栗子坪水电站渠首坝加固改造方案探讨

□赵 蓉（河南省农村水电及电气化发展中心）

1 渠首坝现状及评价

1.1 现状

渠首枢纽位于伊河东湾水文站下游4km的元湾村附近，控制流域面积2959km2，多年平均流量22.13m3/s，主要包括渠首坝、进水闸、冲沙闸、护村坝等建筑物。电站已经运行36年，水工建筑物和部分设备逐步暴露出一些问题，尤其是桩基重力坝坝下基础已经部分掏空，坝下游形成冲坑，危机渠首坝的安全及正常引水，对其实施技术改造十分紧迫和必要。

1.2 现状评价

栗子坪水电站渠首坝为桩基上的浆砌石重力坝，与传统的岩基上重力坝和软基上重力坝相比，基础开挖量、施工排水量大幅度减少，施工难度降低，且便于施工导流，有利于缩短工期、降低造价。但是由于上游不按规范设置防渗铺盖或防渗墙，而上游河道覆盖层大多都是砂卵石，通过洪水容易导致坝基覆盖层掏空，完全失去防渗功能，枯水期径流大部分从坝下通过，影响正常发电引水；下游不设消能防冲设施，在下游形成冲坑，更加快了坝基掏刷，导致桩基暴露，危及坝体安全；桩基施工质量难于控制，往往造成桩径和混凝土强度等达不到设计要求，使坝基处于不稳定状态。这些因素都使已经建成的桩基坝出现不同程度的破坏，需要不断投入加固维护费用。建成以来，针对出现的问题，采取了各种不同的加固方案，但实际效果都不明显，都没有从根本上解决该坝型存在的主要缺陷。

由于伊河上游是山洪灾害频发的河段，洪水陡涨陡落，河床覆盖层为砂卵石，坝基极易被掏空，加上近年来坝下游采砂采石造成的河床逐步下切，一般的加固处理方案很难从根本上解决渠首坝出现的问题，必须采取符合工程实际的改造方案，才能确保渠首坝安全和电站正常引水发电。

2 坝型比选

根据坝址区地形地质条件、水文条件、当地建筑材料供应情况及电站渠首坝多次建设、损毁和修复情况，结合省内相近河流和工程取得的建设经验，经过分析适宜栗子坪水电站渠首的坝型方案有多种，通过初步分析，主要有以下2种。

方案Ⅰ：岩基上浆砌石重力坝

坝址处河道开阔，沿坝轴线河床宽约180m，原河床高程为352.40m，河床砂卵石覆盖层厚度为8～10m，覆盖层以下分布的花岗岩致密坚硬。重力坝布置以最大限度与原坝长坝顶高程及原桩基浆砌石重力坝结合为原则，充分利用原坝体和副坝、护村坝等设施。坝长仍为161.50m，坝顶高程为356.55m。直接工程投资679万元。

该方案保留现桩基及坝体，将河床开挖至岩基后利用浆砌石砌筑结合灌浆方式把桩基间填实，作为重力坝体的一部分，在现坝体下游新加部分坝体，并与原坝体连成整体。最大坝高14m，坝底宽14m。由于坝体直接座在岩石基础上，可以完全截住河床下潜流，并从根本上解决坝体及上、下游防渗、抗冲设施频遭洪水破坏影响电站引水和坝体安全问题。但该方案开挖施工和桩基间浆砌石砌筑难度较大，投资较大。

方案Ⅱ：桩基上浆砌石重力坝加固

保留现在桩基浆砌石重力坝坝体和上游钢筋混凝土防渗铺盖，利用泵送混凝土结合灌浆的方式把坝基下掏空的部分填实，根据消能防冲计算结果在坝下游设置长18m、深6m的钢筋笼块石防冲体，直接工程投资458万元。

该方案施工难度小，工期短，投资也较小，但属于临时加固措施，不能从根本上解决坝基下河床掏空和坝下游冲坑破坏问题，每年维修费用高。

通过以上比较得出，方案Ⅰ岩基上浆砌石重力坝与方案Ⅱ桩基浆砌石重力坝加固处理比，虽然基坑开挖难度大，直接工程投资多221万元，工期较长，但具有以下几方面明显的优势：一是由于坝体直接座在微透水性的岩石基础之上，枯水期可以截住河床下潜流，增加引水量。通过分析估算，平均每年可增加发电量31万kW·h以上，增加发电收入近10万元；二是岩基上浆砌石重力坝下游不需要防冲设施，安全稳定有保证，下游河床下切不影响坝体安全；三是该坝型技术成熟，在省内外同类河流和工程中广泛采用，坝体施工便于施工，且省内已有桩基浆砌石重力坝部分坝段垮坝后整体改造为岩基重力坝的经验；四是与方案Ⅱ比，基本没有维护修理费用。

通过比较可以得出，岩基上浆砌石重力坝方案虽然投资较大，工期略长，但可保证工程长期安全稳定运行，基本不受河床情势变化的影响，且可以增加发电效益，减少维修费用。综合比较确定采用岩基上浆砌石重力坝方案。

3 渠首坝布置和设计

3.1 渠首坝布置

作为加固改造工程，栗子坪水电站渠首坝的布置尽量与现有建筑物有机结合，充分利用现有工程，以节省工程投资。浆砌石溢流重力坝坝长161.50m，坝顶高程356.55m，最大坝高14m，坝底宽14m。左端与电站冲砂闸、进水闸相连，右岸与副坝和护村坝相接。施工中尽量保留上游长20m的钢筋混凝土防渗铺盖。坝体自左至右共分1～16个坝段，坝段之间均设置宽2cm横缝。

坝左端的冲砂闸、进水闸座在岩基上，闸体结构稳定，只需对影响正常使用的门槽、门体及启闭设备进行更新改造。右端副坝和护村坝经过多年来多次洪水的考验，基本处于稳定状态，只需对局部坝体进行加固修补。上游钢筋混凝土防渗铺盖为2010年7.24洪水后加固时与下游护坦同时设置，2011年汛期，在下游护坦主河槽部分被冲毁之后，上游铺盖整体保持完好，本次改造尽可能予以保留。

现有浆砌石坝体和桩基础处于稳定状态，作为改造后浆砌石重力坝坝体的一部分，桩基之间被掏空部分以浆砌石或混凝土回填，并根据需要实施回填灌浆，确保坝体密实。在现有坝体和桩基础下游砌筑M75浆砌块石坝体，与原有坝体共同形成新的重力坝坝体，溢流面采用C30钢筋混凝土。

3.2 渠首坝设计

根据《混凝土重力坝设计规范》中开敞式溢流堰泄流能力计算公式对溢流堰泄流进行计算，通过分析选定有关参数，溢流堰顶下游堰面、堰面上游曲线分别采用WES幂曲线、双圆弧曲线进行计算以确定溢流坝顶水位、坐标，溢流坝反弧段采用挑流消能形式，其反弧段半径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。直线段分别与下游堰面曲线和反弧段相切，坡度为1∶0.84。

按照《混凝土重力坝设计规范》要求，根据栗子坪电站渠首坝实际情况选定有关计算条件和参数，通过坝体稳定计算、应力分析和消能防冲等验算、计算结果表明：坝体在各种荷载组合情况下的抗滑稳定安全系数均满足规范要求；溢流坝基底压力均小于地基岩石允许压应力，且未出现拉应力；在各种情况下下游冲坑最低点均达不到河床基岩面上，冲坑不会影响到坝的运行安全。

4 结论

综上分析，本文提出的在栗子坪电站渠首加固改造中，采用岩基上浆砌石重力坝方案可确保电站长期安全稳定运行，基本不受下游河床情势变化的影响，且可以增加发电量，减少维修费用，提高电站经济效益。