劉凱

（湘西自治州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院　　吉首市　416000）

過水土壩的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

劉凱

（湘西自治州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院吉首市416000）

過水土壩是較為少見的一種土壩型式，我國(guó)大多在20世紀(jì)60年代興建，運(yùn)行多年后或多或少有險(xiǎn)情出現(xiàn)。獅子庵水庫(kù)是全國(guó)單寬流量最大的一座過水土壩，進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理險(xiǎn)情后，到目前一直運(yùn)行正常，對(duì)于其他過水土壩的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用；同時(shí)在設(shè)計(jì)中選取常規(guī)設(shè)置溢洪道的壩址較難、投資較大的情況下，也可以獅子庵水庫(kù)工程為借鑒，設(shè)計(jì)新的溢洪方式———土石壩壩身過水溢洪。

過水土壩除險(xiǎn)加固溢洪單寬流量

引言

過水土壩為土壩中較為少見的一種壩型，我國(guó)在20世紀(jì)50年代末至80年代先后建起了多座各種護(hù)面型式的過水土壩，目前仍在運(yùn)行、有數(shù)據(jù)資料的全國(guó)約30多座，部分過水土壩經(jīng)過安全鑒定后，或進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，或被改建成非過水壩。

散粒體結(jié)構(gòu)是不允許過水的，因此土壩過水就要采取必要的保護(hù)措施，護(hù)面型式主要有鋼筋混凝土、瀝青混凝土、漿砌塊石、灰土。本文要介紹的獅子庵水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固前屬于漿砌條石護(hù)面，2006年除險(xiǎn)加固后為鋼筋混凝土護(hù)面。

1 工程概況

獅子庵水庫(kù)位于湖南省吉首市城區(qū)西部，沅水支流峒河中游，距城區(qū)3km；大壩始建于1958年，1960年完工建成運(yùn)行，為湖南省第一座過水土壩。

壩址處控制流域面積640km2，干流長(zhǎng)度62.2 km，平均坡降10.9‰，多年平均徑流量54400萬(wàn)m3。水庫(kù)總庫(kù)容825萬(wàn)m3。

溢流壩壩型為過水土壩，壩體為心墻土壩，壩長(zhǎng)87.8m，最大壩高8m，壩底寬度44m，內(nèi)外坡比1∶2.0。堰頂高程197.8m，壩底高程189.8m。設(shè)計(jì)下泄流量1710m3/s，校核下泄流量2271m3/s，校核工況下泄單寬流量達(dá)25.866m3/s，為所有過水土壩中最大。

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014）規(guī)定，該工程為四等工程，?。↖）型水庫(kù)，其主要水工建筑物為四級(jí)，次要建筑物為五級(jí)。本工程防洪標(biāo)準(zhǔn)確定為設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。

2 大壩存在的主要問題

（1）經(jīng)過長(zhǎng)期水流沖刷，水土壩條石護(hù)面表層風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重，局部出現(xiàn)開裂破損。

（2）原大壩為挑流消能，因大壩挑流鼻坎較低，在設(shè)計(jì)和校核洪水時(shí)均被淹沒，起不到挑流作用，反而在坎下產(chǎn)生迥旋水流和負(fù)壓；在小流量溢流時(shí)，對(duì)壩腳產(chǎn)生沖刷，形成沖刷坑。

3 過水土壩護(hù)面設(shè)計(jì)

依據(jù)獅子庵水庫(kù)《大壩安全論證報(bào)告》及《大壩安全鑒定報(bào)告書》的結(jié)論，過水土壩的護(hù)面風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重，需要加固處理。

獅子庵水庫(kù)的校核工況下泄單寬流量大于25 m3/s，因此設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土護(hù)面。在原條石護(hù)面上加厚0.4m鋼筋混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為C25。堰頂部位拆除原條石，重新澆筑混凝土，保持堰頂高程不變。新舊護(hù)面之間用錨筋連接，條石表面作鑿毛清理。護(hù)面分塊為5m×5m。

3.1護(hù)面穩(wěn)定分析

任取護(hù)面的一結(jié)構(gòu)塊作為計(jì)算單元，并取單寬1m長(zhǎng)5m作穩(wěn)定分析。護(hù)面的計(jì)算厚度取混凝土及條石的總厚度0.8m。

主要受力情況及計(jì)算公式如下：（1）自重G：混凝土與條石護(hù)面的容重取值24kN/m3；（2）拖曳力：水流作用于護(hù)面上，向下游方向的牽引力，T=γ水RJ；

（3）護(hù)面下的揚(yáng)壓力：它由滲透壓力和浮托力所組成。因護(hù)面下面有排水，不計(jì)浮力，滲透壓力計(jì)30%；

（4）水重：P；

（5）脈動(dòng)壓力：其方向隨時(shí)間交替變化。穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，取負(fù)值（方向向上），其大小按下式計(jì)算；△P=

（6）沿護(hù)面底部的摩擦阻力，按下式計(jì)算；F=（P+Gcosθ-U-△P）·f；

3.2護(hù)面穩(wěn)定分析的計(jì)算簡(jiǎn)圖（圖1）

圖1　護(hù)面穩(wěn)定分析的計(jì)算簡(jiǎn)圖

表1為護(hù)面穩(wěn)定分析計(jì)算表。

安全系數(shù)均大于規(guī)范要求。

3.3護(hù)面的細(xì)部結(jié)構(gòu)

因護(hù)面上是高速水流，取護(hù)面混凝土強(qiáng)度選C25。護(hù)面配筋按構(gòu)造要求配溫度筋，采用表面單層布筋，直徑12mm，間距200mm，二級(jí)螺紋綱筋。

表1　護(hù)面穩(wěn)定分析計(jì)算表　kN

護(hù)面分塊長(zhǎng)度為5m×5m，邊緣塊長(zhǎng)度可適當(dāng)增減。分縫的塊與塊之間用連接鋼筋連接，選用直徑16mm，間距500mm，二級(jí)縲紋綱筋，布置于護(hù)面的中間。縫內(nèi)填瀝青杉板，并設(shè)置橡膠止水帶止水。

混凝土護(hù)面與原條石護(hù)面之間的錨筋采用直徑18mm，二級(jí)縲紋綱筋，深入條石250mm，兼與混凝土護(hù)面鋼筋網(wǎng)焊接，錨筋間距3.0m，梅花狀布置。

4 消能設(shè)施除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

原大壩為挑流消能，依據(jù)大壩安全鑒定的結(jié)論，建議改挑流消能為底流消能，并增加護(hù)坦，對(duì)河床進(jìn)行保護(hù)。消能設(shè)施按20年一遇的洪水設(shè)計(jì)。上游水位201.84m，相應(yīng)下游水位196.84m，下泄流量1417 m3/s。

4.1水力計(jì)算

按矩形斷面渠槽的水躍公式計(jì)算。

表2為收縮水深計(jì)算成果表。

表2　收縮水深計(jì)算成果表

（2）躍后水深：

表3為躍后水深計(jì)算成果表。

（3）水躍長(zhǎng)度。

為減少水躍長(zhǎng)度，減少護(hù)坦工程量，在反弧段設(shè)置趾墩，趾墩高度1.2m≈hc=1.163m，寬度1.2m，間距1.2m。參照《水力計(jì)算手冊(cè)》第218頁(yè)中的試驗(yàn)結(jié)果，由于趾墩的存在，使收縮水深變?yōu)閔c1，由下式聯(lián)立可解出。

表3　躍后水深計(jì)算成果表

上式聯(lián)立解得hc1=2.4194m，F(xiàn)rc1=1.369

水躍長(zhǎng)度L=9.5×（Frc1-1）×hc1=8.48m

因此取護(hù)坦長(zhǎng)度為8.5m。

4.2護(hù)坦結(jié)構(gòu)尺寸的確定

采用C25的混凝土澆筑，通過抗浮穩(wěn)定計(jì)算厚度為0.6m，并采用錨筋把護(hù)坦與基巖錨固，通過計(jì)算后可得出：錨筋直徑為Φ22，錨筋間距為1.5m，錨筋錨入基巖的總深度為3.2m。護(hù)坦配筋按構(gòu)造配筋，采用表面單層布筋，直徑12mm二級(jí)鋼筋，間距20cm。

4.3護(hù)坦的分塊及排水

護(hù)坦的分塊8.5m×12m，邊緣塊的長(zhǎng)度可適當(dāng)增減。分縫的塊與塊之間用鋼筋連接，選用直徑16mm，間距500mm，二級(jí)螺紋鋼，布置于護(hù)坦板厚的中間?？p內(nèi)填瀝青杉板，并用塑料止水帶止水。

護(hù)坦底部的巖基布置20cm×20cm的排水溝，縱橫間距均為4m，溝中填直徑（20～40）mm的卵石，溝上蓋預(yù)制混凝土薄板，混凝土澆筑前用水泥砂漿封好，防止施工時(shí)水泥砂漿注入溝內(nèi)，堵塞排水溝。在溝的交叉處，設(shè)直徑80mm塑料管，排水到護(hù)坦表面，管內(nèi)填直徑（20～40）mm的卵石。

圖2為溢流壩及護(hù)坦剖面圖。

圖2　溢流壩及護(hù)坦剖面圖（1∶100）

5 過水土壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）我國(guó)過水土壩大部分都修建于20世紀(jì)60～70年代，至今運(yùn)行了多年，相對(duì)而言當(dāng)年的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工水平都不高，大壩結(jié)構(gòu)或多或少都存在問題。在除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中應(yīng)認(rèn)真分析其存在的問題和原因，找準(zhǔn)切入點(diǎn)。

（2）對(duì)于護(hù)面形式的選擇，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧锨闆r和施工水平進(jìn)行認(rèn)真比選。過水壩坡應(yīng)嚴(yán)格控制坡比，坡比應(yīng)大于1∶2，防止產(chǎn)生負(fù)壓，。過水坡面受高速水流的影響，容易產(chǎn)生破壞，由已建工程資料得知當(dāng)流速大于7.5m/s時(shí)，漿砌石坡面易產(chǎn)生破壞。新增護(hù)面與原護(hù)面應(yīng)采用有效的錨固措施，阻止面板下滑失穩(wěn)。由于護(hù)面在水流與自重的作用下有下滑的趨勢(shì)，如果沒有有效的抗滑措施，護(hù)面與壩體易脫離，致使大壩失事

（3）過水土壩壩高一般不高，大壩挑流鼻坎較低，在設(shè)計(jì)和校核洪水時(shí)均被淹沒，起不到挑流作用，反而在坎下產(chǎn)生迥旋水流和負(fù)壓；在小流量溢流時(shí)，對(duì)壩腳產(chǎn)生沖刷，形成沖刷坑。因此不宜采用挑流消能，宜采用底流消能，并通過設(shè)置消能墩等措施減少消能工的長(zhǎng)度，優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（4）為協(xié)調(diào)好新老護(hù)面的變形，避免產(chǎn)生裂縫，應(yīng)注意護(hù)面的分塊分縫，并做好止水處理。

6 結(jié)　語(yǔ)

獅子庵水庫(kù)的過水土壩1960年建成，2005年完成除險(xiǎn)加固，在校核工況下泄單寬流量大于25 m3/s，至今已安全運(yùn)行了50多年，對(duì)過水土壩的設(shè)計(jì)有一定的借鑒和參考價(jià)值。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維認(rèn)為土壩壩身不能過水，必須另外設(shè)置溢洪道如岸邊式溢洪道、泄洪隧洞等設(shè)施解決泄洪問題；但常規(guī)的溢洪道布置方式不僅投資大幅增加，更為關(guān)鍵的是溢洪道選址較難。當(dāng)狹窄河谷中的土壩樞紐修建溢洪道有困難和投資較大時(shí)，采用過水土壩有明顯的優(yōu)越性。對(duì)于已建成的中小型土壩樞紐及塘壩，當(dāng)泄洪能力不夠而需要增加泄洪設(shè)施時(shí)，采用過水土壩同樣是一種安全措施。

在山區(qū)河流上進(jìn)行施工導(dǎo)流時(shí)，由于河道狹窄，洪水期枯水期水位變化幅度很大，選擇過水土壩進(jìn)行圍堰的方式也是一種經(jīng)濟(jì)安全的導(dǎo)流方式。

在選取常規(guī)設(shè)置溢洪道的壩址較難、投資較大的情況下，怎么去優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，需要我們?cè)O(shè)計(jì)人員突破固有設(shè)計(jì)思維的約束，大膽想象，小心求證，以科研成果為依托，以已建工程為借鑒，設(shè)計(jì)新的溢洪方式——土石壩壩身過水溢洪。

參考資料

［1］李先炳、胡昌順.獅子庵過水土壩的設(shè)計(jì)與施工［J］.人民長(zhǎng)江，1989，（03）；39-47.

劉凱（1980-），男，工程碩士，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作，手機(jī)：18229525656。

（2016-08-02）