汾河一壩樞紐滾水壩防滲、防沖除險加固方案

常曉亮

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

1 汾河一壩樞紐除險加固工程概述

汾河一壩樞紐工程由滾水壩、東西沖沙閘、中部沖沙閘、東西干渠進水閘、以及上、下游近閘堤防組成，滾水壩位于主河槽中部，順水流向與主河道平行布置。滾水壩曾在壩下游出現(xiàn)過滲透（管涌）破壞，目前上游無有效的防滲、防沖設(shè)施。

由于工程布置復(fù)雜，上下游水流流態(tài)紊亂，2011年山西省水利科學研究院根據(jù)一壩樞紐現(xiàn)狀布置，進行了汾河一壩樞紐水閘水力學模型定床模型試驗，該試驗于2012年完成。

2 現(xiàn)狀滾水壩滲透穩(wěn)定復(fù)核

根據(jù)與汾河一壩管理站管理人員了解，滾水壩在2010年“汾河蘭村至柴村橋段河道整治工程”施工前曾在壩下游出現(xiàn)過滲透破壞，該工程施工時只對壩體進行了簡單加固，并未對壩體滲透穩(wěn)定采取有效的工程措施。本次除險加固對滾水壩滲透穩(wěn)定進行復(fù)核計算。首先進行計算工況的分析，通過樞紐水力學模型試驗數(shù)據(jù)，列表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，然后對該工況進行分析計算。不同來水量時的上下游水位差見表1。

表1 水力學模型試驗上、下游水位差值表

經(jīng)表1分析，灌溉蓄水期上下游水位差最大，為最不利工況，根據(jù)該工況，對現(xiàn)狀滾水壩及加固后的滾水壩進行滲流穩(wěn)定復(fù)核分析計算：

①地基分段。分為進口段、內(nèi)部垂直段和內(nèi)部水平段

②地基計算的有效深度。根據(jù)規(guī)范，地基計算的有效深度Te可按下式計算；

式中：Te——土基上水閘地基的有效深度，m；

L0——地下輪廓的水平投影長度，m；

S0——地下輪廓的垂直投影長度，m。

③各段水頭損失和單寬滲流量。各段的水頭損失hi按下式計算：

式中：q——單寬滲流量；m3/s;

k——土的滲流系數(shù)；

ζi——第i段的阻力系數(shù)，其值與段的幾何形狀和尺寸有關(guān)，

計算公式如下：進出口段的阻力系數(shù)：

內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)：

內(nèi)部水平段的阻力系數(shù)：

式中：S1、S2——水平段兩端板樁的長度，m；

L——水平段的長度，m。

當求得 ζx≤0 時，取 ζx=0。

④對進出口處水頭損失的修正。由上式得到的進出口段阻力系數(shù)，在某些情況下有較大的誤差，因此要對上述方法求出的進出口段水頭損失h0值進行修正，修正后的水頭損失h0’為

式中：β——修正系數(shù)，由下式確定：

式中：T——進、出口段的地基深度,m；

T’——進、出口段另一側(cè)的地基深度,m。

當β＜1時，需要修正。由上式得到h0’，亦即得到進出口段水頭損失的減少值為Δh=(1-β)h0，此時，還要相應(yīng)的將該值Δh調(diào)整到其相鄰的水頭損失值中去，具體如下：

hx≥Δh（hx為與進出口板樁相鄰的水平段的水頭損失），此時，與板樁相鄰的水平段的水頭損失應(yīng)修正為：

hx＜Δh時，常有兩種情況，但本工程中適用下列情況：

由hx＋hy≥Δh（hy為與hx相鄰的垂直段的水頭損失），相鄰水平段的水頭損失應(yīng)修正為：

相鄰垂直段的水頭損失應(yīng)修正為：

⑤滲流坡降的計算。出口滲流平均坡降J由下式確定：

式中:S——出口段地下輪廓的垂直長度。

⑥計算結(jié)果?，F(xiàn)狀滾水壩滲流穩(wěn)定分析計算圖見圖1，計算結(jié)果見表2。

圖1 現(xiàn)狀滾水壩滲流穩(wěn)定分析計算圖

表2 加固前各段水頭損失和單寬身流量及修正后計算成果表

滾水壩基礎(chǔ)為卵石混合土，地勘資料中該地層出口處允許水力比降J為0.10，由表2可知：計算值大于該允許值，故本次除險加固需對滾水壩滲透穩(wěn)定采取工程措施。

3 滾水壩防滲、防沖加固設(shè)計

滾水壩上游防滲形式擬采取鋼筋混凝土水平鋪蓋結(jié)合垂直鋼筋混凝土防滲墻方案。設(shè)計中首先確定垂直防滲墻深度，然后根據(jù)防滲垂直深度計算水平防滲長度。

1）上游垂直防滲（防沖）墻深度確定。在上游設(shè)置垂直防滲墻，在本工程中既有防滲作用，又有對上游水平鋪蓋首端防沖作用。首先防滲墻深度應(yīng)滿足上游鋪蓋首端防沖要求，根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265—2001）附錄B公式（B.3.2）計算上游鋪蓋首端的河床沖刷深度，來確定垂直防滲（防沖）墻深度。以下對設(shè)計工況及校核工況分別進行計算：

上游護底首端河床沖刷深度按下式計算：

式中：d′m——上游護底首端河床沖刷深度，m;

q′m——下游護底首端單寬流量，m2/s;

h′m——上游護底首端河床水深，m。

［v0］——河床土質(zhì)允許不沖流速，m/s；取1.6m/s計算結(jié)果見表3,表4。

表3 設(shè)計工況沖刷深度計算成果表

表4 校核工況沖刷深度計算成果表

上表中計算參數(shù)來自汾河一壩樞紐水力學模型試驗報告，根據(jù)以上計算結(jié)果，垂直防滲（防沖）墻深度由校核工況沖刷深度來確定，計算沖刷深度為9.6m，垂直防滲（防沖）墻深度取10.0m。

2）上游垂直防滲墻（防沖）布置。上游防滲（防沖）墻垂直河道布置，總長89m，設(shè)計深度確定為10m，厚度0.8m，采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，抗?jié)B等級W4。

3）上游水平防滲長度確定。上游垂直防滲墻深度10 m，通過以上滲透穩(wěn)定分析公式來試算水平鋪蓋長度，擬定鋼筋混凝土水平鋪蓋為25m。

4）加固后的滾水壩滲流穩(wěn)定分析計算。加固后的滲流穩(wěn)定分析圖見圖2。滲流穩(wěn)定分析計算結(jié)果見表5、表6。

表5 防滲設(shè)計參數(shù)表

經(jīng)表5、表6計算，工程在對滾水壩采取防滲工程措施后，滾水壩下游出口計算的水力比降在允許范圍內(nèi)，基本滿足要求。

5）上游水平防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計。上游水平鋪蓋長25m，厚0.85m，底層為0.5m厚黏土，頂層采用0.35m厚C25鋼筋混凝土，鋪蓋縱橫向每隔12.5m設(shè)置伸縮縫。

4 結(jié)語

為解決汾河一壩滾水壩滲透穩(wěn)定與上游首端防沖問題，設(shè)計中首先對滾水壩現(xiàn)狀滲透穩(wěn)定進行了復(fù)核計算，根據(jù)計算結(jié)果，提出了鋼筋混凝土水平鋪蓋結(jié)合垂直鋼筋混凝土防滲墻方案，并對該方案分別進行了防沖、抗?jié)B計算，為除險加固方案的合理性提供了理論依據(jù)。

表6 加固后各段水頭損失和單寬滲流量及修正后計算成果表