北三家攔河閘溢流壩加固設(shè)計(jì)及滲流穩(wěn)定分析

高 翔

（遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000）

0 前言

北三家攔河閘位于清原滿族自治縣北三家鄉(xiāng)北三家村東側(cè)1.0km處，渾河上游，隸屬清原縣北三家鄉(xiāng)。除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)后的水庫(kù)等級(jí)為大（2）型Ⅱ工程、主要建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，消能防沖建筑物設(shè)計(jì)洪水為20年一遇，50年一遇校核洪水復(fù)核，攔河閘正常高水位195.28 m，設(shè)計(jì)水位199.02 m，校核水位200.25 m。除險(xiǎn)加固后的北三家攔河閘恢復(fù)原閘型，即按閘壩結(jié)合布置，由溢流壩、泄洪沖沙閘和進(jìn)水閘組成。

在主河床重建混凝土溢流壩，右側(cè)集中布置泄洪沖沙閘，原址重建進(jìn)水閘，溢流壩保持原來的自由溢流泄洪形式，消力池底流消能，為此需對(duì)溢流壩重新加固設(shè)計(jì)。

由于攔河閘地基土為圓礫，圓礫滲透系數(shù)平均值K=6.9×10-2cm/s，為強(qiáng)透水層，存在滲漏問題，閘基滲漏量相對(duì)較大。該水閘的農(nóng)田灌溉引用流量較小，閘基雖然存在滲漏問題，但不影響農(nóng)田灌溉用水量要求，但閘基滲漏產(chǎn)生的滲透水流較大，可能使閘基土層產(chǎn)生滲透破壞，損毀上部建筑物，造成水閘被沖毀，影響下游居民生命財(cái)產(chǎn)安全。故須對(duì)閘基進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。

1 溢流壩加固設(shè)計(jì)

1.1 溢流壩結(jié)構(gòu)

溢流壩溢流前緣長(zhǎng)度121.00 m，上游壩面垂直，壩基礎(chǔ)向上游加寬1 m，堰頂高程195.28 m，溢流壩堰面為WES實(shí)用堰型，其曲線由四部分組成，上游側(cè)分別以0.14 m、0.7 m和1.75 m為半徑的三圓弧曲線，然后由曲線連接，曲線方程x1.85＝5.8y，最后以7.5 m為半徑的圓弧連接下游消力池。定型設(shè)計(jì)水頭3.5 m。采用壩頂自由溢流泄洪方式。

改建為全斷面混凝土溢流壩，溢流壩底寬7.95 m，建基高程191.68 m，與原建基高程相同。壩體內(nèi)部混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C15F150，外包50 cm厚混凝土，外包混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C25F250。溢流壩分為8個(gè)壩段，其中緊靠左岸側(cè)的1#壩段寬16 m，2#～8#壩段寬度為 15 m。

1.2 溢流壩基礎(chǔ)

由于溢流壩坐落于圓礫層上，地基分層單一，層厚較均勻，故產(chǎn)生不均勻沉陷破壞的可能性較小。另外，對(duì)于以灌溉為主的攔河閘來說，只要滿足滲流穩(wěn)定要求，允許基礎(chǔ)產(chǎn)生適量的漏水。綜合分析，北三家攔河閘地基不需要采取工程措施專門處理。

1.3 溢流壩消力池

溢流壩下游采用消力池底流消能，消力池深0.8 m，池長(zhǎng)18 m（包括溢流壩下游堰圓弧段的1.5 m）。消力池底板厚度始端1.5 m，末端厚度0.8 m，底板頂部高程192.5 m，消力池末端4 m范圍內(nèi)的底板預(yù)留排水孔降低揚(yáng)壓力，消力池下游布置20 m長(zhǎng)0.5 m厚格賓石龍海曼，以免水流沖刷河床。

溢流壩與消力池之間設(shè)置縱向結(jié)構(gòu)縫，消力池每隔15 m設(shè)置順?biāo)飨虻臋M縫，溢流壩段分縫與消力池分縫錯(cuò)開布設(shè)，所有結(jié)構(gòu)縫采用橡膠止水帶止水。

1.4 過流能力計(jì)算1.4.1 洪水成果

洪水成果見表1。

表1 北三家攔河閘洪水成果表

1.4.2 計(jì)算方法

北三家攔河閘的洪水將通過4孔泄洪沖沙閘和自由溢流壩泄入下游河道。泄洪沖沙閘的過流能力按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算，溢流壩為WES實(shí)用堰，執(zhí)行《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》的水力計(jì)算規(guī)定[1]。

攔河閘過流能力為泄洪沖沙閘與溢流壩過流能力之和。由于泄洪沖沙閘底板高程低于溢流壩堰頂高程，當(dāng)上游水位低于溢流壩堰頂高程195.28 m時(shí)，僅有泄洪沖沙閘泄水；當(dāng)上游水位高于溢流壩堰頂高程195.28 m，而且開啟泄洪沖沙閘門時(shí)，泄洪沖沙閘和溢流壩同時(shí)泄水，此時(shí)的泄洪沖沙閘和溢流壩上下游水位應(yīng)是同一水位，按照此狀況進(jìn)行水力計(jì)算。

泄洪沖沙閘過流能力計(jì)算公式：

式中：Q為流量，m3/s；B為溢流堰總凈寬，m；m為二維水流WES實(shí)用堰流量系數(shù)，由規(guī)范表A.2.1-1查得；c為上游堰坡影響系數(shù)，上游堰面為鉛直時(shí)，c＝1.0；ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)，查規(guī)范圖A.2.1-3。

1.4.3 過流能力計(jì)算

由于泄洪沖沙閘底板高程為194.0 m，溢流壩堰頂高程為195.28 m，當(dāng)上游水位低于溢流壩堰頂高程195.28 m時(shí)，僅泄洪沖沙閘過流，當(dāng)上游水位高于195.28 m時(shí)，泄洪沖沙閘和溢流壩同時(shí)過流，過流能力應(yīng)為泄洪沖沙閘和溢流壩下泄流量之和。

泄洪沖沙閘按平底堰流計(jì)算，側(cè)收縮系數(shù)、淹沒系數(shù)按公式計(jì)算，流量系數(shù)取規(guī)范值0.385。溢流壩過流能力按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》公式計(jì)算[2]，有關(guān)系數(shù)按該規(guī)范規(guī)定選取，定型設(shè)計(jì)水頭Hd＝3.5 m（50年一遇洪水位對(duì)應(yīng)堰上水頭的0.704倍）。

通過上述計(jì)算，攔河閘經(jīng)過除險(xiǎn)加固后，當(dāng)開啟全部4孔泄洪沖沙閘門，溢流壩自由溢流狀態(tài)下，當(dāng)遭遇50年一遇校核洪水時(shí)，上游水位200.25 m，相應(yīng)下泄洪峰流量3435 m3/s，稍大于最大過閘流量3434.93 m3/s。當(dāng)遭遇20年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，上游水位199.02 m，相應(yīng)下泄洪峰流量2283.86 m3/s，稍大于設(shè)計(jì)過閘流量2260 m3/s。

1.5 溢流壩下游消能防沖設(shè)計(jì)

1.5.1 消能方式

原攔河閘消能方式為戽流消能，戽流消能形成強(qiáng)烈的旋滾，對(duì)下游河床淘刷比較嚴(yán)重，故要求下游基礎(chǔ)較為堅(jiān)實(shí)。攔河閘下游土為圓礫，“2003.08.16”洪水后攔河閘下游消能防沖設(shè)

式中：B0為閘孔總凈寬，m；Q為過閘流量，m3/s；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深，m；g為重力加速度，可采用9.81，m/s2；m為堰流流量系數(shù)，可采用0.385；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)，對(duì)于多孔閘可按公式計(jì)算求得；b0為閘孔凈寬，m；bs為上游河道一半水深處的寬度，m；N為閘孔數(shù)；εz為中閘孔側(cè)收縮系數(shù)，可按公式計(jì)算求得；dz為中閘墩厚度，m；εb為邊閘孔側(cè)收縮系數(shù)，可按公式計(jì)算求得；bb為邊閘墩順?biāo)飨蜻吘壘€至上游河道水邊線之間的距離，m；σ為堰流淹沒系數(shù)，可按公式計(jì)算求得；hs為由堰頂算起的下游水深，m。

溢流壩過流能力計(jì)算公式（《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》公式）：施已全部沖毀，并形成沖刷深坑。加固后溢流壩堰頂高程195.28 m，下游河床地面193.3 m，兩者高差僅1.98 m，最大單寬流量23.33 m3/（s·m）（50年一遇校核洪峰流量），校核洪水工況上下游水位差2.25 m，設(shè)計(jì)洪水工況上下游水位差1.93 m，泄洪能量不大，所以本工程具備底流消能的合適條件，除險(xiǎn)加固后的攔河閘采用底流消能方式。

1.5.2 溢流壩消能計(jì)算

收縮水深hc的基本計(jì)算公式：

式中：E0為泄水建筑物上游總水頭；q為收縮斷面處的單寬流量；g為重力加速度；φ為流速系數(shù)。

矩形斷面平底消能工躍后水深hc"計(jì)算公式：

式中：Frc為收縮斷面弗勞德數(shù)；hc為收縮斷面水深；q為收縮斷面處單寬流量。

消能池深S計(jì)算公式：

式中：σ為安全系數(shù)，取σ=1.05；z為消能池出口水面落差；b為消能池寬度；φ'為消能池出流的流速系數(shù)，取φ'=0.95。

消力池底板始端厚度根據(jù)抗沖和抗浮要求分別計(jì)算，并取其大值。

按《水利計(jì)算手冊(cè)》對(duì)海漫長(zhǎng)度進(jìn)行估算：

式中：Lp為海漫長(zhǎng)度，m；ht為下游水深，m。

經(jīng)估算取下游海漫長(zhǎng)20 m。

經(jīng)計(jì)算，消力池長(zhǎng)度和深度均以50年一遇校核洪水工況控制，消力池深為0.8 m，池長(zhǎng)為16.5 m，消力池底板頂高程192.5 m。溢流壩消力池底板厚度計(jì)算3個(gè)工況：工況一，基本組合：正常蓄水位195.28 m（堰頂高程），下游水位193.30 m；工況二，基本組合：設(shè)計(jì)水位199.02 m，下游水位197.09 m；工況三，特殊組合：校核水位200.25 m，下游水位198.00 m。

在消力池底板厚度計(jì)算中，當(dāng)按抗浮公式計(jì)算時(shí)，揚(yáng)壓力按無帷幕全水頭計(jì)算，安全系數(shù)1.1，脈動(dòng)壓力取躍前收縮斷面流速水頭值的5%，不考慮消力池末端底板排水孔的有利作用?？垢」接?jì)算結(jié)果：50年一遇校核洪水工況為控制工況，底板始端最大厚度為1.48 m，末端厚度為0.74 m。按抗沖公式計(jì)算底板最大厚度為0.89m。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定[3]，在兩種計(jì)算方法中，應(yīng)選取計(jì)算值較大者，確定采用按抗浮公式計(jì)算的底板厚度，即始端厚度1.5 m，末端厚度0.8 m，該取值略大于計(jì)算值。消力池底板厚度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 消力池底板厚度計(jì)算結(jié)果

2 溢流壩滲流穩(wěn)定計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

按平面有限單元法進(jìn)行分析，三角形單元，由軟件自動(dòng)剖分[4]?；炷裂唧w按不透水處理，基礎(chǔ)分層模擬其透水性能，消力池底板末端打排水孔部位按圓礫透水層處理，縮短了滲徑，計(jì)算結(jié)果偏于安全[5]。為了較真實(shí)反映實(shí)際情況，取上下游及地基深度不小于3陪計(jì)算水深作為計(jì)算邊界。

2.2 計(jì)算工況和計(jì)算參數(shù)的確定

溢流壩基礎(chǔ)滲流穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算3個(gè)工況：工況一：正常蓄水位195.28 m（堰頂高程），下游無水；工況二：設(shè)計(jì)水位199.02 m，下游水位197.09 m；工況三：校核水位200.25 m，下游水位198.00 m。

根據(jù)地質(zhì)資料，泄洪沖沙閘覆蓋層地基分層僅圓礫一層，該層為雜色、厚度3.30 m～6.80 m。粒徑大于20 mm的含量占21.9%，20 mm～2 mm含量占58.1%，屬級(jí)配不良圓礫，觸探擊數(shù)平均值為18.3，呈中密狀態(tài)，渾圓狀，巖性以花崗巖，石英巖等為主。其中局部分布薄層礫砂以石英顆粒為主，觸探平均擊數(shù)為12.3，屬中密狀態(tài)。水閘基礎(chǔ)建基于圓礫層上。滲流穩(wěn)定破壞形式為管涌型[6]。

圓礫滲透系數(shù)采用地質(zhì)建議值6.9×10-2cm/s；巖石滲透系數(shù)參照同類巖石值取6.0×10-7cm/s。允許滲流坡降按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.0.4的地基類別為中礫取值[7]，即水平段0.22，出口段0.5。

2.3 溢流壩滲流計(jì)算

各工況最大水力坡降值見表3。計(jì)算結(jié)果表明，各工況最大水力坡降均滿足要求[8]。正常蓄水位工況是最危險(xiǎn)工況，上下游水位差3.60 m，水平段水力坡降值0.143，出口段垂直坡降值0.207，單寬滲流量為2.32×10-4m3/s[9]。

表3 溢流壩各工況最大水力坡降匯總表

3 結(jié)論

1）除險(xiǎn)加固后的混凝土溢流壩上游垂直面，壩基礎(chǔ)向上游加寬1 m，堰頂高程195.28 m，與原堰頂高程相同，堰面為WES實(shí)用堰型，堰面曲線x1.85＝5.8y，下游以7.5 m為半徑的圓弧連接消力池，采用壩頂無閘門自由溢流泄洪。溢流壩底寬7.95 m，最大壩高3.6 m，建基高程191.68 m，與原建基高程相同。溢流壩采用消力池底流消能，溢流壩消力池深0.8 m，池長(zhǎng)18 m（包括溢流壩下游堰圓弧段的1.5 m），底板頂高程192.5 m。溢流壩消力池的末端4 m范圍預(yù)留排水孔以降低揚(yáng)壓力。溢流壩消力池下游鋪設(shè)格賓石籠海漫防沖，末端布置拋石防沖槽。

2）根據(jù)滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，運(yùn)行調(diào)度方案為：當(dāng)上游壩前水位低于正常蓄水位195.28 m時(shí)，溢流壩不過流，生態(tài)基流由沖砂閘按入流的10%進(jìn)行泄流，進(jìn)水閘按灌溉需求引水灌溉[10]；當(dāng)上游壩前水位高于正常蓄水位195.28 m，且低于水位195.78 m時(shí)，沖砂閘不參與泄流，水流僅從溢流堰壩頂溢流（相當(dāng)于實(shí)用堰），進(jìn)水閘按灌溉需求引水灌溉。