宿鸭湖水库除险加固工程大坝上游护坡优化设计

□张怀坤（河南省水利勘测设计研究有限公司）

宿鸭湖水库除险加固工程大坝上游护坡优化设计

□张怀坤（河南省水利勘测设计研究有限公司）

由于宿鸭湖水库大坝太长，大坝的加高措施对整个除险加固的投资影响较大，而大坝上游护坡形式的选择，对大坝的加高措施影响较大，通过大坝护坡消浪性能试验，对大坝护坡加糙措施进行优化，不仅使大坝加高措施简单易行，还为水库大坝护坡消浪提供了一种经济、可行的加糙措施。

宿鸭湖水库；护坡；加糙块；优化设计

一、工程概况

水库于1958年8月建成，经过5次除险加固后，现工程标准为100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核。目前，水库正在进行第六次除险加固。

水库建筑物主要有大坝、5孔泄洪闸、7孔泄洪闸、桂庄灌溉渠首闸、南干灌溉渠首闸、桂庄输水涵闸及电站、夏屯输水涵闸及电站等。

二、大坝

宿鸭湖水库大坝北起汝南县玉皇庙附近汝河左堤，南至臻头河右岸野猪岗的后店村，竣工长度37.327km。坝身截断汝河干流及支流练江、英河和臻头河。按自然地形分为北岗（0+000～8+989）、洼地（8+989～23+797.6），南岗（23+797.6～34+201.6）3 个坝段，北岗堤坝连接段（-3-125～0+000）为汝河河堤和大坝的过渡段，1982年除险加固时列入工程范畴。—般地面高程北岗为53.0～54.0m，洼地为48.5～50.0m，南岗为52.0～53.0m。

大坝全系壤土填筑的碾压式均质土坝，坝顶高程 59.04m，坝顶宽度8m。最大坝高在苏庄汝河堵口、练江河堵口及臻头河堵口，分别为14.4m、18m和16.35m。大坝边坡上游一般为1∶2.5，下游为1∶2。防浪林台以下至地面高程50.34m在桩号8+989～23+586.5间为浆砌石护坡，边坡1∶2.0。块石厚度 0.35m，下设碎石、粗砂垫层，厚度各为0.2m及 0.1m。林台以上至 56.34m高程为利用旧料铺砌的干砌块石护坡，碎石垫层0.15m。除此以外全坝上下游皆为草皮护坡。

洼地段大坝1969年改善加固时，于上游54.50m构筑有防浪林台，宽度25m，其上营造消浪林带，后于1985年进行加固林台设计。加固后洼地段林台高度不变，宽度减为20.5m。北岗、南岗林台高程53.50m。林带宽度北岗25m、洼地20m、南岗30m，株距2m，依等边三角形布置。但目前林台防浪林缺失严重，经过水库历次除险加固，施工中多数遭到砍伐破坏，大多坝段无防浪林，有防浪林的地方也只剩1～2排，树种也发生了变化。目前树木已长高，大部分已超出防浪墙顶。林带宽度、树冠、树干半径均有变化，已起不到消浪作用。

三、大坝上游护坡加固措施

大坝上游护坡的形式不同，对波浪的爬高影响较大，常用的护坡为草皮护坡、干砌石护坡、混凝土预制块护坡、混凝土板护坡等几种形式，但这些护坡形式下的波浪爬高较大，则大坝加高势必较大，投资也较大。

参考沿海堤防上游堆放大块石消浪的经验，也可以考虑大坝上游设堆石，但堆石所用石料的量较大，而距离宿鸭湖最近的石料场也有40多公里，运距太远，不经济。

根据堆石消浪效果较好的特点，可考虑在护坡上设置加糙砌石，这样既能对护坡进行有效保护，又能削减风浪爬高，降低大坝加高高度。由于加糙砌石只是在护坡上设置等间距布置的砌石，则所用石料的量较小，因此这种护坡形式的投资也较小。

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根据现行规范进行护坡风浪计算，草皮护坡已不能满足要求，则南岗段和北岗段大坝上游的草皮护坡应进行加固，干砌石护坡是一种较经济、效果较好的护坡形式，但由于宿鸭湖水库附近无石料场，再加上干砌石对所用石料要求比较高，施工时所用人工较多，而人工费又较高，施工效率非常低，因此干砌石实施起来比较困难。如果护坡用现浇混凝土板，则护坡厚度可以比干砌石减小，且机械化施工程度较高，总体算下来现浇混凝土板护坡的投资并不比干砌石护坡的投资大，所以，两岗坝段上游护坡采用现浇混凝土板，其上再做加糙砌石。

四、大坝上游护坡消浪性能试验

为了验证大坝护坡加糙后的消浪效果，选取典型断面采用不同加糙方式进行了消浪性能的物理模型试验。宿鸭湖水库大坝试验选择洼地段大坝典型断面，该断面均为斜坡式结构，斜坡坡度1∶2.5。

（一）斜坡护面波浪爬高糙渗系数试验

斜坡护面结构型式的糙渗系数K⊿是反映其消浪性能的重要参数。本次试验针对北岗坝段和洼地坝段不同护面形式，进行波浪爬高试验，分析其糙渗系数，并且测量了校核洪水位和设计洪水位及相应波浪作用下的爬高值，为大坝设计提供依据。

试验首先在足够长斜坡上测量护面结构型式为光板（光滑不透水）时的波浪爬高，然后测量采用加糙护面时的波浪爬高，再将采用加糙护面时的波浪爬高与光板时的值相比，从而得到加糙护面结构型式的糙渗系数。

洼地段典型断面上游护坡保留原有干砌块石，在上面设混凝土方块体进行加糙处理，混凝土方块体下部两边有圆弧，可改变水流爬高方向，引起水流紊动，从而消减波浪爬高动能，降低爬高。混凝土方块体根据大小和平面布置分为3种，最小的尺寸为900mm×600mm×600mm，平面布置上下间距600mm，水平间距900mm，埋入干砌块石中深度300mm，称为方案1。中等的尺寸为1200mm×750mm×600mm，平面布置上下间距600mm，水平间距1000mm，埋入干砌块石中深度300mm，称为方案2；最大的尺寸为1500mm×900mm×600mm，平面布置上下间距900mm，水平间距1500mm，埋入干砌块石中深度300mm，称为方案3。

试验遵照《波浪模型试验规程》相关规定，采用正态模型，按照Froude数相似律设计。根据设计水位、波浪要素、试验断面及试验设备条件等因素，模型几何比尺取为10。

经试验，校核水位、设计水位相应波浪作用下，不同护面型式的波浪爬高R1%试验结果见表1，3种不同护面结构型式糙渗系数K⊿见表2。

表1 不同护面型式波浪爬高试验结果（m）

表2 不同护面结构型式糙渗系数K⊿

由表1可见，采用护面结构型式方案2的糙渗系数最小，消浪性能也最好。由此选择护面结构型式方案2作为本次洼地坝段加固设计护面方案,加糙块细部尺寸见图1、图2。

图1 加糙块平面图

图2 加糙块立面图

在进行不同混凝土方块体护面结构型式消浪性能及糙渗系数试验时，混凝土方块体是安装在光板（光滑不透水）面上进行的，而宿鸭湖水库大坝洼地段已有护面结构为干砌块石，加固工程是将方块体安装于干砌块石护面上，试验测得的混凝土方块体消浪性能与加固后的工程条件存在差别，因此，试验中针对选定的护面结构型式方案2模拟了干砌块体和混凝土方块体护面，并进行了消浪性能对比试验。

在校核洪水位和设计洪水位及相应波浪作用下，护面结构型式方案2在采用干砌块石和混凝土方块体条件下波浪爬高及糙渗系数试验结果见表3。

表3 护面方案2（干砌块石+混凝土方块体）波浪爬高及糙渗系数K⊿

（二）大坝加固设计断面试验

本次大坝设计断面在斜坡堤顶设有防浪墙，波浪对其作用与完全斜坡堤不尽相同，因此，需进行大坝加固设计断面试验，观察越浪情况、波浪沿防浪墙上爬高度、护面及防浪墙稳定性，并对消浪护面护砌范围进行比选优化。

鉴于原加固设计断面的波浪上爬高度较大，并有越浪产生，可能对大坝坝顶和后坡产生影响。借鉴以往海堤防护措施的经验，在防浪墙顶部设一挑檐，使沿防浪墙上爬的水流改变方向，沿挑檐返回到防浪墙前方，可有效解决顶部少许越浪的问题。挑檐设在防浪墙水库一侧的顶部，突出防浪墙前沿0.1m，高0.2m，与防浪墙前沿形成1∶1的斜角。

试验表明，在防浪墙顶设置后，校核洪水位时，波浪破碎形成的沿防浪墙上爬水流受挑檐阻挡，返回到水库侧，没有明显的越浪产生。校核洪水位、设计洪水位及相应波浪作用下，宿鸭湖水库大坝洼地坝段加固设计修改断面插砌混凝土方块体方案2护面型式的防浪墙前沿波浪爬高试验结果见表4。

表4 洼地坝段加固设计修改断面波浪沿挡浪墙上爬高度

在校核洪水位、不规则波（H1%＝1.30m，T＝3.26s）作用下，洼地坝段加固设计修改断面防浪墙前沿的水体上升高度Rmax为2.21m；规则波（H＝1.30m，T＝3.26s）作用下，防浪墙前沿的水体上升高度R平均为2.18m。

五、结语

一是试验结果验证坝坡加糙形式所产生的消浪作用满足坝顶超高要求，洼地坝段加糙护面范围优化试验表明，下部减少一排插砌混凝土方块体后，对越浪、防浪墙及插砌混凝土方块体护面稳定影响不大。

二是洼地坝段在原加固设计断面基础上，在防浪墙顶设置挑檐，可满足不越浪的要求，防浪墙及插砌混凝土方块体护面稳定。

三是经过试验，不仅优化了大坝上游护坡加糙型式，减少了投资，而且使大坝加高的方案容易实施。

2011-06-20