山溪性河流上砂礫石堰壩的破壞形式分析及設(shè)計(jì)實(shí)踐

葉 林

（浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

由于山溪性河道坡降較大、水流流速大、洪水暴漲暴落，導(dǎo)致天然河床蓄水量少、居民生產(chǎn)用水困難，水資源利用率較低，故常在河床內(nèi)建造堰壩來解決問題。同時(shí)山溪性河道內(nèi)又存在豐富的天然砂礫石，常被用作堰體回填材料，堰壩型式一般都為金包銀結(jié)構(gòu)，此種型式較為經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用也頗為廣泛。

但金包銀結(jié)構(gòu)的堰壩，往往在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮周全，運(yùn)行過程中由于山洪影響，其破壞形式也較多。常見的有堰壩表面沖刷破壞、堰腳沖刷破壞、堰體側(cè)向沖刷、堰體滲透破壞等。

2 砂礫石堰壩破壞形式分析

2.1 堰壩表面沖刷和堰腳沖刷破壞

堰壩表面破壞由于堰壩表面處理不嚴(yán)謹(jǐn)，當(dāng)洪水來臨時(shí)，溢流面面板受到水流沖刷而遭到破壞，使得壩體內(nèi)回填料被洪水帶走，最終導(dǎo)致溢流面塌陷，但這種破壞形式不是全局性的。

堰腳沖刷破壞現(xiàn)象產(chǎn)生主要由于堰壩下游消能設(shè)施不可靠或長度過短，未能對(duì)上游洪水進(jìn)行有效的消能，使得洪水對(duì)堰腳反復(fù)沖刷，并逐漸帶走堰腳塊石，最終導(dǎo)致堰腳掏空，堰壩整體失穩(wěn)。

案例1：某堰壩集雨面積253 km2，堰壩型式采用弧線型寬頂堰，順?biāo)鞣较蚍譃?.00 m寬的水平段，34.50 m寬1∶10坡比的坡段，10.00 m長拋石消能段。其中水平段和斜坡段為堰體部分，下游的拋石防沖槽為消能部分。堰體由迎水側(cè)擋墻、溢流面板、砂礫石堰體及隔墩擋墻組成。

上游水平段兩側(cè)擋墻為C20混凝土灌砌石擋墻，非溢流段堰頂高程38.35 m，溢流段堰頂高程37.85 m。溢流面板順?biāo)鞣较蛞来畏譃?.00 m寬的水平段及34.50 m長1∶10坡比的斜坡段。水平段采用C20混凝土灌砌卵石（厚35 cm），斜坡段溢流面板為雙層結(jié)構(gòu)，表層為厚70 cm干砌塊石，下層為厚50 cm生態(tài)網(wǎng)墊和2層土工布。墊層下部采用砂卵礫石填筑壓實(shí)。溢流段末端設(shè)C20混凝土灌砌石擋墻，作為堰體及消能段分界。擋墻下游側(cè)臺(tái)階式布置兼消能功能，每層厚1.00 m。拋石消能段長10.00 m，頂高程取兩側(cè)灘面高程約35.00 m，拋石單塊重不小于200 kg。斷面型式見圖1。

圖1 堰壩斷面型式圖 單位：cm

由于遭遇強(qiáng)降雨天氣，堰壩所在的河道坡陡、流急、洪水暴漲暴落，導(dǎo)致河道洪水流量迅速猛增，河道內(nèi)水位上漲迅猛，堰壩主河槽段堰面干砌石結(jié)構(gòu)被沖毀，堰體內(nèi)砂礫料流失，堰面塌陷；同時(shí)堰體右側(cè)下游拋石被洪水帶走，堰腳被掏空，最終整個(gè)堰壩結(jié)構(gòu)被沖毀?，F(xiàn)場照片見圖2。

圖2 堰壩沖毀現(xiàn)狀全景圖

根據(jù)原因分析，一方面由于實(shí)際發(fā)生洪水頻率達(dá)到20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)超施工期5 a一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，壩體堰面為2層干砌塊石，塊石重量及土工布鋪設(shè)雖達(dá)到要求，但并非形成整體防護(hù)。堰體右側(cè)壩肩處正修建引水至下各平原的水閘，水閘與右側(cè)壩肩護(hù)岸尚未形成完整封閉體，存在洪水通道。洪水來臨時(shí)，水流通過水閘缺口處，從護(hù)岸內(nèi)部由外掏空，造成護(hù)坡及堰面塊石流失，堰面塌陷、擋墻傾翻、下游拋石掏空等連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致堰壩溢流段整體沖毀。

2.2 堰體側(cè)向沖刷破壞

堰體側(cè)向沖刷破壞，主要表現(xiàn)為堰壩本身較牢固，防護(hù)防沖設(shè)施也滿足要求的前提下，其堰壩兩側(cè)防護(hù)相對(duì)較弱，如遇洪水漫堤，堰壩兩側(cè)護(hù)岸在水流淘刷下，極易出現(xiàn)破壞。

案例2：某村段2#堰壩，其斷面基本結(jié)構(gòu)為：堰頂高程為50.50 m，堰壩采用C25混凝土堰體，堰頂寬2.00 m，堰頂上部設(shè)置汀步。為形成較好的水花效果，堰壩斜坡設(shè)計(jì)成階梯式，每節(jié)臺(tái)階落差0.80 m，根據(jù)堰面布置臺(tái)階寬度1.00 m。堰壩下游為深0.50 m消力池，消力池采用C25混凝土結(jié)構(gòu)，底寬7.20 m，底板厚0.40 m；消力池下游接拋石防沖槽，拋石防沖長3.00 m，深2.00 m。斷面型式見圖3。

圖3 堰壩斷面型式圖 單位：cm

由于該堰壩流域遇較強(qiáng)降雨，上游水庫的泄洪加大河道過流。而該堰壩正處建設(shè)期，兩側(cè)河道岸坡裸露，局部為松散體填筑，防沖能力非常薄弱。因此，洪水來臨時(shí)，水流對(duì)堰壩下游左右岸不斷沖刷，逐漸帶走松散土體，最終導(dǎo)致岸坡坍塌。沖毀現(xiàn)場照片見圖4。

圖4 堰壩下游右側(cè)護(hù)岸及房屋沖毀圖

經(jīng)分析，洪水發(fā)生時(shí)的工況相對(duì)不利：①施工期河道岸坡被清表，岸坡裸露，土體較為松散，此工況下河道糙率較設(shè)計(jì)工況為小，相同過流條件下流速更大，洪水更快；②此工況下岸坡缺乏植被固坡和防護(hù)，僅為表層種植土，抗沖抗侵蝕能力大大減弱?？箾_流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水流流速，因此造成土體不斷被挾走，坡腳持續(xù)被掏蝕，繼而造成失穩(wěn)坍塌；③本次上游水庫清水下泄，水流含沙量極低，相同條件的流量條件下，水庫泄流的水流挾沙力更強(qiáng)，沖刷掏蝕作用也更強(qiáng)。

2.3 堰體滲透破壞

堰壩滲透破壞情況一般出現(xiàn)在施工期或枯水期，由于堰壩設(shè)計(jì)滲徑過短或者基礎(chǔ)砂礫石料具有強(qiáng)滲水性，導(dǎo)致破壞。

案例3：官坑堰壩，其斷面結(jié)構(gòu)堰頂高程為129.50 m，堰壩上游側(cè)采用C20埋石混凝土擋墻，堰頂寬2.50 m，堰頂上部設(shè)置汀步。堰壩斜坡面采用60 cm灌砌卵石，坡比1∶10 ～ 1∶20，堰體內(nèi)砂卵石回填，堰體基礎(chǔ)采用50 cmC25鋼筋混凝土底板。堰壩下游設(shè)深0.60 m消力池，消力池采用C25混凝土結(jié)構(gòu)，底寬5.00 m，底板厚0.50 m，頂高程126.70 m；消力池下游接拋石防沖槽，拋石防沖長3.00 m，深2.30 m。斷面型式見圖5。

圖5 堰壩斷面型式圖 單位：cm

施工期發(fā)現(xiàn)堰壩局部壩面基礎(chǔ)存在漏水并形成滲漏通道，并導(dǎo)致該區(qū)塊下游堰體沉降而斷裂。滲漏情況見圖6。

圖6 壩面基礎(chǔ)滲漏情況圖

經(jīng)分析堰體基礎(chǔ)底板設(shè)計(jì)高程高于現(xiàn)狀河床底高程；并且底部采用卵石回填至設(shè)計(jì)底板高程。因此底部基礎(chǔ)即使回填夯實(shí)，仍有強(qiáng)滲水性。

3 結(jié)論及建議

根據(jù)案例1分析，由于堰壩上下游水頭差較大，洪水來臨時(shí)，水流較為湍急，為避免堰壩面層受到水流的沖刷破壞，在設(shè)計(jì)此種類型砂礫石堰壩時(shí)，建議加強(qiáng)對(duì)溢流面面層的硬性防護(hù)，如采用混凝土、灌砌石材料澆筑。不建議采用柔性防護(hù)措施，如干砌石理砌，否則極易引起堰體內(nèi)砂礫石料流失，并導(dǎo)致面層塌陷破壞。另外，由于水流流速大，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)堰腳結(jié)構(gòu)同樣需要重視，因下游堰腳處往往是堰壩受淘刷最為嚴(yán)重的部位，建議采用拋石防護(hù)時(shí)保證塊石的重量及拋石范圍，必要時(shí)可在堰腳處增設(shè)護(hù)坦再進(jìn)行拋石防護(hù)。

根據(jù)案例2分析，為避免水流對(duì)堰壩產(chǎn)生側(cè)向沖刷破壞，在保證壩體結(jié)構(gòu)牢固的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)建議加強(qiáng)對(duì)堰壩下游一定范圍內(nèi)兩側(cè)護(hù)岸的襯砌防護(hù)，如采用漿砌石或灌砌石護(hù)坡，避免直接采用土質(zhì)護(hù)岸進(jìn)行防護(hù)。

根據(jù)案例3分析，砂礫石堰壩設(shè)計(jì)滲徑過短或者堰腳基礎(chǔ)埋深過淺，為避免堰體內(nèi)形成滲漏通道并造成砂礫石料流失，在設(shè)計(jì)時(shí)建議放緩堰壩坡面并適當(dāng)加深堰腳基礎(chǔ)，延長滲徑。

綜上所述，建議在設(shè)計(jì)山溪性堰壩時(shí)，不僅要保證堰壩在標(biāo)準(zhǔn)洪水設(shè)計(jì)工況內(nèi)不受到嚴(yán)重的破壞，如堰體面層破壞、護(hù)腳沖刷破壞、側(cè)向沖刷破壞、堰壩基礎(chǔ)滲漏等，而且要考慮當(dāng)遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，堰壩整體安全穩(wěn)定性不受到威脅，堰體不出現(xiàn)倒塌沖毀等現(xiàn)象。