過水土壩的除險加固設計

劉凱

（湘西自治州水利水電勘測設計研究院　　吉首市　416000）

過水土壩的除險加固設計

劉凱

（湘西自治州水利水電勘測設計研究院吉首市416000）

過水土壩是較為少見的一種土壩型式，我國大多在20世紀60年代興建，運行多年后或多或少有險情出現。獅子庵水庫是全國單寬流量最大的一座過水土壩，進行除險加固處理險情后，到目前一直運行正常，對于其他過水土壩的除險加固設計有一定的借鑒作用；同時在設計中選取常規設置溢洪道的壩址較難、投資較大的情況下，也可以獅子庵水庫工程為借鑒，設計新的溢洪方式———土石壩壩身過水溢洪。

過水土壩除險加固溢洪單寬流量

引言

過水土壩為土壩中較為少見的一種壩型，我國在20世紀50年代末至80年代先后建起了多座各種護面型式的過水土壩，目前仍在運行、有數據資料的全國約30多座，部分過水土壩經過安全鑒定后，或進行了除險加固，或被改建成非過水壩。

散粒體結構是不允許過水的，因此土壩過水就要采取必要的保護措施，護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大壩除險加固前屬于漿砌條石護面，2006年除險加固后為鋼筋混凝土護面。

1 工程概況

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

壩址處控制流域面積640km2，干流長度62.2 km，平均坡降10.9‰，多年平均徑流量54400萬m3。水庫總庫容825萬m3。

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

根據《防洪標準》（GB50201-2014）規定，該工程為四等工程，小（I）型水庫，其主要水工建筑物為四級，次要建筑物為五級。本工程防洪標準確定為設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為300年一遇。

2 大壩存在的主要問題

（1）經過長期水流沖刷，水土壩條石護面表層風化剝蝕嚴重，局部出現開裂破損。

（2）原大壩為挑流消能，因大壩挑流鼻坎較低，在設計和校核洪水時均被淹沒，起不到挑流作用，反而在坎下產生迥旋水流和負壓；在小流量溢流時，對壩腳產生沖刷，形成沖刷坑。

3 過水土壩護面設計

依據獅子庵水庫《大壩安全論證報告》及《大壩安全鑒定報告書》的結論，過水土壩的護面風化剝蝕嚴重，需要加固處理。

獅子庵水庫的校核工況下泄單寬流量大于25 m3/s，因此設計采用鋼筋混凝土護面。在原條石護面上加厚0.4m鋼筋混凝土，強度等級為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。新舊護面之間用錨筋連接，條石表面作鑿毛清理。護面分塊為5m×5m。

3.1護面穩定分析

任取護面的一結構塊作為計算單元，并取單寬1m長5m作穩定分析。護面的計算厚度取混凝土及條石的總厚度0.8m。

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

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

（4）水重：P；

（5）脈動壓力：其方向隨時間交替變化。穩定計算時，取負值（方向向上），其大小按下式計算；△P=

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

3.2護面穩定分析的計算簡圖（圖1）

圖1　護面穩定分析的計算簡圖

表1為護面穩定分析計算表。

安全系數均大于規范要求。

3.3護面的細部結構

因護面上是高速水流，取護面混凝土強度選C25。護面配筋按構造要求配溫度筋，采用表面單層布筋，直徑12mm，間距200mm，二級螺紋綱筋。

表1　護面穩定分析計算表　kN

護面分塊長度為5m×5m，邊緣塊長度可適當增減。分縫的塊與塊之間用連接鋼筋連接，選用直徑16mm，間距500mm，二級縲紋綱筋，布置于護面的中間。縫內填瀝青杉板，并設置橡膠止水帶止水。

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

4 消能設施除險加固設計

原大壩為挑流消能，依據大壩安全鑒定的結論，建議改挑流消能為底流消能，并增加護坦，對河床進行保護。消能設施按20年一遇的洪水設計。上游水位201.84m，相應下游水位196.84m，下泄流量1417 m3/s。

4.1水力計算

按矩形斷面渠槽的水躍公式計算。

表2為收縮水深計算成果表。

表2　收縮水深計算成果表

（2）躍后水深：

表3為躍后水深計算成果表。

（3）水躍長度。

為減少水躍長度，減少護坦工程量，在反弧段設置趾墩，趾墩高度1.2m≈hc=1.163m，寬度1.2m，間距1.2m。參照《水力計算手冊》第218頁中的試驗結果，由于趾墩的存在，使收縮水深變為hc1，由下式聯立可解出。

表3　躍后水深計算成果表

上式聯立解得hc1=2.4194m，Frc1=1.369

水躍長度L=9.5×（Frc1-1）×hc1=8.48m

因此取護坦長度為8.5m。

4.2護坦結構尺寸的確定

采用C25的混凝土澆筑，通過抗浮穩定計算厚度為0.6m，并采用錨筋把護坦與基巖錨固，通過計算后可得出：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。護坦配筋按構造配筋，采用表面單層布筋，直徑12mm二級鋼筋，間距20cm。

4.3護坦的分塊及排水

護坦的分塊8.5m×12m，邊緣塊的長度可適當增減。分縫的塊與塊之間用鋼筋連接，選用直徑16mm，間距500mm，二級螺紋鋼，布置于護坦板厚的中間。縫內填瀝青杉板，并用塑料止水帶止水。

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

圖2為溢流壩及護坦剖面圖。

圖2　溢流壩及護坦剖面圖（1∶100）

5 過水土壩除險加固設計要點

（1）我國過水土壩大部分都修建于20世紀60～70年代，至今運行了多年，相對而言當年的設計標準和施工水平都不高，大壩結構或多或少都存在問題。在除險加固設計中應認真分析其存在的問題和原因，找準切入點。

（2）對于護面形式的選擇，應根據當地材料情況和施工水平進行認真比選。過水壩坡應嚴格控制坡比，坡比應大于1∶2，防止產生負壓，。過水坡面受高速水流的影響，容易產生破壞，由已建工程資料得知當流速大于7.5m/s時，漿砌石坡面易產生破壞。新增護面與原護面應采用有效的錨固措施，阻止面板下滑失穩。由于護面在水流與自重的作用下有下滑的趨勢，如果沒有有效的抗滑措施，護面與壩體易脫離，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，在設計和校核洪水時均被淹沒，起不到挑流作用，反而在坎下產生迥旋水流和負壓；在小流量溢流時，對壩腳產生沖刷，形成沖刷坑。因此不宜采用挑流消能，宜采用底流消能，并通過設置消能墩等措施減少消能工的長度，優化設計。

（4）為協調好新老護面的變形，避免產生裂縫，應注意護面的分塊分縫，并做好止水處理。

6 結　語

獅子庵水庫的過水土壩1960年建成，2005年完成除險加固，在校核工況下泄單寬流量大于25 m3/s，至今已安全運行了50多年，對過水土壩的設計有一定的借鑒和參考價值。

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

在山區河流上進行施工導流時，由于河道狹窄，洪水期枯水期水位變化幅度很大，選擇過水土壩進行圍堰的方式也是一種經濟安全的導流方式。

在選取常規設置溢洪道的壩址較難、投資較大的情況下，怎么去優化工程設計，需要我們設計人員突破固有設計思維的約束，大膽想象，小心求證，以科研成果為依托，以已建工程為借鑒，設計新的溢洪方式——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計與施工［J］.人民長江，1989，（03）；39-47.

劉凱（1980-），男，工程碩士，高級工程師，主要從事水利水電工程設計工作，手機：18229525656。

（2016-08-02）