庆丰水库混凝土梁格干砌石护坡结构设计

刘金岩，苏道峰

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021）

1 工程概况

庆丰水库位于蛟河市天北镇境内,属于二松水系，位于团山河上游，坝址以上控制流域面积为68.8 km2。庆丰水库除险加固之后总库容为1036×104m3，是以灌溉为主结合防洪、发电、养鱼等综合利用的中型水库。水库主要建筑物由大坝、溢洪道、输水洞构成，工程等级为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级。设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为千年一遇。因大坝上游原有干砌石护坡年久失修，加之冻融淘刷破坏，护坡损毁十分严重。故此次除险加固设计将上游原有干砌块石护坡全部拆除后重新进行护砌。经对干砌石护坡与干砌石护坡附加混凝土梁格两种设计方案计算比较后，大坝上游护坡最终选定采取干砌石护坡附加混凝土梁格的设计加固处理措施。

2 计算比较分析

庆丰水库大坝为粘土心墙坝，坝顶高程为328.00 m，坝顶长510 m。坝顶宽5.0 m，最大坝高20.7 m。上游坝坡于高程319.17 m处设置一级马道，宽 1.5 m，马道以上坝坡 1∶2.8，以下坝坡 1∶3.0。

2.1 浪压力情况计算

根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》，砌石护坡在最大局部波浪压力作用下所需的换算球形直径和质量、平均粒径、平均质量和厚度计算公式：

式中：D——石块的换算球形直径，m；D50——石块的平均粒径，m；Q——石块的质量，kN；Q50——石块的平均质量，kN；t—— 护坡厚度，m；m——护坡坡率，2.8；Kt——随坡率变化的系数，取Kt=1.40；ρk——块石密度，取2.5×103kN/m3；ρw——水密度，取 1.0×103kN/m3；hp—累计频率为 5%的波高，m。

经计算，干砌石护坡厚度在浪压力作用下计算所需的护坡厚度为0.236 m。

2.2 冰推力情况计算

根据《土坝设计·上册》在冰推力作用下干砌石护坡稳定计算公式：

式中：K——稳定安全系数；γk——石块的容重，2.5×103kN/m3；t——护坡厚度，m；m——护坡坡率,2.8；H——冰层以上护坡高度，m；δ——冰层厚度，m；f——护坡与垫层间摩擦系数，0.7；T——静冰压力，t/m，采用DL5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》表13.1.1中数值。

在满足干砌块石护坡稳定安全系数[K]=1.0的条件下，且假设水库冬季于正常高水位325.70 m处结冰工况时对应不同结冰冰层厚度，计算所需干砌石护坡厚度结果见表1。

表1 干砌石护坡厚度计算结果表

2.3 计算结果对比分析

通过以上分别对浪压力及冰推力两种情况下计算所得的干砌石护坡厚度结果可知，在我国北方寒冷地区干砌石护坡厚度多数为冰推力情况控制，且计算所需厚度过大，若依然采取普通干砌石护坡设计必然导致工程造价较高，且选料和施工方面亦具有极大难度。而在北方寒冷地区水库冬季普遍结冰冰层厚度多年实测均不低于0.75 m，所以为减小干砌石护坡厚度，设计时可采用附加混凝土梁格的工程措施。

3 干砌石护坡附加混凝土梁格设计

为便于施工附加混凝土梁格可布置成正交网格。混凝土梁格由顶梁、底梁和中间竖向联系梁组成。原则上顶梁应布置在水库冬季结冰水位以上，即略高于正常高水位处。底梁的位置及中间竖向联系梁的间距需经过结构计算来确定。

3.1 设计计算模型

如果将附加混凝土梁格及其内部的块石作为一整体考虑，在冰推力作用下由于该整体将会产生一顺坡向下的抵抗力G（自重和摩擦力产生的）。增设附加混凝土梁格工程设计后，在冰推力作用下力的传递过程改变如下：冰推力→上部接近顶梁的块石→顶梁→中间竖向联系梁→底梁→梁格内块石，最终该整体达到抵抗冰推力破坏而保持稳定。当顺坡向上冰推力的分力F1小于抵抗力G时，该整体保持稳定不动。计算模型示意图见图1。依据此理论在冰推力作用下干砌石护坡稳定计算公式为：

式中：G——计入冰层abc重量的护坡单宽重量，kN；F——冰推力，kN/m；θ——护坡面与水平线的交角；f——护坡与垫层间的摩擦系数。

其中：G=γk（1+m2）0.5H1t+γbmz2/2+γk′（1+m2）0.5H2t

式中：γk′——块石浮容重,kN/m3；m——上游坝坡坡度；γb——冰容重，kN/m3；z——冰厚度，m；H1，H2——冰上、冰下护坡高度，m。

图1 干砌石护坡附加混凝土梁格设计计算模型

3.2 除险加固设计方案

综合考虑护坡选取块石料及施工难度等原因，大坝上游干砌石护坡厚度宜设计为0.30 m，为满足抵抗冰推力的要求，在坝坡面上增设钢筋混凝土梁格以确保干砌石护坡的稳定。经计算可得附加混凝土梁格的布置型式为：顶梁贴坡布置于正常高水位325.70 m以上0.5 m处；底梁布置于高程321.96 m处，两道梁之间沿坝坡向间距为12.3 m，在两道梁中间加设一道中梁，高程为324.08 m，以缩小梁格间距，增加干砌石护坡的稳定，以上三道平行于大坝轴线的梁截面尺寸为30 cm×45 cm（宽×高）。在三道梁中间每隔5.0 m布置一道横梁，截面尺寸为30 cm×45 cm（宽×高），形成梁格，梁格为5.0 m×6.0 m（宽×高）。每隔21.5 m两个整体梁格结构之间设置结构缝一道。梁格内部铺设块石，梁格混凝土强度等级为C25 F300。

4 结语

庆丰水库除险加固工程于2009年开工建设，2010年该工程竣工验收合格并交付使用。经过实际冬季运行，大坝上游护坡不仅结构完整，安全稳定，且工程造价合理，施工方便，外型美观大方。通过蛟河市庆丰水库除险加固工程的设计案例，在北方寒冷地区土石坝上游护坡设计中推广采用干砌石附加混凝土梁格设计为宜。

[1]于富贵，刘树峰.土石坝上游块石护坡混凝土梁格设计[J].东北水利水电，2004（2）.