冶源水庫溢洪閘改建的必要性及方案分析

王太國，林立廷，姬脈云

（臨朐縣冶源水庫管理局，山東 臨朐 262605)

1 樞紐工程概況

冶源水庫位于山東省臨朐縣境內的沂山北麓，是彌河干流上唯一的一座大型控制性水利樞紐工程，控制流域面積 786km2，總庫容 2.03億 m3，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、城市供水、發電、養魚、旅游等綜合運用的大（Ⅱ）型山谷水庫。

該水庫于1958年5月動工興建，1959年9月建成蓄水。樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道（閘）、放水洞、電站等幾部分組成。水庫現狀防洪標準為千年一遇。

水庫以下彌河流經濰坊市的臨朐、青州、壽光、濱海4個縣（市、區）的幾十個鎮（街道），總計居民人口在120萬以上，防洪保護范圍面積達1100 km2，膠濟、益羊、青臨三條鐵路和309國道、東紅、王濰、濰九等6條公路干線及濟青高速公路均與彌河交匯，東營至黃島的輸油管道和膠東調水干渠也跨越彌河，沿河兩岸還建有眾多的、關系國計民生的國有大中型企業，它們都直接受冶源水庫的防洪保護，地理位置十分重要。

2 溢洪閘基本情況及建設沿革

溢洪閘始建于1964年，位于副壩樁號1+175處，設10×8.34m弧型鋼閘門10扇，總寬110.8m，泄流凈寬100m，閘下為寬頂堰，頂高程129.0m，設計最大泄洪流量7240m3/s。安裝有啟閉力40T的手搖、電動兩用啟閉機10臺。閘墩上面的交通橋橋面寬7.5m，設計荷載13T。

1979年對溢洪閘工程進行改建，在閘底板設子堰一道，堰頂高程達到130.0m，上游面以 1∶1斜坡和圓弧段同底板相接，下游面以正圓弧段和反圓弧段同底板銜接，同時增設啟閉機房，并在機房兩側修建了樓式橋頭堡。

3 改建的必要性和重要性

3.1 金屬結構超期服役

1964年溢洪閘建設時，受當時歷史條件和經濟條件影響，安裝的閘門是黃河治理時從王旺莊樞紐拆遷而來，配備的啟閉機是洛口閘淘汰的。按照《水利建設項目經濟評價規范》（SL72-94）的規定，中、小型閘門和啟閉機的折舊年限為20年，即使不包括原來在黃河上的運行年限，到目前也已運行了45年，超期服役至少25年。

3.2 金屬設備主要構件腐蝕嚴重，已達強制報廢條件

限于當時制作工藝水平，不僅閘門的設計不滿足現行規范要求，而且其原材料質量、焊接質量、組裝質量都比較差，制作工藝低下，本身屬于較嚴重的不合格產品。加之多年的運行，設備主要構件腐蝕嚴重。2007年3月，水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心對溢洪閘及附屬建筑物進行全面安全檢測，并對安全性進行評估。

3.3 安全檢測評價

溢洪閘位于大壩樁號1+175處，為開敞式溢洪道，弧形鋼閘門控制，由上游連接段、閘室段、泄槽段和泄水渠組成。針對工程的運行特點和常見病害，依據現場檢測項目的數據與指標，對工程老化、病害程度評估分析：

3.3.1 上游連接段

上游連接段為80#漿砌石護坡和80#漿砌石扭面與閘室相連，底部為鋼筋混凝土鋪蓋護底。

連接段檢測項目包括：砂漿強度、砂漿剝蝕。

（1）在兩岸各抽取50個測區，檢測了漿砌石砂漿強度。經檢測，連接段砂漿強度平均值fcu=7.5MPa，離散系數 Cv=0.14，砂漿強度推定值 fcu,e=7.5MPa，砂漿強度偏低。檢測結果見表1。

表1 上游連接段砂漿強度檢測成果表

（2）經多年運行，受庫水凍融等各種因素相互作用，上游連接段護坡表面砂漿剝蝕嚴重，相對剝蝕面積40%，剝蝕深度8mm，剝蝕損壞等級為D級。綜合評價成果見表2。

表2 上游連接段綜合評價成果表

3.3.2 閘室段

閘址出露基巖為火山角礫巖，地基承載力滿足建閘要求。閘底板為大底板結構，中間分縫，縫間設止水，閘墩座落在大底板承臺上。

（1）裂縫：閘底板未發現明顯裂縫。但底板中間設伸縮縫，縫間填充的瀝青杉板老化、脫落，伸縮縫漏水，止水損壞。等級評定為C級。

（2）混凝土碳化:底板鋼筋保護層厚度為 50mm，抽檢4個測點，檢測混凝土碳化深度值，檢測結果見表3。

表3 混凝土碳化檢測成果表

（3）混凝土強度：鋼筋保護層厚度不均勻，平均為28.6mm，測得鋼筋銹蝕平均自然電位水平為-160mv，處于輕微銹蝕狀態，其等級評定為B級。閘底板混凝土強度檢測成果見表4。

表4 混凝土強度檢測成果表

（4）受水流凍融作用，閘底板表層混凝土破壞嚴重，厚度約2.5cm的混凝土表層變酥，松散脫落，降低了混凝土的抗沖刷能力，其等級評定為D級。

（5）排水管檢測：現場抽檢20支排水管進行檢測，有12支有效，4支基本有效，4支完全失效，失效率達20%；另外，有5支排水管的反濾設施已損壞，排水中攜帶有細小砂粒。其等級評定為D級。閘底板綜合評估見表 5。

表5 閘底板等級綜合評估成果表

3.3.3 閘墩（與機架橋墩一體）、機架橋與交通橋

檢測項目：裂縫、混凝土碳化、混凝土強度、鋼筋銹蝕、混凝土剝落。

（1）裂縫：7座閘墩存在垂直水流方向的縱向裂縫，裂縫長約 5.0～10.0m，縫寬 0.5～1.6mm，分布于閘墩兩側，牛腿上游3.0～5.0m處，裂縫多為貫通性裂縫，在其中一座閘墩的兩側相同位置分布，大大降低了混凝土閘墩的整體性，系牛腿上游輻射筋配筋不足，閘墩被拉裂的表現。其等級評定為D級。

（2）混凝土碳化:閘墩設計鋼筋保護層厚度為50mm，檢測表明保護層控制不均勻，平均約38mm，抽檢6個測點檢測混凝土碳化深度值，檢測結果見表6。

表6 閘墩砼碳化檢測成果表

（3）混凝土強度：檢測表明，鋼筋保護層厚度不均勻，平均為38mm，測得鋼筋銹蝕平均自然電位水平為-110mv，處于輕微銹蝕狀態；但裂縫處平均自然電位水平為-265mv，處于較嚴重銹蝕狀態。其等級評定為C級。閘墩混凝土強度檢測成果見表7。

表7 閘墩混凝土強度檢測成果表

（4）其它構件：經多年運行，除混凝土碳化、耐久性降低外，構件本身亦有若干處混凝土剝落、鋼筋裸露、銹蝕，其等級均評定為C級。

綜上，閘室段混凝土構件綜合評估見表8。

表8 閘室段混凝土構件綜合評估成果表

3.3.4 橋頭堡

閘室兩側設橋頭堡，為四層磚混結構，基礎為混凝土樁基。現場檢測發現東、西橋頭堡基礎均發生沉陷，墻體向外側傾斜，與邊墩連接位置出現裂縫。

根據測壓管資料，西邊墩I～5管水位始終高于庫水位，最多達3m，繞閘滲流較為嚴重。橋頭堡的不均勻沉陷有可能與溢洪閘繞滲有關。

3.3.5 下游連接段

閘室下游為溢洪道泄槽，全長655m，共分三段：0+000～0+127段總寬 110.8m，縱向底坡 1%，鋼筋混凝土護坦襯砌，兩側為漿砌石護坡；0+127～0+245段泄槽總寬110.8漸變為80.0m，縱向底坡1%漸變至2.5%，原基巖開挖，巖石裸露，未作襯砌；0+245～0+655段泄槽總寬80.0m，縱向底坡2.5%，未襯砌。泄槽末端無消能防沖設施。

（1）溢洪道兩岸為漿砌石擋土墻，砂漿相對剝蝕長度15%，平均剝蝕深度6mm，老化剝蝕系數0.9，其等級評定為B級。

（2）漿砌石砂漿強度檢測見表9。

表9 溢洪道漿砌石擋土墻砂漿強度檢測成果表

（3）護坦混凝土強度檢測成果見表10。

表10 溢洪道護坦砼強度檢測成果表

（4）溢洪道泄槽底板有 127.0m長混凝土襯砌，受水流凍融及沖刷作用，下游護坦破壞嚴重，大面積的表層混凝土剝蝕、脫落，護坦的抗沖刷能力降低；護坦的末端為裸露的巖石，斷面平整，未作消能設施。泄槽末端的出水渠為一左拐的直角彎道，下泄洪水有可能溢出河槽，威脅壩腳安全。其等級評定為D級。

溢洪道下游連接段綜合等級評定見表11。

表11 溢洪道下游連接段等級綜合評定表

綜上所述，溢洪道等級評定為三級。

4 溢洪閘改造方案分析

根據溢洪閘存在的問題和檢測情況，初步按兩個方案進行分析。

4.1 方案一：溢洪閘加固改造

因溢洪閘邊墩、機架橋為大體積混凝土結構，邊墩根部厚度達到2.0m，機架橋墩厚度也達到1.2m，且混凝土本身即可滿足受力要求，雖然配筋率不足，但不存在結構破壞問題，故設計時認為邊墩、機架橋墩強度滿足要求，不再單獨針對其采取加固措施。

溢洪閘結構受力方面存在的主要問題是牛腿處閘墩的抗裂不滿足要求，閘墩受拉區扇形受拉鋼筋配筋不足，但如果考慮增配扇形受拉筋和拆除重建牛腿，一方面會將閘墩嚴重破壞，另一方新老混凝土結合受力效果不一定比原來好。因此擬在底板增設駝峰堰，降低閘門擋水高度，從而減少傳遞到牛腿的水推力，使結構滿足受力要求。經計算，駝峰堰高度為1.0m。

現狀溢洪閘無檢修門，不利于工程管理和運行，本次設計增設檢修門和啟閉設備，因閘室上游無空間布置檢修門，故將閘室向上游側接長，根據溢洪閘上游混凝土鋪蓋段的分縫特點，閘室向上接長5.0m，底板直接設置在原混凝土鋪蓋上部，厚度1.0m，頂高程130.0m，同時將原溢洪閘子堰上游側閘底板高程由129.0m提高到130.0m。

工作閘門、啟閉機報廢重建，新設啟閉機的外形尺寸與原啟閉機不同，機架橋橋板結構不滿足啟閉機支座的安裝要求，加之混凝土碳化、漏筋嚴重，設計將機架橋及啟閉機機房拆除重建。

閘后交通橋于1979年改建，考慮到交通橋本身的老化和本次除險加固工程，交通橋將承擔較多的施工車輛通行，故將原交通橋拆除重建。

橋頭堡因地基沉陷傾斜，與閘室裂縫達10cm以上，內部空間也不滿足新機電設備布置要求，予以拆除重建。

閘墩表面碳化嚴重，多個閘墩已出現裂縫，為避免鋼筋銹蝕而引起結構破壞，對閘墩表面進行碳化處理，閘墩裂縫采用灌漿處理。

該方案建筑工程需投資841萬元，金屬結構工程需投資906萬元，共計投資1747萬元。

4.2 方案二：溢洪閘拆除重建

將原閘室拆除，在原址重建，新建閘室結構形式基本相同，因增設檢修門，閘室長度由18.0m延長到21.0m，閘底板高程129.2m，上部設子堰，高 0.8m；溢洪閘共設10孔，單孔凈寬10.0m；閘墩頂部設機架橋墩，采用鋼筋混凝土梁板結構；上部布置啟閉機房，寬4.7m；閘后設交通橋，凈寬7.0m。

該方案建筑工程需投資918萬元，金屬結構工程需投資998萬元，共計投資1916萬元。

4.3 方案比選

兩個方案的主要優缺點如下：

方案一：優點是投資省，溢洪閘施工期間交通橋可以繼續使用，不需另修便道；缺點是原結構拆除時會對保留部分造成負面影響，新老混凝土結合部分，工程質量保證程度相對較低，施工程序較復雜。

方案二：優點徹底消除工程隱患，施工程序簡單；缺點是投資大。

綜合技術經濟比較，設計采用方案一，保留溢洪閘閘室主體，對不滿足設計要求的工程部位進行加固改造，既達到了消除工程隱患的目的，又節省了工程投資。