劉金巖，蘇道峰

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 工程概況

慶豐水庫位于蛟河市天北鎮(zhèn)境內(nèi),屬于二松水系，位于團(tuán)山河上游，壩址以上控制流域面積為68.8 km2。慶豐水庫除險(xiǎn)加固之后總庫容為1036×104m3，是以灌溉為主結(jié)合防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的中型水庫。水庫主要建筑物由大壩、溢洪道、輸水洞構(gòu)成，工程等級(jí)為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇。因大壩上游原有干砌石護(hù)坡年久失修，加之凍融淘刷破壞，護(hù)坡?lián)p毀十分嚴(yán)重。故此次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)將上游原有干砌塊石護(hù)坡全部拆除后重新進(jìn)行護(hù)砌。經(jīng)對(duì)干砌石護(hù)坡與干砌石護(hù)坡附加混凝土梁格兩種設(shè)計(jì)方案計(jì)算比較后，大壩上游護(hù)坡最終選定采取干砌石護(hù)坡附加混凝土梁格的設(shè)計(jì)加固處理措施。

2 計(jì)算比較分析

慶豐水庫大壩為粘土心墻壩，壩頂高程為328.00 m，壩頂長(zhǎng)510 m。壩頂寬5.0 m，最大壩高20.7 m。上游壩坡于高程319.17 m處設(shè)置一級(jí)馬道，寬 1.5 m，馬道以上壩坡 1∶2.8，以下壩坡 1∶3.0。

2.1 浪壓力情況計(jì)算

根據(jù)SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，砌石護(hù)坡在最大局部波浪壓力作用下所需的換算球形直徑和質(zhì)量、平均粒徑、平均質(zhì)量和厚度計(jì)算公式：

式中：D——石塊的換算球形直徑，m；D50——石塊的平均粒徑，m；Q——石塊的質(zhì)量，kN；Q50——石塊的平均質(zhì)量，kN；t—— 護(hù)坡厚度，m；m——護(hù)坡坡率，2.8；Kt——隨坡率變化的系數(shù)，取Kt=1.40；ρk——塊石密度，取2.5×103kN/m3；ρw——水密度，取 1.0×103kN/m3；hp—累計(jì)頻率為 5%的波高，m。

經(jīng)計(jì)算，干砌石護(hù)坡厚度在浪壓力作用下計(jì)算所需的護(hù)坡厚度為0.236 m。

2.2 冰推力情況計(jì)算

根據(jù)《土壩設(shè)計(jì)·上冊(cè)》在冰推力作用下干砌石護(hù)坡穩(wěn)定計(jì)算公式：

式中：K——穩(wěn)定安全系數(shù)；γk——石塊的容重，2.5×103kN/m3；t——護(hù)坡厚度，m；m——護(hù)坡坡率,2.8；H——冰層以上護(hù)坡高度，m；δ——冰層厚度，m；f——護(hù)坡與墊層間摩擦系數(shù)，0.7；T——靜冰壓力，t/m，采用DL5077-1997《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》表13.1.1中數(shù)值。

在滿足干砌塊石護(hù)坡穩(wěn)定安全系數(shù)[K]=1.0的條件下，且假設(shè)水庫冬季于正常高水位325.70 m處結(jié)冰工況時(shí)對(duì)應(yīng)不同結(jié)冰冰層厚度，計(jì)算所需干砌石護(hù)坡厚度結(jié)果見表1。

表1 干砌石護(hù)坡厚度計(jì)算結(jié)果表

2.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

通過以上分別對(duì)浪壓力及冰推力兩種情況下計(jì)算所得的干砌石護(hù)坡厚度結(jié)果可知，在我國北方寒冷地區(qū)干砌石護(hù)坡厚度多數(shù)為冰推力情況控制，且計(jì)算所需厚度過大，若依然采取普通干砌石護(hù)坡設(shè)計(jì)必然導(dǎo)致工程造價(jià)較高，且選料和施工方面亦具有極大難度。而在北方寒冷地區(qū)水庫冬季普遍結(jié)冰冰層厚度多年實(shí)測(cè)均不低于0.75 m，所以為減小干砌石護(hù)坡厚度，設(shè)計(jì)時(shí)可采用附加混凝土梁格的工程措施。

3 干砌石護(hù)坡附加混凝土梁格設(shè)計(jì)

為便于施工附加混凝土梁格可布置成正交網(wǎng)格。混凝土梁格由頂梁、底梁和中間豎向聯(lián)系梁組成。原則上頂梁應(yīng)布置在水庫冬季結(jié)冰水位以上，即略高于正常高水位處。底梁的位置及中間豎向聯(lián)系梁的間距需經(jīng)過結(jié)構(gòu)計(jì)算來確定。

3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算模型

如果將附加混凝土梁格及其內(nèi)部的塊石作為一整體考慮，在冰推力作用下由于該整體將會(huì)產(chǎn)生一順坡向下的抵抗力G（自重和摩擦力產(chǎn)生的）。增設(shè)附加混凝土梁格工程設(shè)計(jì)后，在冰推力作用下力的傳遞過程改變?nèi)缦拢罕屏Α喜拷咏斄旱膲K石→頂梁→中間豎向聯(lián)系梁→底梁→梁格內(nèi)塊石，最終該整體達(dá)到抵抗冰推力破壞而保持穩(wěn)定。當(dāng)順坡向上冰推力的分力F1小于抵抗力G時(shí)，該整體保持穩(wěn)定不動(dòng)。計(jì)算模型示意圖見圖1。依據(jù)此理論在冰推力作用下干砌石護(hù)坡穩(wěn)定計(jì)算公式為：

式中：G——計(jì)入冰層abc重量的護(hù)坡單寬重量，kN；F——冰推力，kN/m；θ——護(hù)坡面與水平線的交角；f——護(hù)坡與墊層間的摩擦系數(shù)。

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

式中：γk′——塊石浮容重,kN/m3；m——上游壩坡坡度；γb——冰容重，kN/m3；z——冰厚度，m；H1，H2——冰上、冰下護(hù)坡高度，m。

圖1 干砌石護(hù)坡附加混凝土梁格設(shè)計(jì)計(jì)算模型

3.2 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案

綜合考慮護(hù)坡選取塊石料及施工難度等原因，大壩上游干砌石護(hù)坡厚度宜設(shè)計(jì)為0.30 m，為滿足抵抗冰推力的要求，在壩坡面上增設(shè)鋼筋混凝土梁格以確保干砌石護(hù)坡的穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算可得附加混凝土梁格的布置型式為：頂梁貼坡布置于正常高水位325.70 m以上0.5 m處；底梁布置于高程321.96 m處，兩道梁之間沿壩坡向間距為12.3 m，在兩道梁中間加設(shè)一道中梁，高程為324.08 m，以縮小梁格間距，增加干砌石護(hù)坡的穩(wěn)定，以上三道平行于大壩軸線的梁截面尺寸為30 cm×45 cm（寬×高）。在三道梁中間每隔5.0 m布置一道橫梁，截面尺寸為30 cm×45 cm（寬×高），形成梁格，梁格為5.0 m×6.0 m（寬×高）。每隔21.5 m兩個(gè)整體梁格結(jié)構(gòu)之間設(shè)置結(jié)構(gòu)縫一道。梁格內(nèi)部鋪設(shè)塊石，梁格混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25 F300。

4 結(jié)語

慶豐水庫除險(xiǎn)加固工程于2009年開工建設(shè)，2010年該工程竣工驗(yàn)收合格并交付使用。經(jīng)過實(shí)際冬季運(yùn)行，大壩上游護(hù)坡不僅結(jié)構(gòu)完整，安全穩(wěn)定，且工程造價(jià)合理，施工方便，外型美觀大方。通過蛟河市慶豐水庫除險(xiǎn)加固工程的設(shè)計(jì)案例，在北方寒冷地區(qū)土石壩上游護(hù)坡設(shè)計(jì)中推廣采用干砌石附加混凝土梁格設(shè)計(jì)為宜。

[1]于富貴，劉樹峰.土石壩上游塊石護(hù)坡混凝土梁格設(shè)計(jì)[J].東北水利水電，2004（2）.