汾河一坝枢纽滚水坝防渗、防冲除险加固方案

常晓亮

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 汾河一坝枢纽除险加固工程概述

汾河一坝枢纽工程由滚水坝、东西冲沙闸、中部冲沙闸、东西干渠进水闸、以及上、下游近闸堤防组成，滚水坝位于主河槽中部，顺水流向与主河道平行布置。滚水坝曾在坝下游出现过渗透（管涌）破坏，目前上游无有效的防渗、防冲设施。

由于工程布置复杂，上下游水流流态紊乱，2011年山西省水利科学研究院根据一坝枢纽现状布置，进行了汾河一坝枢纽水闸水力学模型定床模型试验，该试验于2012年完成。

2 现状滚水坝渗透稳定复核

根据与汾河一坝管理站管理人员了解，滚水坝在2010年“汾河兰村至柴村桥段河道整治工程”施工前曾在坝下游出现过渗透破坏，该工程施工时只对坝体进行了简单加固，并未对坝体渗透稳定采取有效的工程措施。本次除险加固对滚水坝渗透稳定进行复核计算。首先进行计算工况的分析，通过枢纽水力学模型试验数据，列表分析不同来水量时的上下游水位差，最大水位差即为最不利工况，然后对该工况进行分析计算。不同来水量时的上下游水位差见表1。

表1 水力学模型试验上、下游水位差值表

经表1分析，灌溉蓄水期上下游水位差最大，为最不利工况，根据该工况，对现状滚水坝及加固后的滚水坝进行渗流稳定复核分析计算：

①地基分段。分为进口段、内部垂直段和内部水平段

②地基计算的有效深度。根据规范，地基计算的有效深度Te可按下式计算；

式中：Te——土基上水闸地基的有效深度，m；

L0——地下轮廓的水平投影长度，m；

S0——地下轮廓的垂直投影长度，m。

③各段水头损失和单宽渗流量。各段的水头损失hi按下式计算：

式中：q——单宽渗流量；m3/s;

k——土的渗流系数；

ζi——第i段的阻力系数，其值与段的几何形状和尺寸有关，

计算公式如下：进出口段的阻力系数：

内部垂直段的阻力系数：

内部水平段的阻力系数：

式中：S1、S2——水平段两端板桩的长度，m；

L——水平段的长度，m。

当求得 ζx≤0 时，取 ζx=0。

④对进出口处水头损失的修正。由上式得到的进出口段阻力系数，在某些情况下有较大的误差，因此要对上述方法求出的进出口段水头损失h0值进行修正，修正后的水头损失h0’为

式中：β——修正系数，由下式确定：

式中：T——进、出口段的地基深度,m；

T’——进、出口段另一侧的地基深度,m。

当β＜1时，需要修正。由上式得到h0’，亦即得到进出口段水头损失的减少值为Δh=(1-β)h0，此时，还要相应的将该值Δh调整到其相邻的水头损失值中去，具体如下：

hx≥Δh（hx为与进出口板桩相邻的水平段的水头损失），此时，与板桩相邻的水平段的水头损失应修正为：

hx＜Δh时，常有两种情况，但本工程中适用下列情况：

由hx＋hy≥Δh（hy为与hx相邻的垂直段的水头损失），相邻水平段的水头损失应修正为：

相邻垂直段的水头损失应修正为：

⑤渗流坡降的计算。出口渗流平均坡降J由下式确定：

式中:S——出口段地下轮廓的垂直长度。

⑥计算结果。现状滚水坝渗流稳定分析计算图见图1，计算结果见表2。

图1 现状滚水坝渗流稳定分析计算图

表2 加固前各段水头损失和单宽身流量及修正后计算成果表

滚水坝基础为卵石混合土，地勘资料中该地层出口处允许水力比降J为0.10，由表2可知：计算值大于该允许值，故本次除险加固需对滚水坝渗透稳定采取工程措施。

3 滚水坝防渗、防冲加固设计

滚水坝上游防渗形式拟采取钢筋混凝土水平铺盖结合垂直钢筋混凝土防渗墙方案。设计中首先确定垂直防渗墙深度，然后根据防渗垂直深度计算水平防渗长度。

1）上游垂直防渗（防冲）墙深度确定。在上游设置垂直防渗墙，在本工程中既有防渗作用，又有对上游水平铺盖首端防冲作用。首先防渗墙深度应满足上游铺盖首端防冲要求，根据《水闸设计规范》（SL265—2001）附录B公式（B.3.2）计算上游铺盖首端的河床冲刷深度，来确定垂直防渗（防冲）墙深度。以下对设计工况及校核工况分别进行计算：

上游护底首端河床冲刷深度按下式计算：

式中：d′m——上游护底首端河床冲刷深度，m;

q′m——下游护底首端单宽流量，m2/s;

h′m——上游护底首端河床水深，m。

［v0］——河床土质允许不冲流速，m/s；取1.6m/s计算结果见表3,表4。

表3 设计工况冲刷深度计算成果表

表4 校核工况冲刷深度计算成果表

上表中计算参数来自汾河一坝枢纽水力学模型试验报告，根据以上计算结果，垂直防渗（防冲）墙深度由校核工况冲刷深度来确定，计算冲刷深度为9.6m，垂直防渗（防冲）墙深度取10.0m。

2）上游垂直防渗墙（防冲）布置。上游防渗（防冲）墙垂直河道布置，总长89m，设计深度确定为10m，厚度0.8m，采用C25钢筋混凝土结构，抗渗等级W4。

3）上游水平防渗长度确定。上游垂直防渗墙深度10 m，通过以上渗透稳定分析公式来试算水平铺盖长度，拟定钢筋混凝土水平铺盖为25m。

4）加固后的滚水坝渗流稳定分析计算。加固后的渗流稳定分析图见图2。渗流稳定分析计算结果见表5、表6。

表5 防渗设计参数表

经表5、表6计算，工程在对滚水坝采取防渗工程措施后，滚水坝下游出口计算的水力比降在允许范围内，基本满足要求。

5）上游水平防渗结构设计。上游水平铺盖长25m，厚0.85m，底层为0.5m厚黏土，顶层采用0.35m厚C25钢筋混凝土，铺盖纵横向每隔12.5m设置伸缩缝。

4 结语

为解决汾河一坝滚水坝渗透稳定与上游首端防冲问题，设计中首先对滚水坝现状渗透稳定进行了复核计算，根据计算结果，提出了钢筋混凝土水平铺盖结合垂直钢筋混凝土防渗墙方案，并对该方案分别进行了防冲、抗渗计算，为除险加固方案的合理性提供了理论依据。

表6 加固后各段水头损失和单宽渗流量及修正后计算成果表