宿鴨湖水庫除險加固工程大壩上游護坡優化設計

□張懷坤（河南省水利勘測設計研究有限公司）

宿鴨湖水庫除險加固工程大壩上游護坡優化設計

□張懷坤（河南省水利勘測設計研究有限公司）

由于宿鴨湖水庫大壩太長，大壩的加高措施對整個除險加固的投資影響較大，而大壩上游護坡形式的選擇，對大壩的加高措施影響較大，通過大壩護坡消浪性能試驗，對大壩護坡加糙措施進行優化，不僅使大壩加高措施簡單易行，還為水庫大壩護坡消浪提供了一種經濟、可行的加糙措施。

宿鴨湖水庫；護坡；加糙塊；優化設計

一、工程概況

水庫于1958年8月建成，經過5次除險加固后，現工程標準為100年一遇洪水設計，1000年一遇洪水校核。目前，水庫正在進行第六次除險加固。

水庫建筑物主要有大壩、5孔泄洪閘、7孔泄洪閘、桂莊灌溉渠首閘、南干灌溉渠首閘、桂莊輸水涵閘及電站、夏屯輸水涵閘及電站等。

二、大壩

宿鴨湖水庫大壩北起汝南縣玉皇廟附近汝河左堤，南至臻頭河右岸野豬崗的后店村，竣工長度37.327km。壩身截斷汝河干流及支流練江、英河和臻頭河。按自然地形分為北崗（0+000～8+989）、洼地（8+989～23+797.6），南崗（23+797.6～34+201.6）3 個壩段，北崗堤壩連接段（-3-125～0+000）為汝河河堤和大壩的過渡段，1982年除險加固時列入工程范疇。—般地面高程北崗為53.0～54.0m，洼地為48.5～50.0m，南崗為52.0～53.0m。

大壩全系壤土填筑的碾壓式均質土壩，壩頂高程 59.04m，壩頂寬度8m。最大壩高在蘇莊汝河堵口、練江河堵口及臻頭河堵口，分別為14.4m、18m和16.35m。大壩邊坡上游一般為1∶2.5，下游為1∶2。防浪林臺以下至地面高程50.34m在樁號8+989～23+586.5間為漿砌石護坡，邊坡1∶2.0。塊石厚度 0.35m，下設碎石、粗砂墊層，厚度各為0.2m及 0.1m。林臺以上至 56.34m高程為利用舊料鋪砌的干砌塊石護坡，碎石墊層0.15m。除此以外全壩上下游皆為草皮護坡。

洼地段大壩1969年改善加固時，于上游54.50m構筑有防浪林臺，寬度25m，其上營造消浪林帶，后于1985年進行加固林臺設計。加固后洼地段林臺高度不變，寬度減為20.5m。北崗、南崗林臺高程53.50m。林帶寬度北崗25m、洼地20m、南崗30m，株距2m，依等邊三角形布置。但目前林臺防浪林缺失嚴重，經過水庫歷次除險加固，施工中多數遭到砍伐破壞，大多壩段無防浪林，有防浪林的地方也只剩1～2排，樹種也發生了變化。目前樹木已長高，大部分已超出防浪墻頂。林帶寬度、樹冠、樹干半徑均有變化，已起不到消浪作用。

三、大壩上游護坡加固措施

大壩上游護坡的形式不同，對波浪的爬高影響較大，常用的護坡為草皮護坡、干砌石護坡、混凝土預制塊護坡、混凝土板護坡等幾種形式，但這些護坡形式下的波浪爬高較大，則大壩加高勢必較大，投資也較大。

參考沿海堤防上游堆放大塊石消浪的經驗，也可以考慮大壩上游設堆石，但堆石所用石料的量較大，而距離宿鴨湖最近的石料場也有40多公里，運距太遠，不經濟。

根據堆石消浪效果較好的特點，可考慮在護坡上設置加糙砌石，這樣既能對護坡進行有效保護，又能削減風浪爬高，降低大壩加高高度。由于加糙砌石只是在護坡上設置等間距布置的砌石，則所用石料的量較小，因此這種護坡形式的投資也較小。

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根據現行規范進行護坡風浪計算，草皮護坡已不能滿足要求，則南崗段和北崗段大壩上游的草皮護坡應進行加固，干砌石護坡是一種較經濟、效果較好的護坡形式，但由于宿鴨湖水庫附近無石料場，再加上干砌石對所用石料要求比較高，施工時所用人工較多，而人工費又較高，施工效率非常低，因此干砌石實施起來比較困難。如果護坡用現澆混凝土板，則護坡厚度可以比干砌石減小，且機械化施工程度較高，總體算下來現澆混凝土板護坡的投資并不比干砌石護坡的投資大，所以，兩崗壩段上游護坡采用現澆混凝土板，其上再做加糙砌石。

四、大壩上游護坡消浪性能試驗

為了驗證大壩護坡加糙后的消浪效果，選取典型斷面采用不同加糙方式進行了消浪性能的物理模型試驗。宿鴨湖水庫大壩試驗選擇洼地段大壩典型斷面，該斷面均為斜坡式結構，斜坡坡度1∶2.5。

（一）斜坡護面波浪爬高糙滲系數試驗

斜坡護面結構型式的糙滲系數K⊿是反映其消浪性能的重要參數。本次試驗針對北崗壩段和洼地壩段不同護面形式，進行波浪爬高試驗，分析其糙滲系數，并且測量了校核洪水位和設計洪水位及相應波浪作用下的爬高值，為大壩設計提供依據。

試驗首先在足夠長斜坡上測量護面結構型式為光板（光滑不透水）時的波浪爬高，然后測量采用加糙護面時的波浪爬高，再將采用加糙護面時的波浪爬高與光板時的值相比，從而得到加糙護面結構型式的糙滲系數。

洼地段典型斷面上游護坡保留原有干砌塊石，在上面設混凝土方塊體進行加糙處理，混凝土方塊體下部兩邊有圓弧，可改變水流爬高方向，引起水流紊動，從而消減波浪爬高動能，降低爬高。混凝土方塊體根據大小和平面布置分為3種，最小的尺寸為900mm×600mm×600mm，平面布置上下間距600mm，水平間距900mm，埋入干砌塊石中深度300mm，稱為方案1。中等的尺寸為1200mm×750mm×600mm，平面布置上下間距600mm，水平間距1000mm，埋入干砌塊石中深度300mm，稱為方案2；最大的尺寸為1500mm×900mm×600mm，平面布置上下間距900mm，水平間距1500mm，埋入干砌塊石中深度300mm，稱為方案3。

試驗遵照《波浪模型試驗規程》相關規定，采用正態模型，按照Froude數相似律設計。根據設計水位、波浪要素、試驗斷面及試驗設備條件等因素，模型幾何比尺取為10。

經試驗，校核水位、設計水位相應波浪作用下，不同護面型式的波浪爬高R1%試驗結果見表1，3種不同護面結構型式糙滲系數K⊿見表2。

表1 不同護面型式波浪爬高試驗結果（m）

表2 不同護面結構型式糙滲系數K⊿

由表1可見，采用護面結構型式方案2的糙滲系數最小，消浪性能也最好。由此選擇護面結構型式方案2作為本次洼地壩段加固設計護面方案,加糙塊細部尺寸見圖1、圖2。

圖1 加糙塊平面圖

圖2 加糙塊立面圖

在進行不同混凝土方塊體護面結構型式消浪性能及糙滲系數試驗時，混凝土方塊體是安裝在光板（光滑不透水）面上進行的，而宿鴨湖水庫大壩洼地段已有護面結構為干砌塊石，加固工程是將方塊體安裝于干砌塊石護面上，試驗測得的混凝土方塊體消浪性能與加固后的工程條件存在差別，因此，試驗中針對選定的護面結構型式方案2模擬了干砌塊體和混凝土方塊體護面，并進行了消浪性能對比試驗。

在校核洪水位和設計洪水位及相應波浪作用下，護面結構型式方案2在采用干砌塊石和混凝土方塊體條件下波浪爬高及糙滲系數試驗結果見表3。

表3 護面方案2（干砌塊石+混凝土方塊體）波浪爬高及糙滲系數K⊿

（二）大壩加固設計斷面試驗

本次大壩設計斷面在斜坡堤頂設有防浪墻，波浪對其作用與完全斜坡堤不盡相同，因此，需進行大壩加固設計斷面試驗，觀察越浪情況、波浪沿防浪墻上爬高度、護面及防浪墻穩定性，并對消浪護面護砌范圍進行比選優化。

鑒于原加固設計斷面的波浪上爬高度較大，并有越浪產生，可能對大壩壩頂和后坡產生影響。借鑒以往海堤防護措施的經驗，在防浪墻頂部設一挑檐，使沿防浪墻上爬的水流改變方向，沿挑檐返回到防浪墻前方，可有效解決頂部少許越浪的問題。挑檐設在防浪墻水庫一側的頂部，突出防浪墻前沿0.1m，高0.2m，與防浪墻前沿形成1∶1的斜角。

試驗表明，在防浪墻頂設置后，校核洪水位時，波浪破碎形成的沿防浪墻上爬水流受挑檐阻擋，返回到水庫側，沒有明顯的越浪產生。校核洪水位、設計洪水位及相應波浪作用下，宿鴨湖水庫大壩洼地壩段加固設計修改斷面插砌混凝土方塊體方案2護面型式的防浪墻前沿波浪爬高試驗結果見表4。

表4 洼地壩段加固設計修改斷面波浪沿擋浪墻上爬高度

在校核洪水位、不規則波（H1%＝1.30m，T＝3.26s）作用下，洼地壩段加固設計修改斷面防浪墻前沿的水體上升高度Rmax為2.21m；規則波（H＝1.30m，T＝3.26s）作用下，防浪墻前沿的水體上升高度R平均為2.18m。

五、結語

一是試驗結果驗證壩坡加糙形式所產生的消浪作用滿足壩頂超高要求，洼地壩段加糙護面范圍優化試驗表明，下部減少一排插砌混凝土方塊體后，對越浪、防浪墻及插砌混凝土方塊體護面穩定影響不大。

二是洼地壩段在原加固設計斷面基礎上，在防浪墻頂設置挑檐，可滿足不越浪的要求，防浪墻及插砌混凝土方塊體護面穩定。

三是經過試驗，不僅優化了大壩上游護坡加糙型式，減少了投資，而且使大壩加高的方案容易實施。

2011-06-20