棘洪灘水庫改造工程大壩護坡復核與加固方案選擇

任恒誼，馬新涌

（1.山東省調水工程運行維護中心膠州管理站，山東 膠州 266300；2.山東省調水工程運行維護中心棘洪灘水庫管理站，山東 青島 266109）

1 工程概況

棘洪灘水庫樞紐工程是引黃濟青工程的調蓄水庫，工程位于青島市城陽區棘洪灘鎮以西。棘洪灘水庫原設計風速20 m/s，取即墨氣象站歷年最大風速（1964年5月17日），即墨站氣象站距水庫22 km，且東南嶗山對該站風速風向影響較大，根據水庫多年的運行實踐及波浪觀測研究，主導風向設計風速偏低[1]。本次討論的設計主導風向風速采用距棘洪灘水庫11 km的馬戈莊氣象站1989年~2008年的風速資料，次主導風向及非主導風向的風速仍采用原設計的風速。

2 現狀護坡復核

大壩上游壩坡原設計采用干砌方塊石護坡厚30 cm，下設反濾層自下而上分別為粒徑2 cm~4 cm的碎石、粒徑0.5 cm~2 cm的碎石、中粗砂。水庫壩坡施工時，因搶工期，反濾層未按設計要求施工，實際護坡存在的問題包括：護坡石間縫隙太寬，大多為4 cm~5 cm，遠遠大于設計要求的2 cm，造成反濾料流失、塊石被架空；砌石護坡厚度達不到設計要求，一部分砌石厚度0.25 m~0.26 m，少數只有0.2 m。在水壩長期運行中，護坡因受到主導風沖刷出現了不同程度損壞，相關管理部門已先后對破壞嚴重邊坡進行了改造加固，主要方法為保持原干砌石護坡不變，在面層澆筑鋼筋混凝土板，以此起到一定保護作用。

2.1 計算依據

干砌石護坡厚度計算依據波浪計算中的波浪要素，根據SL274-2001《碾壓土石壩設計規范》中的護坡計算理論[2]，相應公式如下：

塊石在最大局部波壓力作用下所需的直徑D（換算為球形）為[3]：

式中：

D——石塊的換算球形直徑，m；

D50——塊石平均粒徑，m；

ρk——塊石容重，取ρk=2.65 t/m3；

ρw——水的容重，取ρw=1.0 t/m3；

m——坡率；

hp——累積頻率為5%的波高，m；

Kt——隨坡率變化的系數。

干砌石護坡的厚度t為：

當Lm/hp≤15時

當Lm/hp>15時

現澆砼板板護坡計算公式

式中：

η——系數，取η=1.0；

hp——累積頻率為1%的波高，m；

ρc——砼的容重，ρc=2.35 t/m3；

b——沿壩坡向板長，5.4 m。

2.2 復核結果分析

復核內容包括有主導風向段、次主導風向段、非主導風向段，現狀護坡、各現狀段樁號內容和實際情況可見表中備注。觀察表1可以看出主導風向段高程15.0 m以上至壩頂護坡石厚度部分未達到0.38 m的復核標準，不滿足要求。表2表明雖然次主導風向段高程13.5 m以上至壩頂護坡石實際厚度達到復核標準，但部分厚度僅在0.25 m~0.26 m之間，仍然達不到規范要求。非主導風向段（見表3）砌石護坡厚度達不到設計要求，一部分砌石厚度0.25 m~0.26 m，亟需進行加固改造。

總的來說，主導風向段和次主導風向段高程分別在6.5 m~15 m和6.5 m~13.5 m的護坡受損并不嚴重，其材質主要為鋼筋混凝土護坡板，并且由于受力比較均勻、剛度大使得它承受風浪和水波荷載的能力遠大于上部的干砌石材質護坡。受損較為嚴重的以干砌石為材質的護坡段，主導風向段和次主導風向段的干砌石護坡段現狀并不樂觀，兩者厚度都有明顯變薄的趨勢，厚度減少量均達到了15%以上。更為嚴重的屬非主導風向段的護坡，高程在6.5 m以上的現狀護坡均減少到0.3 m以下，僅死水位（6.5 m~9.5 m）高程段現狀厚度滿足復核標準，9.5 m以上高程段均需要加固處理。這可能是由于水庫壩施工時工期安排不恰當，導致了施工未按照設計標準進行；此外，設計要求護坡石縫隙寬度小于2 cm，但現狀縫隙寬度多為4~5 cm，縫隙過大導致填充物流失，塊狀石料附著力減小，最后形成架空[4]。

表 1 主導風向段現狀護坡復核結果

表2 次主導風向段現狀護坡復核結果

表 3 非主導風向段現狀護坡復核結果

3 護坡改建方案比選分析

針對大壩護坡厚度不滿足要求且反濾層沒按設計施工的情況，現提出以下三個改建方案進行比較：

3.1 現澆鋼筋砼板方案（方案1）

拆除部分原上游砌石護坡澆注混凝土格梁，同時在原砌石護坡上澆注鋼筋砼板，現澆板沿壩坡向板長6.0 m，沿壩坡方向分縫寬度為5 mm。按照此方案布置，主導風向段護坡厚度將減少至0.15 m，次主導風向段護護坡厚度減少至0.125 m，滿足復核最大厚度需求。

3.2 漿砌石護坡方案（方案2）

采用漿砌石護坡可以有效防止護坡風化、減少水流沖刷護坡造成的損害。具體是將現狀干砌石護坡拆除，采取符合規范的塊狀石料布置M 10漿砌石護坡，注意漿砌石布置方向需沿壩坡布置，豎向分隔距離5 m。此種方法可將非主導風向段和次主導風向段護坡厚度改至0.17 m，主導風向段護坡厚度降低至0.22 m。

3.3 漿砌石護坡加糙方案（方案3）

經計算加糙后主導風向邊坡1∶2.25壩段計算壩頂高程17.63 m，主導風向邊坡1∶2.5壩段計算壩頂高程17.43 m，兩者較現狀高程都相對較低，現狀為18.24 m。參考方案2所述拆除干砌石，重建漿砌石，但間距按照2.5 m砌筑0.2 m厚條石，條石高出坡面0.2 m以加糙消浪。計算后可知按照此方案設計后主導風向、次主導風向和非主導風向與方案2實施后結果相一致。

經過比較分析，上述三種方案均能有效滿足大壩護坡厚度要求。方案1優點是無需進行拆除工程，直接在原有大壩護坡上施工，工序較少，施工簡潔，工期較短，能有效避免長時間施工造成的水庫安全事故發生。此方案單位造價預估為108元/m2，K△為0.9。方案2需要先對護坡石進行拆除，然后再進行漿砌，該方案的優點是在除主風向壩段外，基本滿足大壩計算壩頂高程的要求，此方案可就地取材，節省投資（約為54元/m2），但施工難度大，工期長。方案3需要先對護坡石進行拆除，然后再進行漿砌，并砌筑條石消浪坎加糙，該方案的優點是在主風向壩段，基本滿足大壩計算壩頂高程的要求，不需對壩頂進行改建，工程投資少（65元/m2）。以上方案優缺點分析考慮問題比較綜合，通過比選，在非主導風向段高程介于9.5 m~13.5 m采用現澆鋼筋混凝土擋板作為護坡（方案1），以此縮短項目工期[5]；高程介于13.5 m~17.24 m之間的壩段包含次主導風向段和非主導風向段中的13+900~14+227、1+350~3+000、6+050~7+648和7+648~10+100，采用漿砌石護坡加固設計（方案2）；在主導風向（10+100~12+765、12+765～13+900、3+000～6+050）采用漿砌石護坡加糙方案（方案3）。

4 結論

在滿足大壩改造加固厚度的前提條件下，方案1在大壩護坡上直接施工，施工便利，工期短，利于水庫低水位時護坡加固縮短工期。方案2施工有一定施工難度但是能有效利用周圍石料，節約改造成本（約54元/m2）。方案3省去了壩頂改建工序，減輕施工負擔的同時為其他標段爭取了寶貴資源。對待年久失修的水庫大壩護坡工程，必須強有力地執行加固改造，從而有效避免一些不確定因素帶來的災害。此外，隨著城市建設和社會經濟發展，城市水源面臨著嚴重威脅,棘洪灘水庫改造的順利進行可以為城市飲水保障做出有效提升和幫助。