洛惠渠渠首加固改造工程設計技術特點

趙 瑋

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 概況

陜西省洛惠渠引洛灌溉工程始建于1934 年，是著名水利大師李儀祉主持修建的“關中八惠”之一，洛惠渠灌區1950 年開灌受益，累計引水量達84 億m3，灌溉農田7600 萬畝·次。洛惠渠渠首位于北洛河干流下游渭南市澄城縣交道鄉狀頭村，距澄城縣城約15 km，采用低壩樞紐自流引水，由漿砌石拱形重力壩、引水渠、進水閘、退水閘四部分組成，最大壩高16.2 m，壩軸線長177.7 m，設計引水流量18 m3/s，加大引水流量22 m3/s，設計洪水標準3000 m3/s。

洛惠渠渠首樞紐運行近70 a，原設計防洪標準偏低，大壩壩體存在數十條危害性裂縫，其它主要建筑物也存在多處安全隱患。由于渠首無調蓄能力，上游用水量增加和小型水利水電工程的修建與投入使用，使得洛河徑流出現較長特枯時段和流量劇烈波動，導致渠首引水條件惡化，灌區缺水問題更趨嚴重。

洛惠渠渠首加固改造工程的任務為：以消除大壩安全隱患，保證引水樞紐安全為主，適當兼顧平抑引水流量，改善渠首引水條件[1]。工程樞紐控制灌溉面積80 萬畝，設計引水流量25 m3/s。防洪標準為設計洪水標準30 年一遇洪水設計，相應洪峰流量5580 m3/s，校核洪水標準100 年一遇洪水校核，相應洪峰流量8610 m3/s[2]。

2 加固改造工程布置

洛惠渠渠首加固改造工程為中型Ⅲ等工程，主要由攔河主壩（右擋水壩段、左右沖沙底孔壩段、溢流壩段）、進水閘壩段、左副壩段和下游交通橋等四大部分組成。見圖1。

圖1 洛惠渠渠首加固改造工程平面布置圖

攔河主壩：包括溢流壩段、擋水壩段和泄洪沖砂底孔壩段三部分。大壩壩型為拱型混凝土重力閘壩結構，壩段軸線全長206 m，壩頂高程415.00 m，最大壩高26 m；其中溢流壩段堰頂高程405.00 m，泄流寬度132 m，設計泄量4448 m3/s，校核泄量6909 m3/s；擋水壩段軸線長47 m，最大壩高16 m；3 孔4.0 m×6.0 m（寬×高）泄洪排沙底孔，堰頂高程398.0 m，在溢流壩段左側布置1 孔，右側布置2 孔，設計泄量844 m3/s，校核泄量953 m3/s。

進水閘：進水閘孔口尺寸4.0 m×3.0 m（寬×高），進口高程402.21 m，底板由進口閘室段、連接段等組成，設計引水流量25 m3/s。

左副壩：左副壩為均質土壩，壩軸線長128 m，最大壩高15 m，壩前防護與副壩護坡、導流涵洞結合起來，形成單一護坡，迎水面邊坡比1∶2.0，背水面邊坡比1∶1.5。

下游交通橋：在大壩下游約110 m 處設交通橋梁1 座，橋梁全長121 m，橋面寬4.5 m，行車道凈寬3.5 m。設計荷載為汽車-15 級。

3 工程設計技術特點

該工程是著名水利大師李儀祉主持修建的“關中八惠”之一的洛惠渠灌區北洛河取水渠首樞紐的加固改造工程，北洛河為著名高含沙河流，為解決樞紐引水、泄洪沖沙及河道下游沖刷之間的矛盾[2]，以及保證在工程施工期間樞紐引水不間斷等問題，設計進行了多方面研究，具有以下技術主要特點。

3.1 新老壩體結合面的處理

洛惠渠渠首加固改造工程結構設計的一個特點和難點問題就是對老壩體如何利用的問題。國內外類似工程的做法大多是將原壩部分或全部拆除，重新修建形成新的閘壩樞紐?？紤]到本工程原壩體施工質量較好，設計經研究分析，采用了將原壩體表面部分少量拆除、清理的方案。一方面充分利用了老壩體，減少了工程量、投資和施工難度；另一方面對老壩體進行固結灌漿，以消除壩體裂縫，并對新老壩體結合面采取合理有效的錨固處理，保證了其結合面的強度，滿足工程要求。在對新老壩體結合面的錨固處理方法上，進行了普通砂漿錨桿和植筋錨桿的優化比較，見表1。

表1 新老壩體結合面錨固處理方法比較表

通過以上綜合分析比較，新老壩體結合面加固處理設計選用投資省、老壩體拆除量小、施工難度小的植筋錨固方案。為確保新老壩體結合面結合牢靠，設計對新老壩體結合面進行了固結灌漿處理，固結灌漿孔梅花形布置，孔、排距均為3.0 m，孔徑110 mm，緊鄰壩軸線上下游兩側的固結灌漿孔深入基巖10 m，其余灌漿孔深入基巖5.0 m。在斷層破碎帶和節理密集帶范圍內，加深、加密鉆灌，孔、排距為1.5 m，孔深5 m。在老壩體表面和基巖上布設直徑16 mm 化學植筋，排距圓心角為1.333°，行距2.0 m，梅花形布置，單根長1.0 m，深入老壩體0.25 m。設計在陜西省首次采用大面積化學“植筋”法加固原漿砌石壩體和新澆筑混凝土壩體[3]，壩體完整性良好，運行安全。

3.2 泄流與消能

考慮水庫兩岸地形地質特點、排沙等因素以及北洛河洪水特性，樞紐泄水建筑物必須有較大規模的泄流量，樞紐表、底孔屬大單寬、低水頭泄水建筑物，消能是一個低佛氏數消能問題，洛惠渠渠首處地形特殊，兩岸地形在距壩趾下游約60 m 處收縮形成一個狹口，同時河床面在此又有近7 m 的跌落深潭，加之泄流規模大、水頭低、拱壩泄流存在向心集中問題，使得攔河壩泄流與消能方式十分復雜。

3.2.1 底孔方案選擇

洛惠渠渠首樞紐泄流水頭低、泄流量大，汛期灌溉又有邊引水、邊沖沙的運用特點，因此，需通過沖砂泄洪底孔排沙，以保持樞紐有一個長期有效的穩流庫容和保持進水閘能夠引到含砂量低的水流，即保持進水閘“門前清”[2]。

底孔設計流量和閘孔尺寸的選擇涉及因素較多，目前尚無嚴格的設計標準。設計根據國內工程經驗實踐認為，應根據樞紐的基本功能及底孔在實現這些基本功能過程中的地位與作用確定。本樞紐的基本功能是引水、泄洪、排沙，底孔的作用為泄洪排沙，保持水庫有一定的長期有效庫容，應以洪水流量頻率法確定或以造床流量計算，造床流量按黃委水科所的經驗公式進行計算，即：

計算得沖砂流量約為300 m3/s～500 m3/s，考慮北洛河小于等于造床流量的分級情況及金屬結構布置、下游消能銜接方式等因素，本工程布置上約需面積為4 m×6 m 的底孔3 孔或4孔。設計對底孔布置3 孔和4 孔兩個方案的進行綜合比選，見表2。

表2 沖砂泄洪底孔布置形式比較表

兩方案計算有效庫容僅相差5 萬m3，但土建和金結直接投資相差262.5 萬元，總投資相差286.6 萬元，綜合考慮樞紐加固改造的的任務要求和工程投資，設計推薦3 孔布置方案。

3.2.2 表孔方案選擇

洛惠渠渠首表孔受到大壩拱形條件的限制，加之具體的水力因素，使得攔河主壩下游水流特性具有如下特點：（1）水流具有向心集中問題，表現為隨著水流的推進其過流斷面寬度在不斷縮窄，使得單寬流量不斷增大，底孔反弧底單寬較進口增大6.4%，溢流壩段單寬流量增大18.7%；（2）溢流壩段屬大單寬、低水頭泄水建筑物，消能問題實質是一個大單寬流量、低佛氏數消能問題。經水工模型實驗和計算分析，溢流壩段可采用底流或戽流的消能方式。設計結合工程實際，由于底流流速較大，高達19.6 m3/s，對下游巖體沖刷較為嚴重，流態穩定性較差、消能不夠充分，最終設計表孔選擇消能效果好的消力戽消能，底孔選擇挑流、戽流的消能方式。表孔設計單寬流量238 m3/(s·m)，在我國北方多泥沙河流居前列，經過實際運行考驗，效果良好。

3.3 工程穩定流量作用

洛惠渠渠首加固改造工程實施后，入庫泥沙能否順利排出庫外，水庫能否保持一個可長期利用的有效庫容，是確保工程穩定流量作用的關鍵問題[2]。為此，陜西省關中灌區加固改造工程世行貸款項目辦公室委托西安理工大學進行河工模型試驗,并同時進行多個改造方案的泥砂數模計算研究。據模型試驗的研究成果和泥沙數模計算分析，加固改造工程在設置3 孔沖砂底孔方案時，可保持長期有效庫容約95 萬m3，進水口高程402.21 m 至溢流堰頂405.00 m 高程之間有效庫容約70 萬m3，基本達到穩定引水流量的目的[2]。

同時，灌區在管理上應適當壓縮引水時間，集中引大水，提高供水適時性，基本消除春播、夏播及伏旱期缺水嚴重而造成相當部分農田無法下種或保苗的問題，以顯著提高引水效率。

3.4 施工導流

由于是對老灌區樞紐進行改造，因此工程施工期間不能中斷灌區灌溉引水，引水設計流量25 m3/s。設計考慮實際，經多方案研究，施工采取分段分期導流方式，導流時段為5 年一遇全年洪水，一期導流流量 1720 m3/s（3 月 ～10 月），二期導流流量168 m3/s（11 月 ～6 月），利用底孔過流，根據用水要求，合理安排施工工序、選擇施工設備，保證工程施工安全，保證不中斷灌區溉引水的需求。

3.5 結合面化學“植筋”

工程設計在陜西省首次采用大面積化學植筋法加固原漿砌石壩體和新澆筑混凝土壩體，在老壩體表面和基巖上布設直徑16 mm 化學植筋，排距圓心角為1.333°，行距2.0 m，梅花形布置，單根長1.0 m，深入老壩體0.25 m。加固后壩體完整性良好，運行安全。

4 結語

工程于2004 年7 月開工建設，2007 年6 月樞紐加固改造工程竣工。工程建成后，徹底消除了大壩安全隱患，改善引水條件，保證了80 萬畝洛惠渠灌區的正常引水，平均年引水量1.02 億m3，對緩解灌區的嚴重缺水狀況、改善維護灌區生態環境、保障農業生產豐收、促進當地經濟發展、提高灌區人民生活水平，發揮了巨大的社會效益和經濟效益。