贛撫平原焦石攔河閘過水土壩除險加固設(shè)計

張書濱 白 斌

(1.江西省河道湖泊管理局，江西 南昌 330009；2.四川大學(xué)水電學(xué)院，四川 成都 610207)

1 工程概況

贛撫平原焦石攔河閘是一座以灌溉、防洪、排澇為主，兼有航運(yùn)、發(fā)電、供水、養(yǎng)魚等綜合效益的大型水利樞紐工程，位于撫河下游的進(jìn)賢縣李渡鎮(zhèn)焦石村。通過大壩攔蓄抬高撫河水位，引水灌溉撫州、宜春、南昌三市六縣(市、區(qū))42個鄉(xiāng)鎮(zhèn)共120萬畝農(nóng)田，并為南昌市及周邊城鎮(zhèn)提供工業(yè)、生活和環(huán)境用水2億m3/年。焦石攔河閘壩工程橫跨撫河，壩址以上控制流域面積15811km2，為Ⅰ級大(1)型工程，主要建筑物等級為1級。焦石過水土壩長276m，于1958年8月至1959年2月建成，正常擋水位28.46m(吳淞高程)，設(shè)計洪水位(P=2%)36.18m，相應(yīng)下泄流量13200m3/s；校核洪水位(P=0.5%)37.63m，相應(yīng)下泄流量16400m3/s。

2 工程主要問題

焦石攔河閘過水土壩于1959年2月建成，在全國為首創(chuàng)壩型，其結(jié)構(gòu)布置型式：壩長276m，壩頂高程28.0m，上游坡1∶2.5，下游坡1∶3，鼻坎高程22.8m。90#混凝土心墻頂高程27.0m，墻頂厚0.3m，兩側(cè)坡30∶1，底部嵌入風(fēng)化基巖0.3m。心墻分為3段、分縫處設(shè)紫銅片及柏油松木板止水。頂帽為90#混凝土，寬5.4m，圓弧曲線R=6.0m，頂部厚0.8m。頂帽分縫長度不一，為44～14m。壩面為90#混凝土板，厚0.2m，分塊為5×5m2，面板下干砌石厚0.3m和兩級反濾層各厚0.15m。鼻坎為干砌塊石棱體，用厚0.2m的90#混凝土護(hù)面。棱體與壩體之間設(shè)兩級反濾層，各厚0.4m。上游坡在25.0m高程以上用厚0.2m的90#混凝土板護(hù)面，25.0m高程以下為厚0.3m干砌石護(hù)面。

焦石攔河閘過水土壩雖為當(dāng)時全國首創(chuàng)壩型，但由于建材緊缺，水文資料不全，規(guī)劃設(shè)計及施工經(jīng)驗(yàn)不足，至使工程存在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低、施工質(zhì)量較差、因陋就簡配套不全等問題[1- 3]。歷經(jīng)1965—1966年、1993年和1998年冬至1999年三次加固補(bǔ)強(qiáng)處理，但由于缺乏系統(tǒng)的安全復(fù)核和病險排查，過水土壩安全隱患未得到全面處理[4]。2002年6月，為確保水閘運(yùn)行安全，江西省水利廳組織成立專家組對工程進(jìn)行全面安全鑒定，確認(rèn)焦石攔河閘壩為三類壩，屬病險水庫。過水土壩現(xiàn)存典型問題如圖1所示。

圖1 焦石過水土壩現(xiàn)存典型問題

安全鑒定成果表明焦石攔河閘過水土壩主要存在問題為：

(1)上、下游面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，混凝土防滲心墻有多處孔洞，存在防滲薄弱環(huán)節(jié)[5- 6]；面板受水流沖刷嚴(yán)重，出現(xiàn)大面積蜂窩麻面，孔洞現(xiàn)象。下游面板接縫有渾水滲出，危及建筑物的安全。

(2)混凝土心墻下游側(cè)砂礫料中的中細(xì)砂存在管涌流失問題，導(dǎo)致砂礫料壩體下沉[7]。過水土壩整體質(zhì)量差，存在安全隱患。

(3)下游未設(shè)防沖消能設(shè)施，壩腳沖刷淘空嚴(yán)重。

采用有限元二維滲流計算程序?qū)^水土壩滲流情況進(jìn)行分析，計算控制工況為上下游最大水頭差4.46m情況，即上游水位28.46m，下游24.0m。壩體結(jié)構(gòu)及滲透系數(shù)取值：上游粘土或砂壤土k=1.0×10-4cm/s；混凝土心墻出現(xiàn)孔洞部位用砂卵礫石代替，k=2.7×10-1cm/s。心墻下游砂卵礫石k=2.7×10-1cm/s。計算結(jié)果表明：心墻混凝土質(zhì)量差，且局部出現(xiàn)孔洞滲漏等問題。上游粘土或砂壤土中孔洞周邊最大滲透坡降為0.90，大于允許坡降0.20～0.40要求，易發(fā)生滲透破壞；心墻下游砂礫體最大滲透坡降為0.03，小于其允許坡降0.30。

3 過水土壩除險加固方案優(yōu)化比選

根據(jù)地形地質(zhì)條件及大壩現(xiàn)存病險問題，除險加固擬選用過水土壩直接加固、原壩址新建混凝土溢流壩及易址新建混凝土溢流壩三種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

方案一：過水土壩直接加固。在過水土壩頂帽結(jié)構(gòu)前緣全線276.0m增設(shè)一道混凝土防滲墻，以解決現(xiàn)狀混凝土心墻質(zhì)量差、有孔洞，存在滲透薄弱環(huán)節(jié)問題。過水土壩心墻下游側(cè)采用水泥漿充填灌漿處理，避免因砂礫料內(nèi)的中細(xì)砂流失造成下沉，影響過水土壩下游鋼筋混凝土面板的穩(wěn)定[8- 9]。挑坎下游設(shè)鋼筋混凝土護(hù)坦保護(hù)，以解決下游壩腳沖刷淘腳問題。

方案二：原壩址新建混凝土溢流壩。新建混凝土溢流壩與原過水土壩同軸線，壩頂高程28.46m，壩底高程18.00～19.00m，壩高9.46～10.46m，底寬9.91m；壩體溢流表面采用WES曲線面；下游設(shè)挑流鼻坎，坎頂高程24.40m，坎高3.2m，反弧半徑1.8m。壩體挑坎下游風(fēng)化巖基面上設(shè)10～20m長的鋼筋混凝土防沖護(hù)坦，板厚0.5～0.6m，頂高程21.7m?；炷烈缌鲏斡覊味松嫌?4m范圍內(nèi)的灘地岸坡設(shè)護(hù)坡保護(hù)，其中上段長39.0m為厚0.40m干砌石護(hù)坡，下段長35.0m設(shè)厚0.60m的混凝土護(hù)坡，坡度1∶3.0；壩下游右邊長80.0m范圍內(nèi)的灘地岸坡設(shè)0.60m厚的混凝土護(hù)坡，坡度1∶2?；炷磷o(hù)坡下設(shè)0.25m厚的砂卵石墊層。為了改善壩基的物理力學(xué)性能，及解決壩基風(fēng)化巖體存在中、強(qiáng)透水層問題，擬對壩基進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿孔排距3.5m，孔距3.0m；靠上游二排孔深9.0～11.0m(結(jié)合防滲帷幕布置)，其余孔深5.0m。梅花形布置；灌漿壓力初定0.3MPa。

方案三：易址新建混凝土溢流壩。拆除現(xiàn)有過水壩的下游部分壩體，空出的基面作新建混凝土溢流壩建基面；保留上游部分壩體作為上游施工圍堰基礎(chǔ)。新建混凝土溢流壩軸線在原過水土壩壩軸線下游11.0m處。壩體、下游護(hù)坦及右岸護(hù)坡和壩基處理均與方案二相同。

經(jīng)分析，工程地質(zhì)條件方面：原壩址弱風(fēng)化巖層較淺，尤其是新建混凝土溢流壩方案，壩基可直接置于弱風(fēng)化巖層上；而易壩址壩基處則弱風(fēng)化巖層較深。原壩址地質(zhì)條件較優(yōu)。工程布置方面：易壩址新建方案其混凝土溢流壩軸線在原壩軸線下游11.0m處，與原有的35m混凝土溢流壩交接處為錯位相接，泄洪時部分水流橫向經(jīng)連接導(dǎo)墻下泄至35m混凝土溢流壩下游，空間水流易造成下游沖刷。原壩址新建方案水流條件較好，工程結(jié)構(gòu)布置美觀，優(yōu)于易址新建方案。工程投資方面：原壩址直接加固方案為2156.65萬元，最??；易址新建方案2178.46，次之；原壩址新建方案2201.46萬元，最多。雖然直接加固方案最省，相比另外兩個方案少21.81和44.81萬元，但各方案的投資差距占總投資比例均較小(5%之內(nèi))。

綜上所述，過水土壩直接加固方案比新建混凝土溢流壩方案投資略省，但其可靠度無法與后者相比。同時，混凝土溢流壩的泄流能力也略大于過水土壩，對降低上游洪水位有利[10- 11]。另外，原壩址相比易址具有地質(zhì)條件較好，工程布置美觀、水流條件較好等優(yōu)點(diǎn)。因此，設(shè)計優(yōu)選原壩址新建混凝土溢流壩方案。

4 混凝土溢流壩建筑物設(shè)計

4.1 泄流能力分析

過水土壩改建為混凝土溢流壩后，其泄流能力

表1 焦石攔河閘壩洪水泄量分布表 單位：m3/s

表2 焦石攔河閘壩上游水位～泄流量關(guān)系表

備注：改建前、后水位為除險加固將過水土壩改建為混凝土溢流壩前、后的水位。

表3 焦石攔河閘混凝土溢流壩穩(wěn)定應(yīng)力計算成果

有所增加，改變了壩上水位流量關(guān)系，故須予以重新計算[7]。焦石攔河閘壩泄流設(shè)施分為6個部分，即新建混凝土溢流壩，35m混凝土溢流壩，攔河閘，老筏道，泄砂閘堰頂及其底孔。其中除新建混凝土溢流壩為現(xiàn)有的過水土壩改建而成外，其余各泄流設(shè)施均未改變。按SL265—2016《水閘設(shè)計規(guī)范》中堰流計算公式和底孔計算公式對重建攔河閘壩泄流能力進(jìn)行復(fù)核[12- 15]，計算成果見表1—2。

從表1和表2可知：改造后水閘校核洪水位(P=0.5%)為37.63m(相應(yīng)下游水位37.00m，上下游水位差0.63m)，相應(yīng)最大下泄流量16400m3/s；設(shè)計洪水位(P=2%)為36.18m(相應(yīng)下游水位35.64m，上下游水位差0.59m)，相應(yīng)最大下泄流量13200m3/s。與現(xiàn)狀水閘泄流規(guī)模相比，拆除重建后水閘上下游水位差降低，泄洪條件改善、泄流能力增強(qiáng)，規(guī)模適當(dāng)。

4.2 壩基抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計算

根據(jù)焦石攔河閘混凝土溢流壩結(jié)構(gòu)布置、受力等條件，壩基抗滑穩(wěn)定應(yīng)力計算工況為：①正常擋水工況：上游水位28.46m，下游24.0m；②設(shè)計洪水工況：上游水位36.18m，下游35.64m；③校核洪水工況：上游水位37.63m，下游37.00m。采用SL 265—2016抗剪強(qiáng)度公式和抗剪斷公式[16]，分別計算得焦石攔河閘混凝土溢流壩穩(wěn)定應(yīng)力計算成果見表3。

從表3計算成果可知：各組合工況條件下，焦石攔河閘混凝土溢流壩的壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的允許值；地基應(yīng)力均小于允許承載力[σ]=600kPa，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

焦石攔河閘是贛撫平原水利樞紐重要的引水灌溉和城鎮(zhèn)供水工程，由于建設(shè)、管理水平偏低，加上幾十年運(yùn)行且未經(jīng)系統(tǒng)安全復(fù)核和病險排查，攔河閘壩存在防滲心墻破壞、混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、壩腳沖刷失穩(wěn)等病險問題，急需通過合理除險加固改造確保水閘功能正常高效發(fā)揮。結(jié)合調(diào)洪計算成果，綜合考慮工程地質(zhì)條件、樞紐建筑物布置和工程投資等因素，優(yōu)選原壩址新建混凝土溢流壩方案，能有效增強(qiáng)攔河閘壩的擋蓄水和泄洪能力。通過對過水土壩除險加固設(shè)計的總結(jié)，可為類似工程壩址比選及拆除重建處理提供一定借鑒經(jīng)驗(yàn)和方法。