棘洪滩水库改造工程大坝护坡复核与加固方案选择

任恒谊，马新涌

（1.山东省调水工程运行维护中心胶州管理站，山东 胶州 266300；2.山东省调水工程运行维护中心棘洪滩水库管理站，山东 青岛 266109）

1 工程概况

棘洪滩水库枢纽工程是引黄济青工程的调蓄水库，工程位于青岛市城阳区棘洪滩镇以西。棘洪滩水库原设计风速20 m/s，取即墨气象站历年最大风速（1964年5月17日），即墨站气象站距水库22 km，且东南崂山对该站风速风向影响较大，根据水库多年的运行实践及波浪观测研究，主导风向设计风速偏低[1]。本次讨论的设计主导风向风速采用距棘洪滩水库11 km的马戈庄气象站1989年~2008年的风速资料，次主导风向及非主导风向的风速仍采用原设计的风速。

2 现状护坡复核

大坝上游坝坡原设计采用干砌方块石护坡厚30 cm，下设反滤层自下而上分别为粒径2 cm~4 cm的碎石、粒径0.5 cm~2 cm的碎石、中粗砂。水库坝坡施工时，因抢工期，反滤层未按设计要求施工，实际护坡存在的问题包括：护坡石间缝隙太宽，大多为4 cm~5 cm，远远大于设计要求的2 cm，造成反滤料流失、块石被架空；砌石护坡厚度达不到设计要求，一部分砌石厚度0.25 m~0.26 m，少数只有0.2 m。在水坝长期运行中，护坡因受到主导风冲刷出现了不同程度损坏，相关管理部门已先后对破坏严重边坡进行了改造加固，主要方法为保持原干砌石护坡不变，在面层浇筑钢筋混凝土板，以此起到一定保护作用。

2.1 计算依据

干砌石护坡厚度计算依据波浪计算中的波浪要素，根据SL274-2001《碾压土石坝设计规范》中的护坡计算理论[2]，相应公式如下：

块石在最大局部波压力作用下所需的直径D（换算为球形）为[3]：

式中：

D——石块的换算球形直径，m；

D50——块石平均粒径，m；

ρk——块石容重，取ρk=2.65 t/m3；

ρw——水的容重，取ρw=1.0 t/m3；

m——坡率；

hp——累积频率为5%的波高，m；

Kt——随坡率变化的系数。

干砌石护坡的厚度t为：

当Lm/hp≤15时

当Lm/hp>15时

现浇砼板板护坡计算公式

式中：

η——系数，取η=1.0；

hp——累积频率为1%的波高，m；

ρc——砼的容重，ρc=2.35 t/m3；

b——沿坝坡向板长，5.4 m。

2.2 复核结果分析

复核内容包括有主导风向段、次主导风向段、非主导风向段，现状护坡、各现状段桩号内容和实际情况可见表中备注。观察表1可以看出主导风向段高程15.0 m以上至坝顶护坡石厚度部分未达到0.38 m的复核标准，不满足要求。表2表明虽然次主导风向段高程13.5 m以上至坝顶护坡石实际厚度达到复核标准，但部分厚度仅在0.25 m~0.26 m之间，仍然达不到规范要求。非主导风向段（见表3）砌石护坡厚度达不到设计要求，一部分砌石厚度0.25 m~0.26 m，亟需进行加固改造。

总的来说，主导风向段和次主导风向段高程分别在6.5 m~15 m和6.5 m~13.5 m的护坡受损并不严重，其材质主要为钢筋混凝土护坡板，并且由于受力比较均匀、刚度大使得它承受风浪和水波荷载的能力远大于上部的干砌石材质护坡。受损较为严重的以干砌石为材质的护坡段，主导风向段和次主导风向段的干砌石护坡段现状并不乐观，两者厚度都有明显变薄的趋势，厚度减少量均达到了15%以上。更为严重的属非主导风向段的护坡，高程在6.5 m以上的现状护坡均减少到0.3 m以下，仅死水位（6.5 m~9.5 m）高程段现状厚度满足复核标准，9.5 m以上高程段均需要加固处理。这可能是由于水库坝施工时工期安排不恰当，导致了施工未按照设计标准进行；此外，设计要求护坡石缝隙宽度小于2 cm，但现状缝隙宽度多为4~5 cm，缝隙过大导致填充物流失，块状石料附着力减小，最后形成架空[4]。

表 1 主导风向段现状护坡复核结果

表2 次主导风向段现状护坡复核结果

表 3 非主导风向段现状护坡复核结果

3 护坡改建方案比选分析

针对大坝护坡厚度不满足要求且反滤层没按设计施工的情况，现提出以下三个改建方案进行比较：

3.1 现浇钢筋砼板方案（方案1）

拆除部分原上游砌石护坡浇注混凝土格梁，同时在原砌石护坡上浇注钢筋砼板，现浇板沿坝坡向板长6.0 m，沿坝坡方向分缝宽度为5 mm。按照此方案布置，主导风向段护坡厚度将减少至0.15 m，次主导风向段护护坡厚度减少至0.125 m，满足复核最大厚度需求。

3.2 浆砌石护坡方案（方案2）

采用浆砌石护坡可以有效防止护坡风化、减少水流冲刷护坡造成的损害。具体是将现状干砌石护坡拆除，采取符合规范的块状石料布置M 10浆砌石护坡，注意浆砌石布置方向需沿坝坡布置，竖向分隔距离5 m。此种方法可将非主导风向段和次主导风向段护坡厚度改至0.17 m，主导风向段护坡厚度降低至0.22 m。

3.3 浆砌石护坡加糙方案（方案3）

经计算加糙后主导风向边坡1∶2.25坝段计算坝顶高程17.63 m，主导风向边坡1∶2.5坝段计算坝顶高程17.43 m，两者较现状高程都相对较低，现状为18.24 m。参考方案2所述拆除干砌石，重建浆砌石，但间距按照2.5 m砌筑0.2 m厚条石，条石高出坡面0.2 m以加糙消浪。计算后可知按照此方案设计后主导风向、次主导风向和非主导风向与方案2实施后结果相一致。

经过比较分析，上述三种方案均能有效满足大坝护坡厚度要求。方案1优点是无需进行拆除工程，直接在原有大坝护坡上施工，工序较少，施工简洁，工期较短，能有效避免长时间施工造成的水库安全事故发生。此方案单位造价预估为108元/m2，K△为0.9。方案2需要先对护坡石进行拆除，然后再进行浆砌，该方案的优点是在除主风向坝段外，基本满足大坝计算坝顶高程的要求，此方案可就地取材，节省投资（约为54元/m2），但施工难度大，工期长。方案3需要先对护坡石进行拆除，然后再进行浆砌，并砌筑条石消浪坎加糙，该方案的优点是在主风向坝段，基本满足大坝计算坝顶高程的要求，不需对坝顶进行改建，工程投资少（65元/m2）。以上方案优缺点分析考虑问题比较综合，通过比选，在非主导风向段高程介于9.5 m~13.5 m采用现浇钢筋混凝土挡板作为护坡（方案1），以此缩短项目工期[5]；高程介于13.5 m~17.24 m之间的坝段包含次主导风向段和非主导风向段中的13+900~14+227、1+350~3+000、6+050~7+648和7+648~10+100，采用浆砌石护坡加固设计（方案2）；在主导风向（10+100~12+765、12+765～13+900、3+000～6+050）采用浆砌石护坡加糙方案（方案3）。

4 结论

在满足大坝改造加固厚度的前提条件下，方案1在大坝护坡上直接施工，施工便利，工期短，利于水库低水位时护坡加固缩短工期。方案2施工有一定施工难度但是能有效利用周围石料，节约改造成本（约54元/m2）。方案3省去了坝顶改建工序，减轻施工负担的同时为其他标段争取了宝贵资源。对待年久失修的水库大坝护坡工程，必须强有力地执行加固改造，从而有效避免一些不确定因素带来的灾害。此外，随着城市建设和社会经济发展，城市水源面临着严重威胁,棘洪滩水库改造的顺利进行可以为城市饮水保障做出有效提升和帮助。