拐磨子灌区红旗一坝拦河坝优化设计研究

孙 勇

(辽宁省桓仁县水务局，辽宁 桓仁 117200)

1 工程概况

拐磨子灌区始建于1958年，位于桓仁县古城镇，全镇辖12个行政村，镇域总面积317km2，耕地面积5.30万亩。设计灌溉面积2.6万亩，有效灌溉面积2.4万亩。由于缺少长期稳定的后期资金投入和系统有效的管理措施，部分灌区出现“水不能引，渠不能排，路不能通”等情况，亟待对灌区渠道、引水工程进行改造，有效提高灌区水土资源利用率和灌区运营经济效益[1]。

红旗一坝拦河坝为灌区改造两处引水工程中的一处,位于古城镇古城子村富尔江上，是一座以灌溉为主兼顾发电的拦河建筑物。建成以来遭到1995年、1998年、2010年三次洪水破坏，经洪水冲刷及人工淘沙影响，河床下切，坝体破损。针对红旗一坝拦河坝存在的坝体混凝土剥蚀脱落、钢筋外露、金属结构冲毁、翼墙浆砌石脱落和无消能防冲设施等问题,将根据坝址地形地质条件，结合选择的开敞式自由溢流堰(克-奥型实用堰)方案，对大坝枢纽布置、坝体结构和特性参数等进行详细计算分析，优选技术、经济均较合理的设计方案。

2 拦河坝现状及工程地质条件分析

2.1 拦河坝现状及安全鉴定

红旗一坝拦河坝主要由进水闸、冲砂闸、拦河坝段、溢流坝段组成。拦河坝现存主要问题包括：ⓐ溢流坝坝体破损严重，遍布裂缝。坝体混凝土剥蚀、脱落严重，多处内部钢筋露出；ⓑ冲砂闸及引水闸闸墩出现明显裂缝，闸门已被完全冲毁[2]；ⓒ拦河坝及冲砂闸下游无任何消能防冲设施，致使下游坝根被掏空；ⓓ上下游浆砌石翼墙均出现较明显断裂横缝，局部砌石脱落。拦河坝现状如图1所示。

图1 红旗一坝拦河坝现状

2012年4月经水利部松辽水利委员会水利基本建设工程质量检测中心对红旗一坝拦河坝进行安全鉴定，结论为主体工程构件损坏严重，甚至损毁，工程运行指标无法达到设计标准，工程运行存在巨大安全隐患，建议报废重建。

2.2 坝址区工程地质条件及评价

红旗一坝拦河坝工程区地势东高西低。阶地地形平坦，微向河谷倾斜，上覆为砂、砾石，下伏基岩为安山岩。阶地与漫滩间以3～5m高陡坎接壤，漫滩由砂、砾石组成，地表形态较平缓。坝址区出露的岩性单一。河床及滩漫为漂石砂卵砾石层。下伏基岩为安山岩。 第①层：砂、砾石，杂色～灰白色，以圆砾和中粗砂为主，层厚1.8～2.4m。粒径大于2mm的颗粒含量占41.3%左右，含少量卵石，占7.5%左右，砾石含量占33.8%左右，磨圆度一般～较好。第②层：安山岩，灰褐色，细粒斑杂结构和块状构造，节理裂隙较发育，属中风化岩，岩芯呈短柱状。据地表观测和钻探揭露，全风化厚仅0.6m左右，层面埋深普遍为2.7～2.9m。

坝址区揭露地层简单，无软弱夹层等不利结构面存在，闸基无抗滑稳定问题；①层及下伏基岩全风化及弱风化砂岩承载力较高，能满足地基稳定要求；①层属强透水层，建议基坑开挖实施防渗处理，综合边坡开挖建议值为1∶1.5；①层渗透破坏类型为管涌型，临界水力坡降及允许水力坡降建议值分别为0.15、0.09；地震基本烈度为小于VI度区，地基土无地震液化问题；拦河坝运行多年，无库区渗漏、塌岸及浸没等工程地质问题；工程区域及附近无较大构造通过，工程稳定不受构造影响。

3 拦河坝坝型选择及首部枢纽布置

红旗一坝拦河坝位于桓仁县富尔江干流上，引水灌溉面积为3650亩，总库容小于10万m3，设计引水流量0.77m3/s，根据《防洪标准》(GB 50201—2014)和《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288—1999)相关规定[3]，确定红旗一坝拦河坝工程等级为Ⅴ级，相应建筑物级别为5级，设计洪水标准为10年一遇洪水标准，洪峰流量，QP=10%=1587.6m3/s；校核洪水标准为20年一遇，洪峰流量QP=5%=2273.9m3/s。

3.1 拦河坝型式选择

根据地形地质条件、河道走向及河谷现状等实际情况，确定设计拦河坝坝址为原坝址处。拦河坝坝轴线控制点坐标：左岸X=93889.766，Y=51597.691；右岸X=93801.155，Y=51721.436。坝址区河道断面较宽，地形平缓，挡水水头较低。设计优选拦河闸(拦河闸总宽145m，共设29孔，单孔净宽5.00m)、开敞式自由溢流坝(溢流坝为克-奥型实用堰，净宽146m)和橡胶坝(橡胶坝长150m，10跨，单跨15m)三个方案进行比选，见表1。

从表1可以看出，设计推荐采用的开敞式自由溢流堰(克-奥型实用堰)方案，其在环保性能、安全性能、制造养护、实用寿命和总投资成本均较拦河闸和橡胶

表1 拦河坝型式比选

坝优越，且该堰型泄流能力大，造型优美，线条流场，溢流时能够形成一定的景观效果。

3.2 首部枢纽布置

a. 开敞式自由溢流坝结构布置。开敞式自由溢流坝为克-奥型实用堰，堰顶高程332.50m，堰体为钢筋混凝土结构，建基高程327.70m，坐落在基岩上，下部铺设10cm厚素混凝土垫层。新建堰体顺水流方向长4.744m，垂直水流方向溢流坝总宽146.00m，其中新建堰体过流宽度145.00m。

溢流坝下游采用半径2.0m反弧同消力池平顺衔接。消力池池深1.00m，池长18.5m，尾坎顶宽0.50m，池底板和尾坎顶高程分别为329.00m和330.00m。消力池底板厚度0.50m，下设10cm厚素混凝土垫层、0.20m碎石垫层、400g/m2土工布。底板设有排水孔，排水孔间排距2.00m。溢流坝上游回填至330.50m。

消力池下游铺设26.5m长的宾格网石笼海漫，以保护洪水对消力池尾坎下齿墙的淘刷破坏。格宾石笼厚0.50m，下铺0.20m砂砾石垫层及400g/m2无纺布。

b. 引水闸结构布置。引水闸布置在河道右岸，与冲砂闸连接,轴线与坝轴线呈21°角，闸室采用整体式钢筋混凝土结构，闸底板顶高程331.50m，引水闸前齿坐落在基岩上，下部铺设10cm厚素混凝土垫层。引水闸顺水流方向长9.0m，垂直水流方向总宽4.8m，共2孔，单孔净宽1.0m，高1.0m。中墩厚1.0m，两边墩厚0.9m。

c. 冲砂闸结构布置。冲砂闸紧邻引水闸，设计为平底闸。闸室采用整体式钢筋混凝土结构，闸底板顶高程330.50m。冲砂闸底板坐落在基岩上，下部铺设10cm厚素混凝土垫层。冲砂闸顺水流方向长9.0m，垂直水流方向总宽7.2m，共2孔，净宽2.0m，高2.0m。中墩厚1.2m，两边墩厚1.0m。

4 拦河坝稳定性分析

建筑物级别为5级，地基为砂岩。按照《水闸设计规范》(SL 265—2001)，闸室稳定应满足下列要求[3]：ⓐ闸室基底不出现拉应力；ⓑ最大基底应力不大于地基允许承载力，地基允许承载力为600kPa；ⓒ基本荷载组合情况下闸基的抗滑稳定安全系数应大于1.05，校核洪水情况应大于1.0。

《水闸设计规范》(SL 265—2001)中，抗滑稳定推荐计算公式为

(1)

式中Kc——抗滑稳定安全系数；f——摩擦系数，设计采用f=0.60； ∑G——竖向荷载，kN； ∑H——水平向荷载，kN[4]。

《水闸设计规范》(SL265—2001)中，抗滑稳定推荐计算公式为

(2)

溢流坝、冲砂闸和引水闸的抗滑稳定和基底应力，经计算，结果见表2和表3。

表2 溢流坝、冲砂闸和引水闸抗滑稳定计算成果

表3 溢流坝、冲砂闸和引水闸基底应力计算成果 单位：kPa

根据地勘资料，闸址处基岩埋深较浅，基岩面顶高程为332.70m，新建溢流坝基础坐落在岩基上，根据《水闸设计规范》(SL 265—2016)，基底应力没有出现拉应力，满足稳定要求。

从表2和表3抗滑稳定和应力计算成果可知：溢流坝、冲砂闸和引水闸在正常运用(设计水位及多年平均水位)和非常运用条件下，其抗滑稳定安全系数均大于《水闸设计规范》(SL 265—2016)中规定的1.05(正常运用)和1.00(非常运用)安全系数。挡水坝基底应力最大发生在施工挡水期溢流坝处，为115.28kPa，远小于工程区地基允许承载力600kPa，且没有出现拉应力，满足稳定要求。因此，溢流坝、冲砂闸和引水闸结构整体设计安全、稳定。

5 结 论

拐磨子灌区红旗一坝拦河坝除险加固工程经地质分析、结构优化、稳定性计算等，对拦河坝整体枢纽布置和结构参数进行了详细计算分析和方案优化，优选技术可行、经济节能的开敞式自由溢流堰设计方案。除险加固工程于2015年5月开工建设，2016年12年通过辽宁省水利厅组织的专家组竣工验收。拦河坝经过除险加固处理后，工程设施运行良好，充分发挥了工程引水灌溉和防洪的功能。为确保挡水坝功能正常发挥，提高工程建设投资经济效益，在挡水坝坝型选择、枢纽整体布置和结构计算中进行详细论证分析。

a. 坝址区揭露地层简单，基岩承载力较高，地质条件能够满足工程建设需求。

b. 结合坝址区地形地貌及地质条件，开敞式自由溢流坝从技术可靠性、节能经济性和运行稳定性等方面，均较拦河闸和橡胶坝优，设计推荐采用净宽146m克-奥型实用堰作为红旗一坝拦河坝坝型。

c. 根据《水闸设计规范》(SL 265—2016)相关技术指标要求，对溢流坝、冲砂闸和引水闸的抗滑稳定和基底应力进行了计算，成果表明：溢流坝、冲砂闸和引水闸在正常运用和非常运用条件下，其抗滑稳定安全系数和基底应力均满足规范限值要求，结构整体设计合理。

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