楊 帆

（運城市水利勘測設計研究院 山西運城044000）

0 引言

水庫除險加固改造過程中，由于病險水庫建設年代久遠，受到當時經(jīng)濟技術條件限制，往往很多結構的設計已不能滿足現(xiàn)階段的安全運行要求，其中沖沙洞的改造往往成為水庫除險加固改造中的難點。

山西省運城市鹽湖區(qū)磨河水庫除險加固工程中，沖沙洞的改造采用鋼筋砼挑梁設計方案，設計過程中，經(jīng)過多方面論證，實踐中已經(jīng)安全運行多年，證明該方案具有投資小、施工難度小、安全程度高等優(yōu)點。以下針對方案的設計進行了分析和總結。

1 工程概況

磨河水庫始建于1970年，是一座以防洪為主、兼顧灌溉的?。?）型水庫。水庫樞紐工程由大壩、沖沙洞和放水涵洞三部分組成，大壩為漿砌石結構。

水庫除險加固工程于2012年實施，主要內(nèi)容包括:

1）對大壩下游壩坡進行加厚；

2）對壩體進行帷幕灌漿；

3）對沖沙洞進行改造；

4）更新放水涵洞鋼管及閘閥；

5）管理房、道路改造，增加觀測設施。

大壩結構見圖1、圖2。

沖沙洞位于大壩0+038 處，進口為城門洞型，寬1.4 m，高2.1 m，進口位于于上游壩腳位置，設閘墩及閘門槽，無閘門，采用木板封死，閘墩為鋼筋砼結構，閘門槽距上游壩面1.2 m。

沖沙洞改造工程在進口設鋼板閘門，閘門槽后洞頂以上采用鋼筋砼封堵，閘門尺寸為1.2 m×1.2 m。因下游壩體培厚，沖沙洞需延長。

沖沙洞改造難點在于控制設備的安裝，壩頂至沖沙洞底板高差24.10 m，上游壩坡1∶0.1，原沖沙洞截面尺寸較小，控制設備的安裝受到限制，同時，深孔閘門啟閉力較大，對結構強度有一定要求。

圖1 大壩溢流段立視圖

圖2 大壩剖視圖

2 沖沙洞啟閉設施結構的方案選擇

沖沙洞的改造是工程中的難點，對此進行了詳細分析，并且提出以下詳細的設計方案進行研究比較。

2.1 洞內(nèi)控制

采用鋼管沖沙，并在洞內(nèi)設置球閥進行控制，縮小了過流截面尺寸，因為需要提供人員進出啟閉機室的通道，所以擴大了涵洞尺寸。運行管理方面存在風險，受壩體內(nèi)空間限制，需要采用價格昂貴的控制球閥，見圖3。

圖3 洞內(nèi)控制方案簡圖

2.2 鋼筋砼閘墩

沖沙洞進口處設置閘室，鋼筋砼閘墩需修建至壩頂高程，且由于水庫上游壩坡為1∶0.1，為避免閘墩結構為上寬下窄，需在上游壩面開槽，為保證閘墩穩(wěn)定，需與上游壩體錨固，對原壩體損傷較大。同時對基礎強度要求較高，見圖4。

圖4 鋼筋砼閘墩方案簡圖

2.3 鋼結構支撐

與鋼筋砼閘墩方案類似，采用鋼結構由下至上支撐，成本高，鋼結構需要防腐，需與壩體錨固，對基礎要求較高。

2.4 鋼筋砼挑梁

沖沙洞進口處設閘室，為了安裝啟閉機，在壩體上部挑梁，挑梁截面為變截面矩形，挑梁根部伸入壩體內(nèi)；挑梁上部設兩道支承墻；墻上部設有工作平臺；挑梁、支承墻及工作平臺均為現(xiàn)澆C25 鋼筋砼結構。詳見圖5。

圖5 鋼筋砼挑梁方案簡圖

2.5 方案的比選

綜合考慮經(jīng)濟、技術條件、施工難度及安全性、實用性等多方面因素，將多種方案進行比選，最終選擇了鋼筋砼挑梁設計方案。方案對比分析見表1。

表1 方案對比分析表

3 挑梁結構分析

沖沙洞改造工程方案為:在壩體0+038 處設兩根挑梁，挑梁中心間距為0.95 m，挑梁截面為變截面矩形，長2.5 m，寬0.45 m，高0.5～1.0 m，挑梁根部伸入壩體內(nèi)；挑梁上部設兩道支承墻，墻長2.5 m，寬0.45 m，高1.58 m；墻上部設有工作平臺，平臺頂面高程為+25 m（與非溢流段壩頂齊平），寬2.5 m，長3.0 m；挑梁、支承墻及工作平臺均為現(xiàn)澆C25 鋼筋砼結構。同時在沖沙洞進口處設置閘室。詳細結構見圖6、圖7。

圖6 結構剖面圖1

圖7 結構剖面圖2

剖面圖針對改造方案的結構性能，從基礎、荷載及抗傾三個方面進行詳細分析，以確保結構安全。

3.1 基礎

該方案施工方便，不需要與上游壩體進行錨固，對基礎要求低。沖沙洞進口位于上游壩腳處，大壩基礎為混合花剛片麻巖，微風化，當初建壩時已開挖至新鮮基巖面，壩基滲透小，巖性堅硬，不存在軟弱結構面。工程實施過程中，上游洞口處淤積清理后，露出的基巖完整性好，質地堅硬，在沖沙洞進口設置閘門或修建其他建筑物是可行的。

3.2 荷載及配筋

挑梁上承受的荷載有自重（梁自重、支承墻自重、工作平臺自重、啟閉機自重）、人群荷載、啟門力。

挑梁簡化為懸臂結構，一端固定于壩體內(nèi)。通過荷載及內(nèi)力的計算考慮梁內(nèi)鋼筋。在配置鋼筋時應額外注意配置抗剪鋼筋，

3.3 抗傾

在開啟閘門時挑梁上產(chǎn)生傾覆力矩，通過對閘門啟閉力的計算，在梁末端給予一定的配重，在壩體內(nèi)埋設砼產(chǎn)生抗傾力矩。為了保證設備安全運行，抗傾力矩應較傾覆力矩大，而且應有一定的富余量。

4 結語

本工程綜合考慮經(jīng)濟、技術條件、施工難度及安全性、實用性等多方面因素，將多種方案進行比選，選擇了鋼筋砼挑梁設計方案。

鋼筋砼挑梁設計方案具有工程量小，投資少，施工難度小，對壩體的破壞程度最小，對基礎強度要求低，安全易于保障等優(yōu)點。

水庫除險加固于施工已完成，改造后的沖沙洞滿足水庫的功能要求，現(xiàn)運行良好，經(jīng)受住了多年運行的考驗，在實踐中驗證了結構的安全性及可靠性。

水庫除險加固工程中，由于病險水庫建設年代久遠，建設時期經(jīng)濟技術水平落后，多年運行致使設施、設備老化嚴重。沖沙洞由于其功能的特殊性，通常為深孔布置，控制設施承受水頭高，往往成為改造工程中的難點。針對剛性壩體的沖沙洞改造，鋼筋砼挑梁具有良好的安全性、可靠性以及廣泛的適應性。