崂山水库除险加固工程设计

张 晓，时铁城，阮建飞

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，300222，天津）

一、工程概况

崂山水库位于山东省青岛市城阳区，工程于1958年9月开工，1959年建成蓄水。设计总库容6 044万m3，为青岛市重要供水水源之一。

崂山水库枢纽工程由主坝、放水洞、溢洪道、引冲式自溃副坝等建筑物组成。

①主坝为亚黏土斜墙砂壳坝，坝顶长672.15 m，坝顶高程56.00 m，最大坝高26 m。

②引冲式自溃副坝位于左岸垭口处，为黏土斜墙式砂壳坝，坝顶长55.20m，最大坝高5.7m，最大泄水量约1000m3/s。

③溢洪道为5孔溢洪闸和6孔开敞式溢流堰。溢洪闸尺寸为10m×6m（宽×高），底槛高程 49.00 m，溢洪闸两侧各有3孔砌石溢流堰，堰顶高程54.00 m，闸、堰总净宽68 m。控制段后接泄槽和消力池。

④放水洞位于主坝左岸，为圆形钢筋混凝土涵管，内径1.2m，长279m，设计流量6 m3/s。

二、工程存在主要病险及除险加固的必要性

1.工程存在的主要病险问题

崂山水库自建成蓄水至今已运行50年，原水库防洪标准低，工程老化严重，建筑物存在病害和安全隐患。

①水库现有的防洪能力达不到2 000年一遇校核洪水的防洪要求。

②大坝防浪墙断裂，上游干砌石护坡高低不平，其下部反滤层破损严重，失去了对黏土斜墙的保护作用。

③溢洪道结构混凝土老化严重，结构安全和整体稳定性不满足现行规范要求；桥墩变形，栏杆开裂，桥面出现贯穿裂缝，交通桥与两岸连接处有不均匀沉陷，浆砌石溢流堰也存在竖向裂缝；护坦及下游泄槽浆砌石护底平整度差，砂浆剥蚀严重，裂缝较多，裂缝处杂草丛生，泄槽底板和边墙抗冲能力不足；在校核洪水工况下泄槽水面线高于浆砌石挡墙顶高程。

④放水洞进水塔控制门等金属结构设备失控，不能操作；放水洞洞径小，洞身没有检修条件，出坝后埋涵结构强度不满足规范要求。

⑤每年汛期都需对引冲式自溃坝安排一些临时的应急措施，防止超前溃坝或该溃不溃的情况发生。

2.工程除险加固的必要性

考虑工程下游有国际机场、高速公路、国道、铁路、220 kV变电站及几十家企事业单位、30多个村庄、6万多人口，加之该水库为青岛城市供水重要水源之一，因此，决定对水库实施除险加固。

三、除险加固设计

1.工程等级及建筑物级别

根据库容指标和防洪保护对象的重要性，按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）中的有关规定，确定该水库为Ⅲ等工程；主要建筑物——主坝、泄洪闸、放水洞、副坝均为3级建筑物。

水库的设计洪水标准为100年一遇，相应洪峰流量1 970 m3/s；校核洪水标准为2 000年一遇，相应洪峰流量3 440 m3/s；溢洪道消能防冲建筑物设计洪水标准采用30年一遇。

2.工程除险加固设计

根据工程建筑物病险情况及工程位置和下游防洪保护区内对象的重要性，结合工程的具体情况，在除险加固设计中对各种方案进行了比选，经综合经济技术分析比较，推荐除险加固方案为：主坝不加高，修复反滤；拆除并重建溢洪道，适当降低溢洪道堰顶高程，增大泄洪能力，使工程防洪标准达到2 000年一遇的校核洪水标准；引冲式自溃坝改建成溢流堰，以保证能宣泄超标准洪水；封堵原坝下放水洞，新建放水洞以保证原供水功能且达到运用安全、检修方便。

（1）主坝除险加固设计

由于上游护坡反滤层破坏，成土石混合物，对黏土斜墙失去保护作用，根据上述除险加固方案，本次除险加固对水位变动区高程在42～48 m范围内的上游护坡及反滤按原设计进行翻修，以保证加固后上游坝坡的坡度不变且平顺。反滤层由内向外依次为中粗砂层40 cm，粒径范围0.1～2 mm；砾石层 30 cm，粒径范围2～20 mm；卵砾石层30cm，粒径范围20～150mm；表面干砌块石层厚50 cm，平均块径41 cm。

防浪墙裂缝采用环氧砂浆封堵处理；坝顶路面采用厚200 mm 12%水泥稳定级配碎石基层，面层铺设厚50 mm沥青混凝土路面。

通过对大坝进行渗流计算和稳定复核，计算结果表明，在各种工况下，斜墙内的渗透比降平均为4，小于斜墙土料的允许比降，且其后设有反滤层，反滤层后为砾质粗砂坝壳，斜墙不会发生有害的渗透变形；下游坝基和坝壳内的渗透比降都小于0.022，且在下游坝坡设有贴坡排水，堤基和坝壳亦不会产生有害的渗透变形；上下游坝坡抗滑稳定满足规范要求。

（2）溢洪道拆除重建设计

原溢洪道布置为5孔溢洪闸（闸底板堰顶高程49m），两侧各3孔溢流堰（堰顶高程54m）。闸、堰下游接泄槽，泄槽首部宽134m，其后在泄槽顺水流方向长30m范围内急剧收缩为60m。此种布置宣泄洪水时，将在闸、堰后发生横向水流，泄流不顺畅，流态不佳。

根据主坝不加高、在坝顶高程满足安全超高的前提下，适当降低堰顶高程，以加大溢洪闸的泄流能力。在汛限水位53.5 m的条件下，经调洪演算，确定新建5孔×10 m（单孔净宽）溢洪闸，实用堰堰顶高程47.8 m，后接泄槽宽由62 m渐缩至40 m的溢洪道重建方案，闸两侧各3孔10 m溢流堰改建成挡水坝。此方案既消除了溢洪道病害、隐患，又能够满足宣泄校核洪水的防洪标准要求，同时改善了泄槽水流的流态。

由于溢洪道地处天然的宽阔垭口，溢洪闸前沿直接与水库相接，不需要做专门的进水渠。

①溢洪闸布置，为使溢洪闸具有较大的超泄能力，溢洪闸形式采用开敞式；堰型为折线形实用堰，单孔净宽10 m；闸室总宽68 m，顺水流方向长为15 m；闸底板采用整体式底板，分缝位于闸孔中央，底板厚1 m，折线形底板下部仍采用原浆砌石基础。

中墩厚度根据闸门布置要求确定为1.5 m，墩顶高程为57.40 m，中墩上下游端部均为圆弧形，半径0.75 m。闸室两侧边墩为了布置控制楼及与两侧挡水坝段相接，采用空腔结构，宽6m，壁厚1.0m，边墩垂直水流方向长19.2m。排架高度根据闸门要求取7.9 m。

本工程溢洪闸挡水高度较低，选用平面闸门，平面尺寸为10 m×7.3 m；为满足蓄水兴利要求，闸门高度为7.3 m。为方便检修，在工作闸门上游侧2.5 m处布置检修门门槽，检修门采用叠梁式钢闸门，平时分节锁定在检修门槽顶部。

工作桥布置于闸墩排架柱上，宽5m，长58m，主梁高度1.1m，桥板厚0.2 m，工作桥顶高程66.4m。启闭机根据启门力要求选用2×250 kN双吊点卷扬式启闭机，在机架桥上布置启闭机房。

检修桥和交通桥均布置于闸墩上游，总长度为57 m。由于溢洪闸顶没有公共交通要求，交通桥采用标准钢筋混凝土预应力空心板，共布置3块，宽4.55 m，设计标准为汽—20、挂—100。桥头堡布置在机架桥两端，为四层框架结构，溢洪道中控室、管理房均设于桥头堡内。

闸基础保留原浆砌石基础，通过开挖清理后检测，其承载能力大于1 MPa，满足建闸要求。为增强闸底板下部浆砌石基础的整体性，对浆砌石基础全段进行灌浆，灌浆深度为6 m，灌浆孔的间、排距均为2.0 m。

②溢洪道泄槽布置。溢洪道控制段后，接泄槽与下游原消力池连接。泄槽轴线为直线，水平长度165 m，平面布置为渐变直立明渠形式，横断面呈矩形。为减少开挖量，泄槽纵坡采用0.05和0.092两种坡比，槽尾以渥奇曲面接原有消力池。泄槽护底采用钢筋混凝土结构，根据抗冲刷要求确定护底厚度为0.4 m，纵、横向分缝最大距离均为15 m。

为保证泄槽底板与基岩结合良好，底板设锚筋，经过工程类比，锚筋直径为25mm，间距为2m，入岩深度为3m，锚筋顶端与泄槽底板上层钢筋网焊接牢固。

泄槽两侧边墙高程按2 000年一遇校核洪水的水面线加安全超高确定。浆砌块石边墙临水面浇筑厚40 cm混凝土，以提高抗冲刷能力。为减小扬压力，底板下设有纵、横排水软管，管径10 cm，边墙后也设置排水设施，将渗透水流排至下游河道。

经复核，原消力池深度及长度均满足泄流安全要求。

（3）放水洞设计

①方案比选。方案一为在原位置重建坝下放水洞，方案二为在主坝左岸山丘下新建放水洞。经过比选，重建坝下放水洞方案投资大、工期长，而且需采用扬水翻过大坝才能保证施工期不中断向下游供水，增加了工程投资。而新建放水洞方案，在建设完工经试运行验收后，可择机对原放水洞在主坝斜墙段范围实施封堵，既解决了放水洞病险问题，又能保证施工期不间断向下游供水。因此，选择在主坝左岸山丘下新建放水洞方案。

②新建放水洞线路选择。新建放水洞遵循线路顺直、沿线岩体完整、上覆岩层厚度适中、工程地质条件有利、施工方便等原则，又考虑尽量不因隧洞施工对大坝造成影响，根据地形、地质条件，隧洞线路选择在主坝左坝头外40 m左右山丘下穿过。此线路地质构造简单，洞身段岩体为花岗岩，坚硬完整，块状结构，洞线与主裂隙交角较大，成洞条件好；地下水活动微弱，围岩稳定；具有足够的上覆层厚度（10～40 m）。

③放水洞进水塔布置。进水塔位于主坝左坝头，塔后经隧洞和一段埋涵输水至下游控制蝶阀室，蝶阀室后通过钢管与水厂原供水主管相接。进水塔底板高程30 m，塔顶高程56 m，通过交通桥和环山公路相接。进水塔外形为六角形，底层每边长4.6 m。为提高取水的保证率，在塔内布置3层取水口，高程分别为 30 m、43 m、47 m，三层进水口尺寸均为2.0 m×2.5 m（宽×高），设有3扇事故检修平板钢闸门。塔顶布置六边形的启闭机房，安装3台固定式启闭机。

在进水塔前布置引水渠，渠宽5m，长90 m，底高程自塔前的30 m渐抬升至上游端处的34.8 m。

④放水洞布置。本工程放水洞供水流量为6 m3/s，根据供水流量，按照规范推荐的公式拟定放水洞的断面尺寸，并考虑施工、检查及维护方便，放水洞确定采用内径为2 m的圆形断面。为减小糙率，提高输水能力，放水洞采用钢筋混凝土衬砌，根据衬砌计算结果，衬砌厚度Ⅱ、Ⅲ类围岩0.3 m，Ⅳ、Ⅴ类围岩0.35 m，每8 m设一道伸缩缝。

放水洞长225 m，路径岩体类别为Ⅱ～Ⅴ类，Ⅱ、Ⅲ类围岩一期支护采用随机锚杆，Ⅳ、Ⅴ类围岩一期支护采用锚杆加喷C20混凝土（厚100 mm），遇岩脉、断层破碎带采用钢支撑。隧洞顶部全长进行回填灌浆，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩段布置固结灌浆。

（4）引冲式自溃坝除险加固设计

根据引溃式自溃坝的现状，除险加固设计在保留非常溢洪道功能的前提下，将引冲式自溃坝顶部拆除，在原上下游坝坡干砌块石护面和坝顶浇筑一层厚0.2 m的C25钢筋混凝土，改建成WES曲线形溢流堰，其堰顶高程55.86 m，与校核洪水位相同。这样遇超标准洪水时，可以从其顶部过流宣泄洪水，彻底改变每年汛期都要安排临时应急措施的局面，从而确保主坝安全。

[1]水利部.碾压式土石坝设计规范（SL 274—2001）[S].2000.

[2]水利部.水闸设计规范（SL 265—2001）[S].2001.

[3]水利部.水工隧洞设计规范（SL 279—2002）[S].2002.

[4]水利部.水利水电工程进水口设计规范（SL 285—2003）[S].2003.

[5]水利部.溢洪道设计规范（SL 253—2000）[S].2000.