栗子坪水電站渠首壩加固改造方案探討

□趙 蓉（河南省農村水電及電氣化發展中心）

1 渠首壩現狀及評價

1.1 現狀

渠首樞紐位于伊河東灣水文站下游4km的元灣村附近，控制流域面積2959km2，多年平均流量22.13m3/s，主要包括渠首壩、進水閘、沖沙閘、護村壩等建筑物。電站已經運行36年，水工建筑物和部分設備逐步暴露出一些問題，尤其是樁基重力壩壩下基礎已經部分掏空，壩下游形成沖坑，危機渠首壩的安全及正常引水，對其實施技術改造十分緊迫和必要。

1.2 現狀評價

栗子坪水電站渠首壩為樁基上的漿砌石重力壩，與傳統的巖基上重力壩和軟基上重力壩相比，基礎開挖量、施工排水量大幅度減少，施工難度降低，且便于施工導流，有利于縮短工期、降低造價。但是由于上游不按規范設置防滲鋪蓋或防滲墻，而上游河道覆蓋層大多都是砂卵石，通過洪水容易導致壩基覆蓋層掏空，完全失去防滲功能，枯水期徑流大部分從壩下通過，影響正常發電引水；下游不設消能防沖設施，在下游形成沖坑，更加快了壩基掏刷，導致樁基暴露，危及壩體安全；樁基施工質量難于控制，往往造成樁徑和混凝土強度等達不到設計要求，使壩基處于不穩定狀態。這些因素都使已經建成的樁基壩出現不同程度的破壞，需要不斷投入加固維護費用。建成以來，針對出現的問題，采取了各種不同的加固方案，但實際效果都不明顯，都沒有從根本上解決該壩型存在的主要缺陷。

由于伊河上游是山洪災害頻發的河段，洪水陡漲陡落，河床覆蓋層為砂卵石，壩基極易被掏空，加上近年來壩下游采砂采石造成的河床逐步下切，一般的加固處理方案很難從根本上解決渠首壩出現的問題，必須采取符合工程實際的改造方案，才能確保渠首壩安全和電站正常引水發電。

2 壩型比選

根據壩址區地形地質條件、水文條件、當地建筑材料供應情況及電站渠首壩多次建設、損毀和修復情況，結合省內相近河流和工程取得的建設經驗，經過分析適宜栗子坪水電站渠首的壩型方案有多種，通過初步分析，主要有以下2種。

方案Ⅰ：巖基上漿砌石重力壩

壩址處河道開闊，沿壩軸線河床寬約180m，原河床高程為352.40m，河床砂卵石覆蓋層厚度為8～10m，覆蓋層以下分布的花崗巖致密堅硬。重力壩布置以最大限度與原壩長壩頂高程及原樁基漿砌石重力壩結合為原則，充分利用原壩體和副壩、護村壩等設施。壩長仍為161.50m，壩頂高程為356.55m。直接工程投資679萬元。

該方案保留現樁基及壩體，將河床開挖至巖基后利用漿砌石砌筑結合灌漿方式把樁基間填實，作為重力壩體的一部分，在現壩體下游新加部分壩體，并與原壩體連成整體。最大壩高14m，壩底寬14m。由于壩體直接座在巖石基礎上，可以完全截住河床下潛流，并從根本上解決壩體及上、下游防滲、抗沖設施頻遭洪水破壞影響電站引水和壩體安全問題。但該方案開挖施工和樁基間漿砌石砌筑難度較大，投資較大。

方案Ⅱ：樁基上漿砌石重力壩加固

保留現在樁基漿砌石重力壩壩體和上游鋼筋混凝土防滲鋪蓋，利用泵送混凝土結合灌漿的方式把壩基下掏空的部分填實，根據消能防沖計算結果在壩下游設置長18m、深6m的鋼筋籠塊石防沖體，直接工程投資458萬元。

該方案施工難度小，工期短，投資也較小，但屬于臨時加固措施，不能從根本上解決壩基下河床掏空和壩下游沖坑破壞問題，每年維修費用高。

通過以上比較得出，方案Ⅰ巖基上漿砌石重力壩與方案Ⅱ樁基漿砌石重力壩加固處理比，雖然基坑開挖難度大，直接工程投資多221萬元，工期較長，但具有以下幾方面明顯的優勢：一是由于壩體直接座在微透水性的巖石基礎之上，枯水期可以截住河床下潛流，增加引水量。通過分析估算，平均每年可增加發電量31萬kW·h以上，增加發電收入近10萬元；二是巖基上漿砌石重力壩下游不需要防沖設施，安全穩定有保證，下游河床下切不影響壩體安全；三是該壩型技術成熟，在省內外同類河流和工程中廣泛采用，壩體施工便于施工，且省內已有樁基漿砌石重力壩部分壩段垮壩后整體改造為巖基重力壩的經驗；四是與方案Ⅱ比，基本沒有維護修理費用。

通過比較可以得出，巖基上漿砌石重力壩方案雖然投資較大，工期略長，但可保證工程長期安全穩定運行，基本不受河床情勢變化的影響，且可以增加發電效益，減少維修費用。綜合比較確定采用巖基上漿砌石重力壩方案。

3 渠首壩布置和設計

3.1 渠首壩布置

作為加固改造工程，栗子坪水電站渠首壩的布置盡量與現有建筑物有機結合，充分利用現有工程，以節省工程投資。漿砌石溢流重力壩壩長161.50m，壩頂高程356.55m，最大壩高14m，壩底寬14m。左端與電站沖砂閘、進水閘相連，右岸與副壩和護村壩相接。施工中盡量保留上游長20m的鋼筋混凝土防滲鋪蓋。壩體自左至右共分1～16個壩段，壩段之間均設置寬2cm橫縫。

壩左端的沖砂閘、進水閘座在巖基上，閘體結構穩定，只需對影響正常使用的門槽、門體及啟閉設備進行更新改造。右端副壩和護村壩經過多年來多次洪水的考驗，基本處于穩定狀態，只需對局部壩體進行加固修補。上游鋼筋混凝土防滲鋪蓋為2010年7.24洪水后加固時與下游護坦同時設置，2011年汛期，在下游護坦主河槽部分被沖毀之后，上游鋪蓋整體保持完好，本次改造盡可能予以保留。

現有漿砌石壩體和樁基礎處于穩定狀態，作為改造后漿砌石重力壩壩體的一部分，樁基之間被掏空部分以漿砌石或混凝土回填，并根據需要實施回填灌漿，確保壩體密實。在現有壩體和樁基礎下游砌筑M75漿砌塊石壩體，與原有壩體共同形成新的重力壩壩體，溢流面采用C30鋼筋混凝土。

3.2 渠首壩設計

根據《混凝土重力壩設計規范》中開敞式溢流堰泄流能力計算公式對溢流堰泄流進行計算，通過分析選定有關參數，溢流堰頂下游堰面、堰面上游曲線分別采用WES冪曲線、雙圓弧曲線進行計算以確定溢流壩頂水位、坐標，溢流壩反弧段采用挑流消能形式，其反弧段半徑R=8m，挑射角θ＝22°，反弧段底高程352.42m，挑坎高程353.00m，比下游河床高0.80m。直線段分別與下游堰面曲線和反弧段相切，坡度為1∶0.84。

按照《混凝土重力壩設計規范》要求，根據栗子坪電站渠首壩實際情況選定有關計算條件和參數，通過壩體穩定計算、應力分析和消能防沖等驗算、計算結果表明：壩體在各種荷載組合情況下的抗滑穩定安全系數均滿足規范要求；溢流壩基底壓力均小于地基巖石允許壓應力，且未出現拉應力；在各種情況下下游沖坑最低點均達不到河床基巖面上，沖坑不會影響到壩的運行安全。

4 結論

綜上分析，本文提出的在栗子坪電站渠首加固改造中，采用巖基上漿砌石重力壩方案可確保電站長期安全穩定運行，基本不受下游河床情勢變化的影響，且可以增加發電量，減少維修費用，提高電站經濟效益。