赣抚平原焦石拦河闸过水土坝除险加固设计

张书滨 白 斌

(1.江西省河道湖泊管理局，江西 南昌 330009；2.四川大学水电学院，四川 成都 610207)

1 工程概况

赣抚平原焦石拦河闸是一座以灌溉、防洪、排涝为主，兼有航运、发电、供水、养鱼等综合效益的大型水利枢纽工程，位于抚河下游的进贤县李渡镇焦石村。通过大坝拦蓄抬高抚河水位，引水灌溉抚州、宜春、南昌三市六县(市、区)42个乡镇共120万亩农田，并为南昌市及周边城镇提供工业、生活和环境用水2亿m3/年。焦石拦河闸坝工程横跨抚河，坝址以上控制流域面积15811km2，为Ⅰ级大(1)型工程，主要建筑物等级为1级。焦石过水土坝长276m，于1958年8月至1959年2月建成，正常挡水位28.46m(吴淞高程)，设计洪水位(P=2%)36.18m，相应下泄流量13200m3/s；校核洪水位(P=0.5%)37.63m，相应下泄流量16400m3/s。

2 工程主要问题

焦石拦河闸过水土坝于1959年2月建成，在全国为首创坝型，其结构布置型式：坝长276m，坝顶高程28.0m，上游坡1∶2.5，下游坡1∶3，鼻坎高程22.8m。90#混凝土心墙顶高程27.0m，墙顶厚0.3m，两侧坡30∶1，底部嵌入风化基岩0.3m。心墙分为3段、分缝处设紫铜片及柏油松木板止水。顶帽为90#混凝土，宽5.4m，圆弧曲线R=6.0m，顶部厚0.8m。顶帽分缝长度不一，为44～14m。坝面为90#混凝土板，厚0.2m，分块为5×5m2，面板下干砌石厚0.3m和两级反滤层各厚0.15m。鼻坎为干砌块石棱体，用厚0.2m的90#混凝土护面。棱体与坝体之间设两级反滤层，各厚0.4m。上游坡在25.0m高程以上用厚0.2m的90#混凝土板护面，25.0m高程以下为厚0.3m干砌石护面。

焦石拦河闸过水土坝虽为当时全国首创坝型，但由于建材紧缺，水文资料不全，规划设计及施工经验不足，至使工程存在设计标准偏低、施工质量较差、因陋就简配套不全等问题[1- 3]。历经1965—1966年、1993年和1998年冬至1999年三次加固补强处理，但由于缺乏系统的安全复核和病险排查，过水土坝安全隐患未得到全面处理[4]。2002年6月，为确保水闸运行安全，江西省水利厅组织成立专家组对工程进行全面安全鉴定，确认焦石拦河闸坝为三类坝，属病险水库。过水土坝现存典型问题如图1所示。

图1 焦石过水土坝现存典型问题

安全鉴定成果表明焦石拦河闸过水土坝主要存在问题为：

(1)上、下游面结构稳定性差，混凝土防渗心墙有多处孔洞，存在防渗薄弱环节[5- 6]；面板受水流冲刷严重，出现大面积蜂窝麻面，孔洞现象。下游面板接缝有浑水渗出，危及建筑物的安全。

(2)混凝土心墙下游侧砂砾料中的中细砂存在管涌流失问题，导致砂砾料坝体下沉[7]。过水土坝整体质量差，存在安全隐患。

(3)下游未设防冲消能设施，坝脚冲刷淘空严重。

采用有限元二维渗流计算程序对过水土坝渗流情况进行分析，计算控制工况为上下游最大水头差4.46m情况，即上游水位28.46m，下游24.0m。坝体结构及渗透系数取值：上游粘土或砂壤土k=1.0×10-4cm/s；混凝土心墙出现孔洞部位用砂卵砾石代替，k=2.7×10-1cm/s。心墙下游砂卵砾石k=2.7×10-1cm/s。计算结果表明：心墙混凝土质量差，且局部出现孔洞渗漏等问题。上游粘土或砂壤土中孔洞周边最大渗透坡降为0.90，大于允许坡降0.20～0.40要求，易发生渗透破坏；心墙下游砂砾体最大渗透坡降为0.03，小于其允许坡降0.30。

3 过水土坝除险加固方案优化比选

根据地形地质条件及大坝现存病险问题，除险加固拟选用过水土坝直接加固、原坝址新建混凝土溢流坝及易址新建混凝土溢流坝三种方案进行技术经济比较。

方案一：过水土坝直接加固。在过水土坝顶帽结构前缘全线276.0m增设一道混凝土防渗墙，以解决现状混凝土心墙质量差、有孔洞，存在渗透薄弱环节问题。过水土坝心墙下游侧采用水泥浆充填灌浆处理，避免因砂砾料内的中细砂流失造成下沉，影响过水土坝下游钢筋混凝土面板的稳定[8- 9]。挑坎下游设钢筋混凝土护坦保护，以解决下游坝脚冲刷淘脚问题。

方案二：原坝址新建混凝土溢流坝。新建混凝土溢流坝与原过水土坝同轴线，坝顶高程28.46m，坝底高程18.00～19.00m，坝高9.46～10.46m，底宽9.91m；坝体溢流表面采用WES曲线面；下游设挑流鼻坎，坎顶高程24.40m，坎高3.2m，反弧半径1.8m。坝体挑坎下游风化岩基面上设10～20m长的钢筋混凝土防冲护坦，板厚0.5～0.6m，顶高程21.7m。混凝土溢流坝右坝端上游74m范围内的滩地岸坡设护坡保护，其中上段长39.0m为厚0.40m干砌石护坡，下段长35.0m设厚0.60m的混凝土护坡，坡度1∶3.0；坝下游右边长80.0m范围内的滩地岸坡设0.60m厚的混凝土护坡，坡度1∶2。混凝土护坡下设0.25m厚的砂卵石垫层。为了改善坝基的物理力学性能，及解决坝基风化岩体存在中、强透水层问题，拟对坝基进行固结灌浆，灌浆孔排距3.5m，孔距3.0m；靠上游二排孔深9.0～11.0m(结合防渗帷幕布置)，其余孔深5.0m。梅花形布置；灌浆压力初定0.3MPa。

方案三：易址新建混凝土溢流坝。拆除现有过水坝的下游部分坝体，空出的基面作新建混凝土溢流坝建基面；保留上游部分坝体作为上游施工围堰基础。新建混凝土溢流坝轴线在原过水土坝坝轴线下游11.0m处。坝体、下游护坦及右岸护坡和坝基处理均与方案二相同。

经分析，工程地质条件方面：原坝址弱风化岩层较浅，尤其是新建混凝土溢流坝方案，坝基可直接置于弱风化岩层上；而易坝址坝基处则弱风化岩层较深。原坝址地质条件较优。工程布置方面：易坝址新建方案其混凝土溢流坝轴线在原坝轴线下游11.0m处，与原有的35m混凝土溢流坝交接处为错位相接，泄洪时部分水流横向经连接导墙下泄至35m混凝土溢流坝下游，空间水流易造成下游冲刷。原坝址新建方案水流条件较好，工程结构布置美观，优于易址新建方案。工程投资方面：原坝址直接加固方案为2156.65万元，最省；易址新建方案2178.46，次之；原坝址新建方案2201.46万元，最多。虽然直接加固方案最省，相比另外两个方案少21.81和44.81万元，但各方案的投资差距占总投资比例均较小(5%之内)。

综上所述，过水土坝直接加固方案比新建混凝土溢流坝方案投资略省，但其可靠度无法与后者相比。同时，混凝土溢流坝的泄流能力也略大于过水土坝，对降低上游洪水位有利[10- 11]。另外，原坝址相比易址具有地质条件较好，工程布置美观、水流条件较好等优点。因此，设计优选原坝址新建混凝土溢流坝方案。

4 混凝土溢流坝建筑物设计

4.1 泄流能力分析

过水土坝改建为混凝土溢流坝后，其泄流能力

表1 焦石拦河闸坝洪水泄量分布表 单位：m3/s

表2 焦石拦河闸坝上游水位～泄流量关系表

备注：改建前、后水位为除险加固将过水土坝改建为混凝土溢流坝前、后的水位。

表3 焦石拦河闸混凝土溢流坝稳定应力计算成果

有所增加，改变了坝上水位流量关系，故须予以重新计算[7]。焦石拦河闸坝泄流设施分为6个部分，即新建混凝土溢流坝，35m混凝土溢流坝，拦河闸，老筏道，泄砂闸堰顶及其底孔。其中除新建混凝土溢流坝为现有的过水土坝改建而成外，其余各泄流设施均未改变。按SL265—2016《水闸设计规范》中堰流计算公式和底孔计算公式对重建拦河闸坝泄流能力进行复核[12- 15]，计算成果见表1—2。

从表1和表2可知：改造后水闸校核洪水位(P=0.5%)为37.63m(相应下游水位37.00m，上下游水位差0.63m)，相应最大下泄流量16400m3/s；设计洪水位(P=2%)为36.18m(相应下游水位35.64m，上下游水位差0.59m)，相应最大下泄流量13200m3/s。与现状水闸泄流规模相比，拆除重建后水闸上下游水位差降低，泄洪条件改善、泄流能力增强，规模适当。

4.2 坝基抗滑稳定及应力计算

根据焦石拦河闸混凝土溢流坝结构布置、受力等条件，坝基抗滑稳定应力计算工况为：①正常挡水工况：上游水位28.46m，下游24.0m；②设计洪水工况：上游水位36.18m，下游35.64m；③校核洪水工况：上游水位37.63m，下游37.00m。采用SL 265—2016抗剪强度公式和抗剪断公式[16]，分别计算得焦石拦河闸混凝土溢流坝稳定应力计算成果见表3。

从表3计算成果可知：各组合工况条件下，焦石拦河闸混凝土溢流坝的坝基抗滑稳定安全系数均大于规范要求的允许值；地基应力均小于允许承载力[σ]=600kPa，满足设计要求。

5 结语

焦石拦河闸是赣抚平原水利枢纽重要的引水灌溉和城镇供水工程，由于建设、管理水平偏低，加上几十年运行且未经系统安全复核和病险排查，拦河闸坝存在防渗心墙破坏、混凝土结构稳定性差、坝脚冲刷失稳等病险问题，急需通过合理除险加固改造确保水闸功能正常高效发挥。结合调洪计算成果，综合考虑工程地质条件、枢纽建筑物布置和工程投资等因素，优选原坝址新建混凝土溢流坝方案，能有效增强拦河闸坝的挡蓄水和泄洪能力。通过对过水土坝除险加固设计的总结，可为类似工程坝址比选及拆除重建处理提供一定借鉴经验和方法。