孫 勇

(遼寧省桓仁縣水務局，遼寧 桓仁 117200)

1 工程概況

拐磨子灌區(qū)始建于1958年，位于桓仁縣古城鎮(zhèn)，全鎮(zhèn)轄12個行政村，鎮(zhèn)域總面積317km2，耕地面積5.30萬畝。設計灌溉面積2.6萬畝，有效灌溉面積2.4萬畝。由于缺少長期穩(wěn)定的后期資金投入和系統(tǒng)有效的管理措施，部分灌區(qū)出現(xiàn)“水不能引，渠不能排，路不能通”等情況，亟待對灌區(qū)渠道、引水工程進行改造，有效提高灌區(qū)水土資源利用率和灌區(qū)運營經(jīng)濟效益[1]。

紅旗一壩攔河壩為灌區(qū)改造兩處引水工程中的一處,位于古城鎮(zhèn)古城子村富爾江上，是一座以灌溉為主兼顧發(fā)電的攔河建筑物。建成以來遭到1995年、1998年、2010年三次洪水破壞，經(jīng)洪水沖刷及人工淘沙影響，河床下切，壩體破損。針對紅旗一壩攔河壩存在的壩體混凝土剝蝕脫落、鋼筋外露、金屬結(jié)構(gòu)沖毀、翼墻漿砌石脫落和無消能防沖設施等問題,將根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，結(jié)合選擇的開敞式自由溢流堰(克-奧型實用堰)方案，對大壩樞紐布置、壩體結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)等進行詳細計算分析，優(yōu)選技術(shù)、經(jīng)濟均較合理的設計方案。

2 攔河壩現(xiàn)狀及工程地質(zhì)條件分析

2.1 攔河壩現(xiàn)狀及安全鑒定

紅旗一壩攔河壩主要由進水閘、沖砂閘、攔河壩段、溢流壩段組成。攔河壩現(xiàn)存主要問題包括：?溢流壩壩體破損嚴重，遍布裂縫。壩體混凝土剝蝕、脫落嚴重，多處內(nèi)部鋼筋露出；?沖砂閘及引水閘閘墩出現(xiàn)明顯裂縫，閘門已被完全沖毀[2]；?攔河壩及沖砂閘下游無任何消能防沖設施，致使下游壩根被掏空；?上下游漿砌石翼墻均出現(xiàn)較明顯斷裂橫縫，局部砌石脫落。攔河壩現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 紅旗一壩攔河壩現(xiàn)狀

2012年4月經(jīng)水利部松遼水利委員會水利基本建設工程質(zhì)量檢測中心對紅旗一壩攔河壩進行安全鑒定，結(jié)論為主體工程構(gòu)件損壞嚴重，甚至損毀，工程運行指標無法達到設計標準，工程運行存在巨大安全隱患，建議報廢重建。

2.2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件及評價

紅旗一壩攔河壩工程區(qū)地勢東高西低。階地地形平坦，微向河谷傾斜，上覆為砂、礫石，下伏基巖為安山巖。階地與漫灘間以3～5m高陡坎接壤，漫灘由砂、礫石組成，地表形態(tài)較平緩。壩址區(qū)出露的巖性單一。河床及灘漫為漂石砂卵礫石層。下伏基巖為安山巖。 第①層：砂、礫石，雜色～灰白色，以圓礫和中粗砂為主，層厚1.8～2.4m。粒徑大于2mm的顆粒含量占41.3%左右，含少量卵石，占7.5%左右，礫石含量占33.8%左右，磨圓度一般～較好。第②層：安山巖，灰褐色，細粒斑雜結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，屬中風化巖，巖芯呈短柱狀。據(jù)地表觀測和鉆探揭露，全風化厚僅0.6m左右，層面埋深普遍為2.7～2.9m。

壩址區(qū)揭露地層簡單，無軟弱夾層等不利結(jié)構(gòu)面存在，閘基無抗滑穩(wěn)定問題；①層及下伏基巖全風化及弱風化砂巖承載力較高，能滿足地基穩(wěn)定要求；①層屬強透水層，建議基坑開挖實施防滲處理，綜合邊坡開挖建議值為1∶1.5；①層滲透破壞類型為管涌型，臨界水力坡降及允許水力坡降建議值分別為0.15、0.09；地震基本烈度為小于VI度區(qū)，地基土無地震液化問題；攔河壩運行多年，無庫區(qū)滲漏、塌岸及浸沒等工程地質(zhì)問題；工程區(qū)域及附近無較大構(gòu)造通過，工程穩(wěn)定不受構(gòu)造影響。

3 攔河壩壩型選擇及首部樞紐布置

紅旗一壩攔河壩位于桓仁縣富爾江干流上，引水灌溉面積為3650畝，總庫容小于10萬m3，設計引水流量0.77m3/s，根據(jù)《防洪標準》(GB 50201—2014)和《灌溉與排水工程設計規(guī)范》(GB 50288—1999)相關(guān)規(guī)定[3]，確定紅旗一壩攔河壩工程等級為Ⅴ級，相應建筑物級別為5級，設計洪水標準為10年一遇洪水標準，洪峰流量，QP=10%=1587.6m3/s；校核洪水標準為20年一遇，洪峰流量QP=5%=2273.9m3/s。

3.1 攔河壩型式選擇

根據(jù)地形地質(zhì)條件、河道走向及河谷現(xiàn)狀等實際情況，確定設計攔河壩壩址為原壩址處。攔河壩壩軸線控制點坐標：左岸X=93889.766，Y=51597.691；右岸X=93801.155，Y=51721.436。壩址區(qū)河道斷面較寬，地形平緩，擋水水頭較低。設計優(yōu)選攔河閘(攔河閘總寬145m，共設29孔，單孔凈寬5.00m)、開敞式自由溢流壩(溢流壩為克-奧型實用堰，凈寬146m)和橡膠壩(橡膠壩長150m，10跨，單跨15m)三個方案進行比選，見表1。

從表1可以看出，設計推薦采用的開敞式自由溢流堰(克-奧型實用堰)方案，其在環(huán)保性能、安全性能、制造養(yǎng)護、實用壽命和總投資成本均較攔河閘和橡膠

表1 攔河壩型式比選

壩優(yōu)越，且該堰型泄流能力大，造型優(yōu)美，線條流場，溢流時能夠形成一定的景觀效果。

3.2 首部樞紐布置

a. 開敞式自由溢流壩結(jié)構(gòu)布置。開敞式自由溢流壩為克-奧型實用堰，堰頂高程332.50m，堰體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建基高程327.70m，坐落在基巖上，下部鋪設10cm厚素混凝土墊層。新建堰體順水流方向長4.744m，垂直水流方向溢流壩總寬146.00m，其中新建堰體過流寬度145.00m。

溢流壩下游采用半徑2.0m反弧同消力池平順銜接。消力池池深1.00m，池長18.5m，尾坎頂寬0.50m，池底板和尾坎頂高程分別為329.00m和330.00m。消力池底板厚度0.50m，下設10cm厚素混凝土墊層、0.20m碎石墊層、400g/m2土工布。底板設有排水孔，排水孔間排距2.00m。溢流壩上游回填至330.50m。

消力池下游鋪設26.5m長的賓格網(wǎng)石籠海漫，以保護洪水對消力池尾坎下齒墻的淘刷破壞。格賓石籠厚0.50m，下鋪0.20m砂礫石墊層及400g/m2無紡布。

b. 引水閘結(jié)構(gòu)布置。引水閘布置在河道右岸，與沖砂閘連接,軸線與壩軸線呈21°角，閘室采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘底板頂高程331.50m，引水閘前齒坐落在基巖上，下部鋪設10cm厚素混凝土墊層。引水閘順水流方向長9.0m，垂直水流方向總寬4.8m，共2孔，單孔凈寬1.0m，高1.0m。中墩厚1.0m，兩邊墩厚0.9m。

c. 沖砂閘結(jié)構(gòu)布置。沖砂閘緊鄰引水閘，設計為平底閘。閘室采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘底板頂高程330.50m。沖砂閘底板坐落在基巖上，下部鋪設10cm厚素混凝土墊層。沖砂閘順水流方向長9.0m，垂直水流方向總寬7.2m，共2孔，凈寬2.0m，高2.0m。中墩厚1.2m，兩邊墩厚1.0m。

4 攔河壩穩(wěn)定性分析

建筑物級別為5級，地基為砂巖。按照《水閘設計規(guī)范》(SL 265—2001)，閘室穩(wěn)定應滿足下列要求[3]：?閘室基底不出現(xiàn)拉應力；?最大基底應力不大于地基允許承載力，地基允許承載力為600kPa；?基本荷載組合情況下閘基的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應大于1.05，校核洪水情況應大于1.0。

《水閘設計規(guī)范》(SL 265—2001)中，抗滑穩(wěn)定推薦計算公式為

(1)

式中Kc——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f——摩擦系數(shù)，設計采用f=0.60； ∑G——豎向荷載，kN； ∑H——水平向荷載，kN[4]。

《水閘設計規(guī)范》(SL265—2001)中，抗滑穩(wěn)定推薦計算公式為

(2)

溢流壩、沖砂閘和引水閘的抗滑穩(wěn)定和基底應力，經(jīng)計算，結(jié)果見表2和表3。

表2 溢流壩、沖砂閘和引水閘抗滑穩(wěn)定計算成果

表3 溢流壩、沖砂閘和引水閘基底應力計算成果 單位：kPa

根據(jù)地勘資料，閘址處基巖埋深較淺，基巖面頂高程為332.70m，新建溢流壩基礎坐落在巖基上，根據(jù)《水閘設計規(guī)范》(SL 265—2016)，基底應力沒有出現(xiàn)拉應力，滿足穩(wěn)定要求。

從表2和表3抗滑穩(wěn)定和應力計算成果可知：溢流壩、沖砂閘和引水閘在正常運用(設計水位及多年平均水位)和非常運用條件下，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于《水閘設計規(guī)范》(SL 265—2016)中規(guī)定的1.05(正常運用)和1.00(非常運用)安全系數(shù)。擋水壩基底應力最大發(fā)生在施工擋水期溢流壩處，為115.28kPa，遠小于工程區(qū)地基允許承載力600kPa，且沒有出現(xiàn)拉應力，滿足穩(wěn)定要求。因此，溢流壩、沖砂閘和引水閘結(jié)構(gòu)整體設計安全、穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

拐磨子灌區(qū)紅旗一壩攔河壩除險加固工程經(jīng)地質(zhì)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、穩(wěn)定性計算等，對攔河壩整體樞紐布置和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了詳細計算分析和方案優(yōu)化，優(yōu)選技術(shù)可行、經(jīng)濟節(jié)能的開敞式自由溢流堰設計方案。除險加固工程于2015年5月開工建設，2016年12年通過遼寧省水利廳組織的專家組竣工驗收。攔河壩經(jīng)過除險加固處理后，工程設施運行良好，充分發(fā)揮了工程引水灌溉和防洪的功能。為確保擋水壩功能正常發(fā)揮，提高工程建設投資經(jīng)濟效益，在擋水壩壩型選擇、樞紐整體布置和結(jié)構(gòu)計算中進行詳細論證分析。

a. 壩址區(qū)揭露地層簡單，基巖承載力較高，地質(zhì)條件能夠滿足工程建設需求。

b. 結(jié)合壩址區(qū)地形地貌及地質(zhì)條件，開敞式自由溢流壩從技術(shù)可靠性、節(jié)能經(jīng)濟性和運行穩(wěn)定性等方面，均較攔河閘和橡膠壩優(yōu)，設計推薦采用凈寬146m克-奧型實用堰作為紅旗一壩攔河壩壩型。

c. 根據(jù)《水閘設計規(guī)范》(SL 265—2016)相關(guān)技術(shù)指標要求，對溢流壩、沖砂閘和引水閘的抗滑穩(wěn)定和基底應力進行了計算，成果表明：溢流壩、沖砂閘和引水閘在正常運用和非常運用條件下，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和基底應力均滿足規(guī)范限值要求，結(jié)構(gòu)整體設計合理。

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