贛撫平原焦石攔河閘過水土壩除險加固設計

張書濱 白 斌

(1.江西省河道湖泊管理局，江西 南昌 330009；2.四川大學水電學院，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、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)，設計洪水位(P=2%)36.18m，相應下泄流量13200m3/s；校核洪水位(P=0.5%)37.63m，相應下泄流量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，其結構布置型式：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，兩側坡30∶1，底部嵌入風化基巖0.3m。心墻分為3段、分縫處設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#混凝土護面。棱體與壩體之間設兩級反濾層，各厚0.4m。上游坡在25.0m高程以上用厚0.2m的90#混凝土板護面，25.0m高程以下為厚0.3m干砌石護面。

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

圖1 焦石過水土壩現存典型問題

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、下游面結構穩(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]；面板受水流沖刷嚴重，出現大面積蜂窩麻面，孔洞現象。下游面板接縫有渾水滲出，危及建筑物的安全。

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

(3)下游未設防沖消能設施，壩腳沖刷淘空嚴重。

采用有限元二維滲流計算程序對過水土壩滲流情況進行分析，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。壩體結構及滲透系數取值：上游粘土或砂壤土k=1.0×10-4cm/s；混凝土心墻出現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。計算結果表明：心墻混凝土質量差，且局部出現孔洞滲漏等問題。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

根據地形地質條件及大壩現存病險問題，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行技術經濟比較。

方案一：過水土壩直接加固。在過水土壩頂帽結構前緣全線276.0m增設一道混凝土防滲墻，以解決現狀混凝土心墻質量差、有孔洞，存在滲透薄弱環(huán)節(jié)問題。過水土壩心墻下游側采用水泥漿充填灌漿處理，避免因砂礫料內的中細砂流失造成下沉，影響過水土壩下游鋼筋混凝土面板的穩(wěn)定[8- 9]。挑坎下游設鋼筋混凝土護坦保護，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。壩體挑坎下游風化巖基面上設10～20m長的鋼筋混凝土防沖護坦，板厚0.5～0.6m，頂高程21.7m。混凝土溢流壩右壩端上游74m范圍內的灘地岸坡設護坡保護，其中上段長39.0m為厚0.40m干砌石護坡，下段長35.0m設厚0.60m的混凝土護坡，坡度1∶3.0；壩下游右邊長80.0m范圍內的灘地岸坡設0.60m厚的混凝土護坡，坡度1∶2。混凝土護坡下設0.25m厚的砂卵石墊層。為了改善壩基的物理力學性能，及解決壩基風化巖體存在中、強透水層問題，擬對壩基進行固結灌漿，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。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、下游護坦及右岸護坡和壩基處理均與方案二相同。

經分析，工程地質條件方面：原壩址弱風化巖層較淺，尤其是新建混凝土溢流壩方案，壩基可直接置于弱風化巖層上；而易壩址壩基處則弱風化巖層較深。原壩址地質條件較優(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連接導墻下泄至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，工程結構布置美觀，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，最省；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)。

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條件較好，工程布置美觀、水流條件較好等優(yōu)點。因此，設計優(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)定應力計算成果

有所增加，改變了壩上水位流量關系，故須予以重新計算[7]。焦石攔河閘壩泄流設施分為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有的過水土壩改建而成外，其余各泄流設施均未改變。按SL265—2016《水閘設計規(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行復核[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(相應下游水位37.00m，上下游水位差0.63m)，相應最大下泄流量16400m3/s；設計洪水位(P=2%)為36.18m(相應下游水位35.64m，上下游水位差0.59m)，相應最大下泄流量13200m3/s。與現狀水閘泄流規(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，規(guī)模適當。

4.2 壩基抗滑穩(wěn)定及應力計算

根據焦石攔河閘混凝土溢流壩結構布置、受力等條件，壩基抗滑穩(wěn)定應力計算工況為：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)定安全系數均大于規(guī)范要求的允許值；地基應力均小于允許承載力[σ]=600kPa，滿足設計要求。

5 結語

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、管理水平偏低，加上幾十年運行且未經系統(tǒng)安全復核和病險排查，攔河閘壩存在防滲心墻破壞、混凝土結構穩(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。結合調洪計算成果，綜合考慮工程地質條件、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計的總結，可為類似工程壩址比選及拆除重建處理提供一定借鑒經驗和方法。