汾河一坝鱼嘴滚水坝除险加固简析

郑建红

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

汾河一坝枢纽由鱼嘴滚水坝、东进水闸及东冲沙闸、西进水闸及西冲沙闸、中部冲沙闸等建筑物组成。鱼嘴坝左侧为东干进水闸引渠，右侧为西冲沙闸及西进水闸。该枢纽担负着太原市南北郊区2万hm2农田的灌溉以及向太原钢铁公司、太原第一热电厂、市区园林的供水任务，是汾河中游干流河道上唯一堆石堰和最早的固定灌溉引水工程设施。

2 鱼嘴滚水坝现状

鱼嘴滚水坝包括首端鱼嘴段和滚水坝段两部分，位于主河槽内，坝体置于河床卵石混合土上，顺水流向与主河道平行布置，鱼嘴坝左端下游接东冲沙闸及东进水闸，右端接西冲沙闸及西进水闸。首端鱼嘴段呈近似三角状，长约80 m，总高3.5 m，露出地面2.0 m，上游端宽3 m，下游端宽35 m，鱼嘴坝体主要由块石和卵石混合土组成，环鱼嘴周边采用浆砌石衬砌，厚2.0～2.5 m，坝顶用水泥砂浆抹面，由于冲刷及冻融破坏，坝体表面块石及砂卵石外露，杂草丛生，破坏严重。滚水坝段包括鱼嘴处垂直河道滚水坝段和顺水流向滚水坝段两部分，长约315 m，坝高3.5～7.0 m，顶宽4～9 m，坝体主要由块石及砂砾石组成。

2010年，省汾河中下游水务管理局组织实施汾河兰村至柴村桥段河道整治工程，对鱼嘴滚水坝进行了加固处理，在坝体挡水侧修筑了混凝土直墙，墙厚0.35 m，墙基深入河床以下1.5 m；在溢流面层采用浆砌石防护，防护厚度0.8~1.0 m，呈台阶状。

3 加固方案

3.1 现状滚水坝渗透稳定复核

通过枢纽水力学模型试验数据，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，经分析，灌溉蓄水期上下游水位差最大，为最不利工况，应对该工况进行分析计算。鱼嘴滚水坝基础为卵石混合土，根据规范采用渗流坡降计算公式计算加固前各段水头损失和单宽身流量结果为：该地层出口处允许水力比降0.10，计算值0.17，大于该允许值，故本次除险加固需对鱼嘴滚水坝渗透稳定采取工程措施。

3.2 滚水坝上游防渗加固设计

滚水坝迎水侧为东干引渠，基础为卵石混合土，东干渠底现状无防护措施，考虑在坝迎水侧东干引水渠底部铺设0.5 m厚黏土及0.35 m厚C25钢筋混凝土防渗；东干渠左侧边墙面层采用C25钢筋混凝土贴坡防渗，防渗高度高于正常蓄水位0.5 m。混凝土抗渗等级为W4，抗冻等级为F150。该防渗形式可在灌溉期将来水放置于一个比较完整的防渗体系内，达到防渗目的。同时可起到对东干渠防冲作用，由于东干渠在设计工况及校核工况水流流速较大，水力学模型试验数据显示，最大流速7~8 m/s，铺设钢筋混凝土底板后对东干渠可起到防冲刷作用。

3.3 鱼嘴及滚水坝加固设计

鱼嘴及滚水坝坝体内部为松散的砂砾石，对坝体稳定存在严重的安全隐患。本次对现状坝体进行固结灌浆，固结灌浆孔孔距3 m，排距3 m，呈梅花型布置。鱼嘴固结灌浆底高程796.5 m，滚水坝固结灌浆底高程796.5~793.0 m，最大灌浆深度6.5 m。

3.3.1 鱼嘴处垂直河道滚水坝加固设计

现状垂直河道滚水坝坝体为松散的卵石堆砌而成，考虑拆除重建。

加固后滚水坝座落于卵石混合土地基上，坝轴线长28.2 m，坝高4.0 m，坝底宽6.0 m，坝顶高程800.0 m，坝基高程796.0 m，河床高程798.0 m，坝体挡水高度2 m，滚水坝采用实用堰剖面。坝体结构采用M7.5浆砌石砌筑，溢流面采用0.35 m厚C25钢筋混凝土护面。堰顶上游堰面水平与鱼嘴相接，水平段长1.0 m；堰顶下游堰面曲线为圆弧，半径6 m；之后接反弧段，反弧半径7.87 m。滚水坝下游接陡坡段，陡坡段长度分别为 26.1 m，17.2 m，8.6 m，纵坡分别为 1∶20，1∶15，1∶4，其中前两段陡坡为已建工程，现状结构为干插石灌浆厚0.8 m，加固设计采用C25钢筋混凝土进行面层衬砌，衬砌厚0.4 m。为保证新建钢筋混凝土与下部现有结构稳固连接，两层结构之间均采用直径18 mm的钢筋锚固，锚杆单根长0.8 m，间排距1 m，呈梅花型布置；最后一段为新建1.3 m厚C25钢筋混凝土陡坡，坡度1∶4，长8.6 m。陡坡后设C25钢筋混凝土消力池，池长30.0 m，深1.7 m，底板厚1.3 m，池底高程794.3 m。

3.3.2 枢纽滚水坝范围内主槽消能防护设计

下游消力池至枢纽滚水坝末端主河槽长约130.5 m，出消力池后河床地面高程为795.5 m，枢纽末端河床地面高程为793.7 m，高差1.8 m，纵坡1/72.5，为陡坡。本次除险加固首先将该主槽段改造成4级跌水，跌水高差均为0.5 m，每级跌水后分别设水平段，每段长度均为30.0 m。跌水水平段高程从上到下依次为 795.5 m，795.0 m，794.5 m，794.0 m。在每一级跌水水平段末端设0.5 m高消力坎，之后采用1∶1.5陡坡与下一级相接，并在每一消力坎以下设C25钢筋混凝土地梁，地梁深入河床地面2.5 m，厚2 m。第4道地梁后接海漫段，海漫总长31 m，顶高程793.7 m，海漫分别由C25钢筋混凝土防冲底板段、格宾石笼段、抛石段组成，长度分别为15.0 m，8.0 m，8.0 m。钢筋混凝土防冲底板段厚1.2 m，格宾石笼段厚2.0 m，抛石段前段厚 2 m，之后采用1∶3倒坡与下游现状河床地面相接。

3.3.3 滚水坝稳定计算

滚水坝稳定计算内容包括抗滑稳定及基底应力验算。泥沙压力和抗滑稳定按《砌石坝设计规范》中相关公式计算；地震惯性力按《水工建筑物抗震设计规范》中公式计算。一般情况下，只考虑水平向的地震作用，采用拟静力法计算地震作用效应；坝基截面的垂直应力根据《混凝土重力坝设计规范》计算。根据计算结果可知，在各种荷载组合下，滚水坝抗滑稳定安全系数均大于规范允许值，基底应力均小于地基承载力标准值，基底应力最大值与最小值之比满足规定要求，故滚水坝结构安全。

3.3.4 顺水流向滚水坝段加固设计

顺水流向滚水坝段迎水侧现状采用直立式混凝土墙防护，墙厚30 cm，高3.5 m，墙顶部采用钢筋与坝体锚接，目前钢筋锈蚀严重。坝顶现状表面采用水泥砂浆抹面，局部被水流大块掀翻，且有冻融破坏现象。本次设计认为滚水坝背水侧溢流面不宜采用阶梯型式，但鱼嘴滚水坝背水侧在2010年进行过加固，不宜拆除重建。

根据现有条件，确定在原坝体基础上，在坝体表面进行钢筋混凝土衬砌来解决冲刷问题，并将该坝体外形结构改为折线型实用堰，将下游面设计成光滑曲线和直线，以改善水流流态和解决下游堰面空蚀问题。由于顺水流向滚水坝在正常使用时一般较少过流，不经常受到冲刷，坝体表面衬砌采用C25钢筋混凝土，厚0.35 m，原坝体表面低洼处及台阶处均采用坝面衬砌混凝土填补。

本次加固设计顺水流向滚水坝高3.5~7.0 m，坝宽10.85~18.45 m，坝顶高程800.00 m。上游河底高程798.00 m以上迎水侧边坡1∶0.5，以下为钢筋混凝土基础，高1.5 m，底宽1.0 m；坝顶上下游堰头均采用圆弧曲线，圆弧半径分别为2 m，5 m；上下游堰头之间为水平坝顶，坝顶设计宽度4~9 m；坝下游面为1∶1.5斜坡直线段，之后与坝后下游主槽钢筋混凝土底板相接。

4 结语

汾河一坝鱼嘴滚水坝加固后，增加了一坝的调蓄能力，提高了自身防洪标准，对坝区周围生态环境产生了积极影响。从长远来看，局部区域的不利影响不会成为制约工程除险加固的环境问题。