汾河一壩魚嘴滾水壩除險加固簡析

鄭建紅

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

汾河一壩樞紐由魚嘴滾水壩、東進(jìn)水閘及東沖沙閘、西進(jìn)水閘及西沖沙閘、中部沖沙閘等建筑物組成。魚嘴壩左側(cè)為東干進(jìn)水閘引渠，右側(cè)為西沖沙閘及西進(jìn)水閘。該樞紐擔(dān)負(fù)著太原市南北郊區(qū)2萬hm2農(nóng)田的灌溉以及向太原鋼鐵公司、太原第一熱電廠、市區(qū)園林的供水任務(wù)，是汾河中游干流河道上唯一堆石堰和最早的固定灌溉引水工程設(shè)施。

2 魚嘴滾水壩現(xiàn)狀

魚嘴滾水壩包括首端魚嘴段和滾水壩段兩部分，位于主河槽內(nèi)，壩體置于河床卵石混合土上，順?biāo)飨蚺c主河道平行布置，魚嘴壩左端下游接?xùn)|沖沙閘及東進(jìn)水閘，右端接西沖沙閘及西進(jìn)水閘。首端魚嘴段呈近似三角狀，長約80 m，總高3.5 m，露出地面2.0 m，上游端寬3 m，下游端寬35 m，魚嘴壩體主要由塊石和卵石混合土組成，環(huán)魚嘴周邊采用漿砌石襯砌，厚2.0～2.5 m，壩頂用水泥砂漿抹面，由于沖刷及凍融破壞，壩體表面塊石及砂卵石外露，雜草叢生，破壞嚴(yán)重。滾水壩段包括魚嘴處垂直河道滾水壩段和順?biāo)飨驖L水壩段兩部分，長約315 m，壩高3.5～7.0 m，頂寬4～9 m，壩體主要由塊石及砂礫石組成。

2010年，省汾河中下游水務(wù)管理局組織實施汾河蘭村至柴村橋段河道整治工程，對魚嘴滾水壩進(jìn)行了加固處理，在壩體擋水側(cè)修筑了混凝土直墻，墻厚0.35 m，墻基深入河床以下1.5 m；在溢流面層采用漿砌石防護(hù)，防護(hù)厚度0.8~1.0 m，呈臺階狀。

3 加固方案

3.1 現(xiàn)狀滾水壩滲透穩(wěn)定復(fù)核

通過樞紐水力學(xué)模型試驗數(shù)據(jù)，分析不同來水量時的上下游水位差，最大水位差即為最不利工況，經(jīng)分析，灌溉蓄水期上下游水位差最大，為最不利工況，應(yīng)對該工況進(jìn)行分析計算。魚嘴滾水壩基礎(chǔ)為卵石混合土，根據(jù)規(guī)范采用滲流坡降計算公式計算加固前各段水頭損失和單寬身流量結(jié)果為：該地層出口處允許水力比降0.10，計算值0.17，大于該允許值，故本次除險加固需對魚嘴滾水壩滲透穩(wěn)定采取工程措施。

3.2 滾水壩上游防滲加固設(shè)計

滾水壩迎水側(cè)為東干引渠，基礎(chǔ)為卵石混合土，東干渠底現(xiàn)狀無防護(hù)措施，考慮在壩迎水側(cè)東干引水渠底部鋪設(shè)0.5 m厚黏土及0.35 m厚C25鋼筋混凝土防滲；東干渠左側(cè)邊墻面層采用C25鋼筋混凝土貼坡防滲，防滲高度高于正常蓄水位0.5 m。混凝土抗?jié)B等級為W4，抗凍等級為F150。該防滲形式可在灌溉期將來水放置于一個比較完整的防滲體系內(nèi)，達(dá)到防滲目的。同時可起到對東干渠防沖作用，由于東干渠在設(shè)計工況及校核工況水流流速較大，水力學(xué)模型試驗數(shù)據(jù)顯示，最大流速7~8 m/s，鋪設(shè)鋼筋混凝土底板后對東干渠可起到防沖刷作用。

3.3 魚嘴及滾水壩加固設(shè)計

魚嘴及滾水壩壩體內(nèi)部為松散的砂礫石，對壩體穩(wěn)定存在嚴(yán)重的安全隱患。本次對現(xiàn)狀壩體進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔孔距3 m，排距3 m，呈梅花型布置。魚嘴固結(jié)灌漿底高程796.5 m，滾水壩固結(jié)灌漿底高程796.5~793.0 m，最大灌漿深度6.5 m。

3.3.1 魚嘴處垂直河道滾水壩加固設(shè)計

現(xiàn)狀垂直河道滾水壩壩體為松散的卵石堆砌而成，考慮拆除重建。

加固后滾水壩座落于卵石混合土地基上，壩軸線長28.2 m，壩高4.0 m，壩底寬6.0 m，壩頂高程800.0 m，壩基高程796.0 m，河床高程798.0 m，壩體擋水高度2 m，滾水壩采用實用堰剖面。壩體結(jié)構(gòu)采用M7.5漿砌石砌筑，溢流面采用0.35 m厚C25鋼筋混凝土護(hù)面。堰頂上游堰面水平與魚嘴相接，水平段長1.0 m；堰頂下游堰面曲線為圓弧，半徑6 m；之后接反弧段，反弧半徑7.87 m。滾水壩下游接陡坡段，陡坡段長度分別為 26.1 m，17.2 m，8.6 m，縱坡分別為 1∶20，1∶15，1∶4，其中前兩段陡坡為已建工程，現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)為干插石灌漿厚0.8 m，加固設(shè)計采用C25鋼筋混凝土進(jìn)行面層襯砌，襯砌厚0.4 m。為保證新建鋼筋混凝土與下部現(xiàn)有結(jié)構(gòu)穩(wěn)固連接，兩層結(jié)構(gòu)之間均采用直徑18 mm的鋼筋錨固，錨桿單根長0.8 m，間排距1 m，呈梅花型布置；最后一段為新建1.3 m厚C25鋼筋混凝土陡坡，坡度1∶4，長8.6 m。陡坡后設(shè)C25鋼筋混凝土消力池，池長30.0 m，深1.7 m，底板厚1.3 m，池底高程794.3 m。

3.3.2 樞紐滾水壩范圍內(nèi)主槽消能防護(hù)設(shè)計

下游消力池至樞紐滾水壩末端主河槽長約130.5 m，出消力池后河床地面高程為795.5 m，樞紐末端河床地面高程為793.7 m，高差1.8 m，縱坡1/72.5，為陡坡。本次除險加固首先將該主槽段改造成4級跌水，跌水高差均為0.5 m，每級跌水后分別設(shè)水平段，每段長度均為30.0 m。跌水水平段高程從上到下依次為 795.5 m，795.0 m，794.5 m，794.0 m。在每一級跌水水平段末端設(shè)0.5 m高消力坎，之后采用1∶1.5陡坡與下一級相接，并在每一消力坎以下設(shè)C25鋼筋混凝土地梁，地梁深入河床地面2.5 m，厚2 m。第4道地梁后接海漫段，海漫總長31 m，頂高程793.7 m，海漫分別由C25鋼筋混凝土防沖底板段、格賓石籠段、拋石段組成，長度分別為15.0 m，8.0 m，8.0 m。鋼筋混凝土防沖底板段厚1.2 m，格賓石籠段厚2.0 m，拋石段前段厚 2 m，之后采用1∶3倒坡與下游現(xiàn)狀河床地面相接。

3.3.3 滾水壩穩(wěn)定計算

滾水壩穩(wěn)定計算內(nèi)容包括抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力驗算。泥沙壓力和抗滑穩(wěn)定按《砌石壩設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)公式計算；地震慣性力按《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》中公式計算。一般情況下，只考慮水平向的地震作用，采用擬靜力法計算地震作用效應(yīng)；壩基截面的垂直應(yīng)力根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》計算。根據(jù)計算結(jié)果可知，在各種荷載組合下，滾水壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，基底應(yīng)力均小于地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，基底應(yīng)力最大值與最小值之比滿足規(guī)定要求，故滾水壩結(jié)構(gòu)安全。

3.3.4 順?biāo)飨驖L水壩段加固設(shè)計

順?biāo)飨驖L水壩段迎水側(cè)現(xiàn)狀采用直立式混凝土墻防護(hù)，墻厚30 cm，高3.5 m，墻頂部采用鋼筋與壩體錨接，目前鋼筋銹蝕嚴(yán)重。壩頂現(xiàn)狀表面采用水泥砂漿抹面，局部被水流大塊掀翻，且有凍融破壞現(xiàn)象。本次設(shè)計認(rèn)為滾水壩背水側(cè)溢流面不宜采用階梯型式，但魚嘴滾水壩背水側(cè)在2010年進(jìn)行過加固，不宜拆除重建。

根據(jù)現(xiàn)有條件，確定在原壩體基礎(chǔ)上，在壩體表面進(jìn)行鋼筋混凝土襯砌來解決沖刷問題，并將該壩體外形結(jié)構(gòu)改為折線型實用堰，將下游面設(shè)計成光滑曲線和直線，以改善水流流態(tài)和解決下游堰面空蝕問題。由于順?biāo)飨驖L水壩在正常使用時一般較少過流，不經(jīng)常受到?jīng)_刷，壩體表面襯砌采用C25鋼筋混凝土，厚0.35 m，原壩體表面低洼處及臺階處均采用壩面襯砌混凝土填補。

本次加固設(shè)計順?biāo)飨驖L水壩高3.5~7.0 m，壩寬10.85~18.45 m，壩頂高程800.00 m。上游河底高程798.00 m以上迎水側(cè)邊坡1∶0.5，以下為鋼筋混凝土基礎(chǔ)，高1.5 m，底寬1.0 m；壩頂上下游堰頭均采用圓弧曲線，圓弧半徑分別為2 m，5 m；上下游堰頭之間為水平壩頂，壩頂設(shè)計寬度4~9 m；壩下游面為1∶1.5斜坡直線段，之后與壩后下游主槽鋼筋混凝土底板相接。

4 結(jié)語

汾河一壩魚嘴滾水壩加固后，增加了一壩的調(diào)蓄能力，提高了自身防洪標(biāo)準(zhǔn)，對壩區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了積極影響。從長遠(yuǎn)來看，局部區(qū)域的不利影響不會成為制約工程除險加固的環(huán)境問題。