头水库设计洪水标准及校核洪水标准，对应的右坝肩开敞式溢洪道过闸流量峰值分别为697m3/s、1266m3/s。计算消力池底板厚度时，且消力池底板抗浮安全系数值在各种不利计算工况下，消力池底板设置抗浮锚杆和未设置抗浮锚杆两种情况时的抗浮稳定系数均不应小于1.2。

消力池底板设置抗浮锚杆时，若是设置的抗浮锚杆间距过小，则消力池底板上孔点密集，不仅造孔施工会产生贯通裂缝，影响消力池的整体刚度，而且不利于施工机具的布设和人员安排，若是设置的抗浮锚杆间距过大，则抗浮锚杆锚固端所需锚入基岩的深度需相应加大。因此综合考虑，采用28锚杆，将抗浮锚杆间距设置为3.0m，锚固深度按照经验取值拟定为5.0m。其计算成果见表1。

表1各种不利工况下消能防冲复核计算成果表 m

根据复核计算结果，崮头水库消力池长和池深应分别满足44m和3.0m的构造尺寸要求，底板在不设置抗浮锚杆时厚度应设计为3.0m，但设置抗浮锚杆后可以取现状结构厚度的0.8m。因此，对崮头水库现状消力池的改造设计可采取如下两个方案：

方案一：可先将现状消力池完全拆除，然后重新修建一个44m长，3.0m深，底板厚度尺寸为3.0m（或者设置抗浮锚杆后可将底板厚度取为0.8m）的大型钢筋混凝土消力池；若将消力池整个拆除重建，固然可以从根本上达到有效保证工程安全运行的主要目的，但此方案不仅工程量浩大，且消力池底板基础为岩石基础，若采用石方爆破的方式进行开挖，则很可能在施工过程中影响到坝体及溢洪道堰体的稳定安全，若采用液压破碎锤配合人工使用风镐的方式进行开挖施工，则施工难度较大，且工期较长。

方案二：保留原消力池结构，将现状消力池向下游延长11m，并抬高消力池尾坎以解决长度和深度不足的问题。另外，增设抗浮锚杆，以解决消力池因厚度不满足需求而带来的抗浮稳定的问题。

综合考虑技术、经济以及施工难易程度的影响，采用保留原消力池底板，延长消力池长度，并对消力池底板设置抗浮锚杆的方式对现状消力池进行加固改造。

3 结语

在进行溢洪道消力池设计时，由于底流消能工结构简单且其运行较可靠，所以在泄水建筑物设计中下挖式钢筋混凝土消力池应用比较广泛。但是一般情况下，下挖式消力池计算得出的长度和深度均较大，若消力池底板不设置抗浮锚杆，则计算得出的消力池厚度尺寸同样较大，结果造成消力池工程量浩大，使得工程投资加大，不仅不经济，且不能充分发挥消力池本身的钢筋混凝土材料强度。

从崮头水库消力池改造加固方案选择中可以看出，不设置抗浮锚杆的消力池底板厚度需要3.0m，在设置抗浮锚杆后底板厚度仅需0.8m便可达到相同的抗浮稳定安全系数。因此，可保留现状的消力池结构，仅将现状消力池按照设计需求顺水流方向延长，并增设抗浮锚杆即可，而无需将整个消力池拆除、加大开挖深度并延长设计需求长度后重建。如此，无论是混凝土拆除量、石方开挖量还是混凝土浇筑量均成倍地减小，经济效益可观，而且无需在靠近大坝的位置进行石方开挖，减小了施工震动对大坝坝体和溢洪道堰体稳定性的影响。