山溪性河流上砂砾石堰坝的破坏形式分析及设计实践

叶 林

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

1 问题的提出

由于山溪性河道坡降较大、水流流速大、洪水暴涨暴落，导致天然河床蓄水量少、居民生产用水困难，水资源利用率较低，故常在河床内建造堰坝来解决问题。同时山溪性河道内又存在丰富的天然砂砾石，常被用作堰体回填材料，堰坝型式一般都为金包银结构，此种型式较为经济，应用也颇为广泛。

但金包银结构的堰坝，往往在设计时未考虑周全，运行过程中由于山洪影响，其破坏形式也较多。常见的有堰坝表面冲刷破坏、堰脚冲刷破坏、堰体侧向冲刷、堰体渗透破坏等。

2 砂砾石堰坝破坏形式分析

2.1 堰坝表面冲刷和堰脚冲刷破坏

堰坝表面破坏由于堰坝表面处理不严谨，当洪水来临时，溢流面面板受到水流冲刷而遭到破坏，使得坝体内回填料被洪水带走，最终导致溢流面塌陷，但这种破坏形式不是全局性的。

堰脚冲刷破坏现象产生主要由于堰坝下游消能设施不可靠或长度过短，未能对上游洪水进行有效的消能，使得洪水对堰脚反复冲刷，并逐渐带走堰脚块石，最终导致堰脚掏空，堰坝整体失稳。

案例1：某堰坝集雨面积253 km2，堰坝型式采用弧线型宽顶堰，顺水流方向分为6.00 m宽的水平段，34.50 m宽1∶10坡比的坡段，10.00 m长抛石消能段。其中水平段和斜坡段为堰体部分，下游的抛石防冲槽为消能部分。堰体由迎水侧挡墙、溢流面板、砂砾石堰体及隔墩挡墙组成。

上游水平段两侧挡墙为C20混凝土灌砌石挡墙，非溢流段堰顶高程38.35 m，溢流段堰顶高程37.85 m。溢流面板顺水流方向依次分为6.00 m宽的水平段及34.50 m长1∶10坡比的斜坡段。水平段采用C20混凝土灌砌卵石（厚35 cm），斜坡段溢流面板为双层结构，表层为厚70 cm干砌块石，下层为厚50 cm生态网垫和2层土工布。垫层下部采用砂卵砾石填筑压实。溢流段末端设C20混凝土灌砌石挡墙，作为堰体及消能段分界。挡墙下游侧台阶式布置兼消能功能，每层厚1.00 m。抛石消能段长10.00 m，顶高程取两侧滩面高程约35.00 m，抛石单块重不小于200 kg。断面型式见图1。

图1 堰坝断面型式图 单位：cm

由于遭遇强降雨天气，堰坝所在的河道坡陡、流急、洪水暴涨暴落，导致河道洪水流量迅速猛增，河道内水位上涨迅猛，堰坝主河槽段堰面干砌石结构被冲毁，堰体内砂砾料流失，堰面塌陷；同时堰体右侧下游抛石被洪水带走，堰脚被掏空，最终整个堰坝结构被冲毁。现场照片见图2。

图2 堰坝冲毁现状全景图

根据原因分析，一方面由于实际发生洪水频率达到20 a一遇洪水标准，远超施工期5 a一遇的洪水标准。另一方面，坝体堰面为2层干砌块石，块石重量及土工布铺设虽达到要求，但并非形成整体防护。堰体右侧坝肩处正修建引水至下各平原的水闸，水闸与右侧坝肩护岸尚未形成完整封闭体，存在洪水通道。洪水来临时，水流通过水闸缺口处，从护岸内部由外掏空，造成护坡及堰面块石流失，堰面塌陷、挡墙倾翻、下游抛石掏空等连锁反应，导致堰坝溢流段整体冲毁。

2.2 堰体侧向冲刷破坏

堰体侧向冲刷破坏，主要表现为堰坝本身较牢固，防护防冲设施也满足要求的前提下，其堰坝两侧防护相对较弱，如遇洪水漫堤，堰坝两侧护岸在水流淘刷下，极易出现破坏。

案例2：某村段2#堰坝，其断面基本结构为：堰顶高程为50.50 m，堰坝采用C25混凝土堰体，堰顶宽2.00 m，堰顶上部设置汀步。为形成较好的水花效果，堰坝斜坡设计成阶梯式，每节台阶落差0.80 m，根据堰面布置台阶宽度1.00 m。堰坝下游为深0.50 m消力池，消力池采用C25混凝土结构，底宽7.20 m，底板厚0.40 m；消力池下游接抛石防冲槽，抛石防冲长3.00 m，深2.00 m。断面型式见图3。

图3 堰坝断面型式图 单位：cm

由于该堰坝流域遇较强降雨，上游水库的泄洪加大河道过流。而该堰坝正处建设期，两侧河道岸坡裸露，局部为松散体填筑，防冲能力非常薄弱。因此，洪水来临时，水流对堰坝下游左右岸不断冲刷，逐渐带走松散土体，最终导致岸坡坍塌。冲毁现场照片见图4。

图4 堰坝下游右侧护岸及房屋冲毁图

经分析，洪水发生时的工况相对不利：①施工期河道岸坡被清表，岸坡裸露，土体较为松散，此工况下河道糙率较设计工况为小，相同过流条件下流速更大，洪水更快；②此工况下岸坡缺乏植被固坡和防护，仅为表层种植土，抗冲抗侵蚀能力大大减弱。抗冲流速远远小于水流流速，因此造成土体不断被挟走，坡脚持续被掏蚀，继而造成失稳坍塌；③本次上游水库清水下泄，水流含沙量极低，相同条件的流量条件下，水库泄流的水流挟沙力更强，冲刷掏蚀作用也更强。

2.3 堰体渗透破坏

堰坝渗透破坏情况一般出现在施工期或枯水期，由于堰坝设计渗径过短或者基础砂砾石料具有强渗水性，导致破坏。

案例3：官坑堰坝，其断面结构堰顶高程为129.50 m，堰坝上游侧采用C20埋石混凝土挡墙，堰顶宽2.50 m，堰顶上部设置汀步。堰坝斜坡面采用60 cm灌砌卵石，坡比1∶10 ～ 1∶20，堰体内砂卵石回填，堰体基础采用50 cmC25钢筋混凝土底板。堰坝下游设深0.60 m消力池，消力池采用C25混凝土结构，底宽5.00 m，底板厚0.50 m，顶高程126.70 m；消力池下游接抛石防冲槽，抛石防冲长3.00 m，深2.30 m。断面型式见图5。

图5 堰坝断面型式图 单位：cm

施工期发现堰坝局部坝面基础存在漏水并形成渗漏通道，并导致该区块下游堰体沉降而断裂。渗漏情况见图6。

图6 坝面基础渗漏情况图

经分析堰体基础底板设计高程高于现状河床底高程；并且底部采用卵石回填至设计底板高程。因此底部基础即使回填夯实，仍有强渗水性。

3 结论及建议

根据案例1分析，由于堰坝上下游水头差较大，洪水来临时，水流较为湍急，为避免堰坝面层受到水流的冲刷破坏，在设计此种类型砂砾石堰坝时，建议加强对溢流面面层的硬性防护，如采用混凝土、灌砌石材料浇筑。不建议采用柔性防护措施，如干砌石理砌，否则极易引起堰体内砂砾石料流失，并导致面层塌陷破坏。另外，由于水流流速大，设计时对堰脚结构同样需要重视，因下游堰脚处往往是堰坝受淘刷最为严重的部位，建议采用抛石防护时保证块石的重量及抛石范围，必要时可在堰脚处增设护坦再进行抛石防护。

根据案例2分析，为避免水流对堰坝产生侧向冲刷破坏，在保证坝体结构牢固的前提下，设计时建议加强对堰坝下游一定范围内两侧护岸的衬砌防护，如采用浆砌石或灌砌石护坡，避免直接采用土质护岸进行防护。

根据案例3分析，砂砾石堰坝设计渗径过短或者堰脚基础埋深过浅，为避免堰体内形成渗漏通道并造成砂砾石料流失，在设计时建议放缓堰坝坡面并适当加深堰脚基础，延长渗径。

综上所述，建议在设计山溪性堰坝时，不仅要保证堰坝在标准洪水设计工况内不受到严重的破坏，如堰体面层破坏、护脚冲刷破坏、侧向冲刷破坏、堰坝基础渗漏等，而且要考虑当遇超标准洪水时，堰坝整体安全稳定性不受到威胁，堰体不出现倒塌冲毁等现象。