陡山水库放水洞除险加固设计方案比选

郑善磊

（山东水总有限公司，山东 济南 250014）

临沂市莒南县陡山水库建于1959年，位于莒南县城北17km，大店镇花园村东1km处，属淮河水系沭河一级支流浔河中下游，控制流域面积431km2，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾发电、供水、渔业养殖、旅游等综合利用的多年调节大（2）型水库。经过20多年的使用及正常老化，2010年经临沂市相关部门检查发现该水库的放水洞存在着两方面的问题：在结构和功能性方面，放水洞内混凝土管存在裂缝，砌石廊道存在渗漏现象，竖井无检修闸门且内闸门与启闭设施老化锈蚀严重；在资源和利用方面，当地水资源紧缺，需求量缺口大，已严重制约了当地国民经济的发展，陡山水库已被规划为莒南县城及临港产业区主要供水水源地。鉴于此，需对放水洞进行维修或新建，以便消除安全隐患，满足抗震防渗的需要，为城镇居民、工业和农业持续供水。

1 放水洞设计

1.1 设计方案

方案一：对原放水洞进行维修加固，灌浆堵漏，更换闸门。该方案可暂缓消除水库放水洞的安全隐患，无法长期解决抗震、裂缝渗漏和闸门检修问题。施工时间短，工程投资小。

方案二：将原放水洞拆除重建，输水洞身由原来的拱洞式改为矩形箱涵式，浆砌石竖井改为砖砌式，增加检修闸门等。该方案可彻底消除放水洞安全隐患，满足定期检修及供水需要。施工时间长，投资大。在原址重建无需扰动坝体其他标段[1]。

方案三：封堵原放水洞，在其他位置新建放水洞。该方案可彻底除险加固，施工时间较长，投资较大，但需要严格封堵原放水洞防止渗漏，需要合理选址且扰动坝体其他标段进行挖洞。

综上，通过工程布置、施工工期、工程投资及工程的安全性等多方面的技术经济比较，选择方案二既能够从根本上解决现有放水洞存在的问题，符合抗震供水的要求，对坝体整体影响较小。

1.2 设计标准

陡山水库主要由黏土心墙砂壳坝，北端溢洪闸和南端放水洞组成。水库工程规模为大（2）型，工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2等，次要建筑物为3等。原放水洞拆除重建，设计灌溉面积2.03万 hm2，有效灌溉面积 1.08万hm2，设计流量25m3/s。

1.3 放水洞布置

1）进口段。为保证水流平顺地进入放水洞洞身内，进口采用喇叭形布置，顺水流方向长10.0m，底高程为107.9m，进口底宽5.75m，两侧边墙收缩角为12°；上游铺盖采用C25钢筋混凝土结构，厚0.5m，前端设齿墙，深1.2m，上层纵横筋均配φ12@200；边墙采用M10浆砌石结构，墙顶宽0.5m，背水坡比1∶0.4，迎水面采用M10粗料石镶面，厚0.2m，边墙基础座在混凝土钢筋底板上；边墙、铺盖与下游控制段间设止水，进口设活动式栏污栅[2]。

2）上游引水涵洞段。引水涵洞洞采用内径1.5m×1.8m矩形C30钢筋混凝土箱涵与下游控制段连接，壁厚0.4m，共3节，每节长12m，引水洞进口底高程108.0m，出口底高程108.4m。引水洞身下设0.1m厚C15混凝土层，箱涵两侧回填水泥土，回填至混凝土箱涵顶以上0.5m。

3）闸室控制段。控制段底板长9.5m，宽8.0m，下部为竖井式闸室，上部为启闭机房，内设工作闸门、检修闸门；竖井为圆筒式结构，内径5.8m，壁厚0.5m，高程128.9m设检修平台，启闭机房地面高程132.5m，屋面采用双层式六边仿古坡屋面；控制段筒壁下游侧设钢管通气孔以防气蚀，通气孔出口高程131.8.0m，通气管位于筒壁内；圆筒内上游侧设检修闸门，下游侧设工作闸门，中间采用厚0.3m的钢筋混凝土板分隔，圆筒下游侧筒身设钢闸门槽以方便闸门启闭，钢闸门槽下游设混凝土固定梁以固定门槽；闸室侧面设Φ22@400钢筋爬梯，以方便工作人员检修。

4）输水涵洞段。输水洞采用内径1.2m×1.8m矩形C30钢筋混凝土箱涵与上游控制段进行连接，壁厚0.4m，共9节，前8段每节12m，箱涵末端5.0m长为渐变段，输水方涵渐变到圆形管连接段长5.0m钢管，外包C30钢筋混凝土，分别与下游供水管连接，涵洞底部设C15混凝土垫层厚0.1m；箱涵间及涵与上游控制段均设双道止水，内侧采用紫铜片、外侧采用橡胶止水，每节箱涵中间设一处C30混凝土截渗环，施工时与输水涵整体浇筑，输水涵洞外围采用黏土回填压实。输水洞进口底高程108.4m，出口底高程107.68m。箱涵两侧回填水泥土，回填至箱涵以上0.5m。

2 水力学和结构计算

2.1 放水洞过流能力计算

放水洞的水力计算主要是核算新建后工程实施后现状洞径能否满足不同运用工况的过流能力要求，由于出水口接压力管道，在设计水头下，放水洞涵管的水流流态属有压自由出流[3]，经试算，当库水位为108.7m时，放水洞供水流量0.5m3/s，日供水能力达到4.3万m3，满足灌溉水最低流量0.45m3/s的要求，50%兴利库容对应水位122.4m时，放水洞最大流量21.7m3/s，兴利库容对应水位127m时，放水洞最大流量25m3/s，符合设计流量要求。

2.2 放水洞竖井结构稳定计算

1）计算基本数据。竖井基础与中等风化花岗闪长岩摩擦系数：f=0.6，抗剪断摩擦系数：f=0.85，抗剪断粘聚力c′=0.061MPa；回填土饱和容重为20.384kN/m3；回填土浮容重为10.384kN/m3；地基允许承载力为1500kN/m3；钢筋混凝土容重为25kN/m3；设计地震烈度为Ⅷ度；回填土内摩擦角Φ=32.5°，根据《建筑结构荷载规范》（GBJ9-87），100年一遇基本风压为0.35kN/m2。

2）荷载组合。荷载组合情况见表1。

表1 进口竖井稳定计算荷载组合表

正常工况下正常水位127.00m；校核工况下校核水位131.99m；地震工况下正常水位127.00m，遇Ⅷ度地震。

3）荷载计算成果。通过计算可得3种工况下荷载计算成果表，见表2。

表23 种工况下荷载计算成果表

4）稳定计算成果。根据《水闸设计规范》（SL265-2001）岩基上闸室底面的抗滑稳定安全系数按下式计算：

式中：f′为闸室基底与岩石地基之间的抗剪断摩擦系数，取值0.85；C′为闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断粘结力；A为底板的面积，m2；∑G是竖向力，kN；∑H为水平力，kN；Kc为安全系数。

根据《水闸设计规范》SL265-2001闸室基底应力应按下式计算：

由表3可知：在正常情况、校核情况、地震情况3种工况条件下进行抗滑稳定性计算，基底应力值远小于承载力标准值1500kPa，基底应力符合要求，放水洞岩基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的计算结果均大于限值，满足规范要求。

表3 放水洞竖井稳定计算成果表

3 结语

陡山水库放水洞重建工程以完成，各设施运行状况良好，各项指标均符合水利工程施工规范，彻底解决了放水洞存在的安全隐患；同时，放水洞经过高水位低水位的验证，出水流量满足了当地城镇生产生活的需要，对农田灌溉环境、水力发电等实现了很好的改善，提高了经济效益和社会效益。