洛惠渠渠首加固改造工程設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)

趙 瑋

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

1 概況

陜西省洛惠渠引洛灌溉工程始建于1934 年，是著名水利大師李儀祉主持修建的“關(guān)中八惠”之一，洛惠渠灌區(qū)1950 年開(kāi)灌受益，累計(jì)引水量達(dá)84 億m3，灌溉農(nóng)田7600 萬(wàn)畝·次。洛惠渠渠首位于北洛河干流下游渭南市澄城縣交道鄉(xiāng)狀頭村，距澄城縣城約15 km，采用低壩樞紐自流引水，由漿砌石拱形重力壩、引水渠、進(jìn)水閘、退水閘四部分組成，最大壩高16.2 m，壩軸線(xiàn)長(zhǎng)177.7 m，設(shè)計(jì)引水流量18 m3/s，加大引水流量22 m3/s，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)3000 m3/s。

洛惠渠渠首樞紐運(yùn)行近70 a，原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，大壩壩體存在數(shù)十條危害性裂縫，其它主要建筑物也存在多處安全隱患。由于渠首無(wú)調(diào)蓄能力，上游用水量增加和小型水利水電工程的修建與投入使用，使得洛河徑流出現(xiàn)較長(zhǎng)特枯時(shí)段和流量劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致渠首引水條件惡化，灌區(qū)缺水問(wèn)題更趨嚴(yán)重。

洛惠渠渠首加固改造工程的任務(wù)為：以消除大壩安全隱患，保證引水樞紐安全為主，適當(dāng)兼顧平抑引水流量，改善渠首引水條件[1]。工程樞紐控制灌溉面積80 萬(wàn)畝，設(shè)計(jì)引水流量25 m3/s。防洪標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)30 年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)洪峰流量5580 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)100 年一遇洪水校核，相應(yīng)洪峰流量8610 m3/s[2]。

2 加固改造工程布置

洛惠渠渠首加固改造工程為中型Ⅲ等工程，主要由攔河主壩（右擋水壩段、左右沖沙底孔壩段、溢流壩段）、進(jìn)水閘壩段、左副壩段和下游交通橋等四大部分組成。見(jiàn)圖1。

圖1 洛惠渠渠首加固改造工程平面布置圖

攔河主壩：包括溢流壩段、擋水壩段和泄洪沖砂底孔壩段三部分。大壩壩型為拱型混凝土重力閘壩結(jié)構(gòu)，壩段軸線(xiàn)全長(zhǎng)206 m，壩頂高程415.00 m，最大壩高26 m；其中溢流壩段堰頂高程405.00 m，泄流寬度132 m，設(shè)計(jì)泄量4448 m3/s，校核泄量6909 m3/s；擋水壩段軸線(xiàn)長(zhǎng)47 m，最大壩高16 m；3 孔4.0 m×6.0 m（寬×高）泄洪排沙底孔，堰頂高程398.0 m，在溢流壩段左側(cè)布置1 孔，右側(cè)布置2 孔，設(shè)計(jì)泄量844 m3/s，校核泄量953 m3/s。

進(jìn)水閘：進(jìn)水閘孔口尺寸4.0 m×3.0 m（寬×高），進(jìn)口高程402.21 m，底板由進(jìn)口閘室段、連接段等組成，設(shè)計(jì)引水流量25 m3/s。

左副壩：左副壩為均質(zhì)土壩，壩軸線(xiàn)長(zhǎng)128 m，最大壩高15 m，壩前防護(hù)與副壩護(hù)坡、導(dǎo)流涵洞結(jié)合起來(lái)，形成單一護(hù)坡，迎水面邊坡比1∶2.0，背水面邊坡比1∶1.5。

下游交通橋：在大壩下游約110 m 處設(shè)交通橋梁1 座，橋梁全長(zhǎng)121 m，橋面寬4.5 m，行車(chē)道凈寬3.5 m。設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-15 級(jí)。

3 工程設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)

該工程是著名水利大師李儀祉主持修建的“關(guān)中八惠”之一的洛惠渠灌區(qū)北洛河取水渠首樞紐的加固改造工程，北洛河為著名高含沙河流，為解決樞紐引水、泄洪沖沙及河道下游沖刷之間的矛盾[2]，以及保證在工程施工期間樞紐引水不間斷等問(wèn)題，設(shè)計(jì)進(jìn)行了多方面研究，具有以下技術(shù)主要特點(diǎn)。

3.1 新老壩體結(jié)合面的處理

洛惠渠渠首加固改造工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題就是對(duì)老壩體如何利用的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程的做法大多是將原壩部分或全部拆除，重新修建形成新的閘壩樞紐。考慮到本工程原壩體施工質(zhì)量較好，設(shè)計(jì)經(jīng)研究分析，采用了將原壩體表面部分少量拆除、清理的方案。一方面充分利用了老壩體，減少了工程量、投資和施工難度；另一方面對(duì)老壩體進(jìn)行固結(jié)灌漿，以消除壩體裂縫，并對(duì)新老壩體結(jié)合面采取合理有效的錨固處理，保證了其結(jié)合面的強(qiáng)度，滿(mǎn)足工程要求。在對(duì)新老壩體結(jié)合面的錨固處理方法上，進(jìn)行了普通砂漿錨桿和植筋錨桿的優(yōu)化比較，見(jiàn)表1。

表1 新老壩體結(jié)合面錨固處理方法比較表

通過(guò)以上綜合分析比較，新老壩體結(jié)合面加固處理設(shè)計(jì)選用投資省、老壩體拆除量小、施工難度小的植筋錨固方案。為確保新老壩體結(jié)合面結(jié)合牢靠，設(shè)計(jì)對(duì)新老壩體結(jié)合面進(jìn)行了固結(jié)灌漿處理，固結(jié)灌漿孔梅花形布置，孔、排距均為3.0 m，孔徑110 mm，緊鄰壩軸線(xiàn)上下游兩側(cè)的固結(jié)灌漿孔深入基巖10 m，其余灌漿孔深入基巖5.0 m。在斷層破碎帶和節(jié)理密集帶范圍內(nèi)，加深、加密鉆灌，孔、排距為1.5 m，孔深5 m。在老壩體表面和基巖上布設(shè)直徑16 mm 化學(xué)植筋，排距圓心角為1.333°，行距2.0 m，梅花形布置，單根長(zhǎng)1.0 m，深入老壩體0.25 m。設(shè)計(jì)在陜西省首次采用大面積化學(xué)“植筋”法加固原漿砌石壩體和新澆筑混凝土壩體[3]，壩體完整性良好，運(yùn)行安全。

3.2 泄流與消能

考慮水庫(kù)兩岸地形地質(zhì)特點(diǎn)、排沙等因素以及北洛河洪水特性，樞紐泄水建筑物必須有較大規(guī)模的泄流量，樞紐表、底孔屬大單寬、低水頭泄水建筑物，消能是一個(gè)低佛氏數(shù)消能問(wèn)題，洛惠渠渠首處地形特殊，兩岸地形在距壩趾下游約60 m 處收縮形成一個(gè)狹口，同時(shí)河床面在此又有近7 m 的跌落深潭，加之泄流規(guī)模大、水頭低、拱壩泄流存在向心集中問(wèn)題，使得攔河壩泄流與消能方式十分復(fù)雜。

3.2.1 底孔方案選擇

洛惠渠渠首樞紐泄流水頭低、泄流量大，汛期灌溉又有邊引水、邊沖沙的運(yùn)用特點(diǎn)，因此，需通過(guò)沖砂泄洪底孔排沙，以保持樞紐有一個(gè)長(zhǎng)期有效的穩(wěn)流庫(kù)容和保持進(jìn)水閘能夠引到含砂量低的水流，即保持進(jìn)水閘“門(mén)前清”[2]。

底孔設(shè)計(jì)流量和閘孔尺寸的選擇涉及因素較多，目前尚無(wú)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)根據(jù)國(guó)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)實(shí)踐認(rèn)為，應(yīng)根據(jù)樞紐的基本功能及底孔在實(shí)現(xiàn)這些基本功能過(guò)程中的地位與作用確定。本樞紐的基本功能是引水、泄洪、排沙，底孔的作用為泄洪排沙，保持水庫(kù)有一定的長(zhǎng)期有效庫(kù)容，應(yīng)以洪水流量頻率法確定或以造床流量計(jì)算，造床流量按黃委水科所的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，即：

計(jì)算得沖砂流量約為300 m3/s～500 m3/s，考慮北洛河小于等于造床流量的分級(jí)情況及金屬結(jié)構(gòu)布置、下游消能銜接方式等因素，本工程布置上約需面積為4 m×6 m 的底孔3 孔或4孔。設(shè)計(jì)對(duì)底孔布置3 孔和4 孔兩個(gè)方案的進(jìn)行綜合比選，見(jiàn)表2。

表2 沖砂泄洪底孔布置形式比較表

兩方案計(jì)算有效庫(kù)容僅相差5 萬(wàn)m3，但土建和金結(jié)直接投資相差262.5 萬(wàn)元，總投資相差286.6 萬(wàn)元，綜合考慮樞紐加固改造的的任務(wù)要求和工程投資，設(shè)計(jì)推薦3 孔布置方案。

3.2.2 表孔方案選擇

洛惠渠渠首表孔受到大壩拱形條件的限制，加之具體的水力因素，使得攔河主壩下游水流特性具有如下特點(diǎn)：（1）水流具有向心集中問(wèn)題，表現(xiàn)為隨著水流的推進(jìn)其過(guò)流斷面寬度在不斷縮窄，使得單寬流量不斷增大，底孔反弧底單寬較進(jìn)口增大6.4%，溢流壩段單寬流量增大18.7%；（2）溢流壩段屬大單寬、低水頭泄水建筑物，消能問(wèn)題實(shí)質(zhì)是一個(gè)大單寬流量、低佛氏數(shù)消能問(wèn)題。經(jīng)水工模型實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析，溢流壩段可采用底流或戽流的消能方式。設(shè)計(jì)結(jié)合工程實(shí)際，由于底流流速較大，高達(dá)19.6 m3/s，對(duì)下游巖體沖刷較為嚴(yán)重，流態(tài)穩(wěn)定性較差、消能不夠充分，最終設(shè)計(jì)表孔選擇消能效果好的消力戽消能，底孔選擇挑流、戽流的消能方式。表孔設(shè)計(jì)單寬流量238 m3/(s·m)，在我國(guó)北方多泥沙河流居前列，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)，效果良好。

3.3 工程穩(wěn)定流量作用

洛惠渠渠首加固改造工程實(shí)施后，入庫(kù)泥沙能否順利排出庫(kù)外，水庫(kù)能否保持一個(gè)可長(zhǎng)期利用的有效庫(kù)容，是確保工程穩(wěn)定流量作用的關(guān)鍵問(wèn)題[2]。為此，陜西省關(guān)中灌區(qū)加固改造工程世行貸款項(xiàng)目辦公室委托西安理工大學(xué)進(jìn)行河工模型試驗(yàn),并同時(shí)進(jìn)行多個(gè)改造方案的泥砂數(shù)模計(jì)算研究。據(jù)模型試驗(yàn)的研究成果和泥沙數(shù)模計(jì)算分析，加固改造工程在設(shè)置3 孔沖砂底孔方案時(shí)，可保持長(zhǎng)期有效庫(kù)容約95 萬(wàn)m3，進(jìn)水口高程402.21 m 至溢流堰頂405.00 m 高程之間有效庫(kù)容約70 萬(wàn)m3，基本達(dá)到穩(wěn)定引水流量的目的[2]。

同時(shí)，灌區(qū)在管理上應(yīng)適當(dāng)壓縮引水時(shí)間，集中引大水，提高供水適時(shí)性，基本消除春播、夏播及伏旱期缺水嚴(yán)重而造成相當(dāng)部分農(nóng)田無(wú)法下種或保苗的問(wèn)題，以顯著提高引水效率。

3.4 施工導(dǎo)流

由于是對(duì)老灌區(qū)樞紐進(jìn)行改造，因此工程施工期間不能中斷灌區(qū)灌溉引水，引水設(shè)計(jì)流量25 m3/s。設(shè)計(jì)考慮實(shí)際，經(jīng)多方案研究，施工采取分段分期導(dǎo)流方式，導(dǎo)流時(shí)段為5 年一遇全年洪水，一期導(dǎo)流流量 1720 m3/s（3 月 ～10 月），二期導(dǎo)流流量168 m3/s（11 月 ～6 月），利用底孔過(guò)流，根據(jù)用水要求，合理安排施工工序、選擇施工設(shè)備，保證工程施工安全，保證不中斷灌區(qū)溉引水的需求。

3.5 結(jié)合面化學(xué)“植筋”

工程設(shè)計(jì)在陜西省首次采用大面積化學(xué)植筋法加固原漿砌石壩體和新澆筑混凝土壩體，在老壩體表面和基巖上布設(shè)直徑16 mm 化學(xué)植筋，排距圓心角為1.333°，行距2.0 m，梅花形布置，單根長(zhǎng)1.0 m，深入老壩體0.25 m。加固后壩體完整性良好，運(yùn)行安全。

4 結(jié)語(yǔ)

工程于2004 年7 月開(kāi)工建設(shè)，2007 年6 月樞紐加固改造工程竣工。工程建成后，徹底消除了大壩安全隱患，改善引水條件，保證了80 萬(wàn)畝洛惠渠灌區(qū)的正常引水，平均年引水量1.02 億m3，對(duì)緩解灌區(qū)的嚴(yán)重缺水狀況、改善維護(hù)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境、保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)豐收、促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、提高灌區(qū)人民生活水平，發(fā)揮了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。