过水土坝的除险加固设计

刘凯

（湘西自治州水利水电勘测设计研究院　　吉首市　416000）

过水土坝的除险加固设计

刘凯

（湘西自治州水利水电勘测设计研究院吉首市416000）

过水土坝是较为少见的一种土坝型式，我国大多在20世纪60年代兴建，运行多年后或多或少有险情出现。狮子庵水库是全国单宽流量最大的一座过水土坝，进行除险加固处理险情后，到目前一直运行正常，对于其他过水土坝的除险加固设计有一定的借鉴作用；同时在设计中选取常规设置溢洪道的坝址较难、投资较大的情况下，也可以狮子庵水库工程为借鉴，设计新的溢洪方式———土石坝坝身过水溢洪。

过水土坝除险加固溢洪单宽流量

引言

过水土坝为土坝中较为少见的一种坝型，我国在20世纪50年代末至80年代先后建起了多座各种护面型式的过水土坝，目前仍在运行、有数据资料的全国约30多座，部分过水土坝经过安全鉴定后，或进行了除险加固，或被改建成非过水坝。

散粒体结构是不允许过水的，因此土坝过水就要采取必要的保护措施，护面型式主要有钢筋混凝土、沥青混凝土、浆砌块石、灰土。本文要介绍的狮子庵水库大坝除险加固前属于浆砌条石护面，2006年除险加固后为钢筋混凝土护面。

1 工程概况

狮子庵水库位于湖南省吉首市城区西部，沅水支流峒河中游，距城区3km；大坝始建于1958年，1960年完工建成运行，为湖南省第一座过水土坝。

坝址处控制流域面积640km2，干流长度62.2 km，平均坡降10.9‰，多年平均径流量54400万m3。水库总库容825万m3。

溢流坝坝型为过水土坝，坝体为心墙土坝，坝长87.8m，最大坝高8m，坝底宽度44m，内外坡比1∶2.0。堰顶高程197.8m，坝底高程189.8m。设计下泄流量1710m3/s，校核下泄流量2271m3/s，校核工况下泄单宽流量达25.866m3/s，为所有过水土坝中最大。

根据《防洪标准》（GB50201-2014）规定，该工程为四等工程，小（I）型水库，其主要水工建筑物为四级，次要建筑物为五级。本工程防洪标准确定为设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为300年一遇。

2 大坝存在的主要问题

（1）经过长期水流冲刷，水土坝条石护面表层风化剥蚀严重，局部出现开裂破损。

（2）原大坝为挑流消能，因大坝挑流鼻坎较低，在设计和校核洪水时均被淹没，起不到挑流作用，反而在坎下产生迥旋水流和负压；在小流量溢流时，对坝脚产生冲刷，形成冲刷坑。

3 过水土坝护面设计

依据狮子庵水库《大坝安全论证报告》及《大坝安全鉴定报告书》的结论，过水土坝的护面风化剥蚀严重，需要加固处理。

狮子庵水库的校核工况下泄单宽流量大于25 m3/s，因此设计采用钢筋混凝土护面。在原条石护面上加厚0.4m钢筋混凝土，强度等级为C25。堰顶部位拆除原条石，重新浇筑混凝土，保持堰顶高程不变。新旧护面之间用锚筋连接，条石表面作凿毛清理。护面分块为5m×5m。

3.1护面稳定分析

任取护面的一结构块作为计算单元，并取单宽1m长5m作稳定分析。护面的计算厚度取混凝土及条石的总厚度0.8m。

主要受力情况及计算公式如下：（1）自重G：混凝土与条石护面的容重取值24kN/m3；（2）拖曳力：水流作用于护面上，向下游方向的牵引力，T=γ水RJ；

（3）护面下的扬压力：它由渗透压力和浮托力所组成。因护面下面有排水，不计浮力，渗透压力计30%；

（4）水重：P；

（5）脉动压力：其方向随时间交替变化。稳定计算时，取负值（方向向上），其大小按下式计算；△P=

（6）沿护面底部的摩擦阻力，按下式计算；F=（P+Gcosθ-U-△P）·f；

3.2护面稳定分析的计算简图（图1）

图1　护面稳定分析的计算简图

表1为护面稳定分析计算表。

安全系数均大于规范要求。

3.3护面的细部结构

因护面上是高速水流，取护面混凝土强度选C25。护面配筋按构造要求配温度筋，采用表面单层布筋，直径12mm，间距200mm，二级螺纹纲筋。

表1　护面稳定分析计算表　kN

护面分块长度为5m×5m，边缘块长度可适当增减。分缝的块与块之间用连接钢筋连接，选用直径16mm，间距500mm，二级缧纹纲筋，布置于护面的中间。缝内填沥青杉板，并设置橡胶止水带止水。

混凝土护面与原条石护面之间的锚筋采用直径18mm，二级缧纹纲筋，深入条石250mm，兼与混凝土护面钢筋网焊接，锚筋间距3.0m，梅花状布置。

4 消能设施除险加固设计

原大坝为挑流消能，依据大坝安全鉴定的结论，建议改挑流消能为底流消能，并增加护坦，对河床进行保护。消能设施按20年一遇的洪水设计。上游水位201.84m，相应下游水位196.84m，下泄流量1417 m3/s。

4.1水力计算

按矩形断面渠槽的水跃公式计算。

表2为收缩水深计算成果表。

表2　收缩水深计算成果表

（2）跃后水深：

表3为跃后水深计算成果表。

（3）水跃长度。

为减少水跃长度，减少护坦工程量，在反弧段设置趾墩，趾墩高度1.2m≈hc=1.163m，宽度1.2m，间距1.2m。参照《水力计算手册》第218页中的试验结果，由于趾墩的存在，使收缩水深变为hc1，由下式联立可解出。

表3　跃后水深计算成果表

上式联立解得hc1=2.4194m，Frc1=1.369

水跃长度L=9.5×（Frc1-1）×hc1=8.48m

因此取护坦长度为8.5m。

4.2护坦结构尺寸的确定

采用C25的混凝土浇筑，通过抗浮稳定计算厚度为0.6m，并采用锚筋把护坦与基岩锚固，通过计算后可得出：锚筋直径为Φ22，锚筋间距为1.5m，锚筋锚入基岩的总深度为3.2m。护坦配筋按构造配筋，采用表面单层布筋，直径12mm二级钢筋，间距20cm。

4.3护坦的分块及排水

护坦的分块8.5m×12m，边缘块的长度可适当增减。分缝的块与块之间用钢筋连接，选用直径16mm，间距500mm，二级螺纹钢，布置于护坦板厚的中间。缝内填沥青杉板，并用塑料止水带止水。

护坦底部的岩基布置20cm×20cm的排水沟，纵横间距均为4m，沟中填直径（20～40）mm的卵石，沟上盖预制混凝土薄板，混凝土浇筑前用水泥砂浆封好，防止施工时水泥砂浆注入沟内，堵塞排水沟。在沟的交叉处，设直径80mm塑料管，排水到护坦表面，管内填直径（20～40）mm的卵石。

图2为溢流坝及护坦剖面图。

图2　溢流坝及护坦剖面图（1∶100）

5 过水土坝除险加固设计要点

（1）我国过水土坝大部分都修建于20世纪60～70年代，至今运行了多年，相对而言当年的设计标准和施工水平都不高，大坝结构或多或少都存在问题。在除险加固设计中应认真分析其存在的问题和原因，找准切入点。

（2）对于护面形式的选择，应根据当地材料情况和施工水平进行认真比选。过水坝坡应严格控制坡比，坡比应大于1∶2，防止产生负压，。过水坡面受高速水流的影响，容易产生破坏，由已建工程资料得知当流速大于7.5m/s时，浆砌石坡面易产生破坏。新增护面与原护面应采用有效的锚固措施，阻止面板下滑失稳。由于护面在水流与自重的作用下有下滑的趋势，如果没有有效的抗滑措施，护面与坝体易脱离，致使大坝失事

（3）过水土坝坝高一般不高，大坝挑流鼻坎较低，在设计和校核洪水时均被淹没，起不到挑流作用，反而在坎下产生迥旋水流和负压；在小流量溢流时，对坝脚产生冲刷，形成冲刷坑。因此不宜采用挑流消能，宜采用底流消能，并通过设置消能墩等措施减少消能工的长度，优化设计。

（4）为协调好新老护面的变形，避免产生裂缝，应注意护面的分块分缝，并做好止水处理。

6 结　语

狮子庵水库的过水土坝1960年建成，2005年完成除险加固，在校核工况下泄单宽流量大于25 m3/s，至今已安全运行了50多年，对过水土坝的设计有一定的借鉴和参考价值。

传统设计思维认为土坝坝身不能过水，必须另外设置溢洪道如岸边式溢洪道、泄洪隧洞等设施解决泄洪问题；但常规的溢洪道布置方式不仅投资大幅增加，更为关键的是溢洪道选址较难。当狭窄河谷中的土坝枢纽修建溢洪道有困难和投资较大时，采用过水土坝有明显的优越性。对于已建成的中小型土坝枢纽及塘坝，当泄洪能力不够而需要增加泄洪设施时，采用过水土坝同样是一种安全措施。

在山区河流上进行施工导流时，由于河道狭窄，洪水期枯水期水位变化幅度很大，选择过水土坝进行围堰的方式也是一种经济安全的导流方式。

在选取常规设置溢洪道的坝址较难、投资较大的情况下，怎么去优化工程设计，需要我们设计人员突破固有设计思维的约束，大胆想象，小心求证，以科研成果为依托，以已建工程为借鉴，设计新的溢洪方式——土石坝坝身过水溢洪。

参考资料

［1］李先炳、胡昌顺.狮子庵过水土坝的设计与施工［J］.人民长江，1989，（03）；39-47.

刘凯（1980-），男，工程硕士，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作，手机：18229525656。

（2016-08-02）