北三家拦河闸溢流坝加固设计及渗流稳定分析

高 翔

（辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000）

0 前言

北三家拦河闸位于清原满族自治县北三家乡北三家村东侧1.0km处，浑河上游，隶属清原县北三家乡。除险加固设计后的水库等级为大（2）型Ⅱ工程、主要建筑物设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为50年一遇，消能防冲建筑物设计洪水为20年一遇，50年一遇校核洪水复核，拦河闸正常高水位195.28 m，设计水位199.02 m，校核水位200.25 m。除险加固后的北三家拦河闸恢复原闸型，即按闸坝结合布置，由溢流坝、泄洪冲沙闸和进水闸组成。

在主河床重建混凝土溢流坝，右侧集中布置泄洪冲沙闸，原址重建进水闸，溢流坝保持原来的自由溢流泄洪形式，消力池底流消能，为此需对溢流坝重新加固设计。

由于拦河闸地基土为圆砾，圆砾渗透系数平均值K=6.9×10-2cm/s，为强透水层，存在渗漏问题，闸基渗漏量相对较大。该水闸的农田灌溉引用流量较小，闸基虽然存在渗漏问题，但不影响农田灌溉用水量要求，但闸基渗漏产生的渗透水流较大，可能使闸基土层产生渗透破坏，损毁上部建筑物，造成水闸被冲毁，影响下游居民生命财产安全。故须对闸基进行渗流稳定分析。

1 溢流坝加固设计

1.1 溢流坝结构

溢流坝溢流前缘长度121.00 m，上游坝面垂直，坝基础向上游加宽1 m，堰顶高程195.28 m，溢流坝堰面为WES实用堰型，其曲线由四部分组成，上游侧分别以0.14 m、0.7 m和1.75 m为半径的三圆弧曲线，然后由曲线连接，曲线方程x1.85＝5.8y，最后以7.5 m为半径的圆弧连接下游消力池。定型设计水头3.5 m。采用坝顶自由溢流泄洪方式。

改建为全断面混凝土溢流坝，溢流坝底宽7.95 m，建基高程191.68 m，与原建基高程相同。坝体内部混凝土设计标号为C15F150，外包50 cm厚混凝土，外包混凝土设计标号为C25F250。溢流坝分为8个坝段，其中紧靠左岸侧的1#坝段宽16 m，2#～8#坝段宽度为 15 m。

1.2 溢流坝基础

由于溢流坝坐落于圆砾层上，地基分层单一，层厚较均匀，故产生不均匀沉陷破坏的可能性较小。另外，对于以灌溉为主的拦河闸来说，只要满足渗流稳定要求，允许基础产生适量的漏水。综合分析，北三家拦河闸地基不需要采取工程措施专门处理。

1.3 溢流坝消力池

溢流坝下游采用消力池底流消能，消力池深0.8 m，池长18 m（包括溢流坝下游堰圆弧段的1.5 m）。消力池底板厚度始端1.5 m，末端厚度0.8 m，底板顶部高程192.5 m，消力池末端4 m范围内的底板预留排水孔降低扬压力，消力池下游布置20 m长0.5 m厚格宾石龙海曼，以免水流冲刷河床。

溢流坝与消力池之间设置纵向结构缝，消力池每隔15 m设置顺水流向的横缝，溢流坝段分缝与消力池分缝错开布设，所有结构缝采用橡胶止水带止水。

1.4 过流能力计算1.4.1 洪水成果

洪水成果见表1。

表1 北三家拦河闸洪水成果表

1.4.2 计算方法

北三家拦河闸的洪水将通过4孔泄洪冲沙闸和自由溢流坝泄入下游河道。泄洪冲沙闸的过流能力按《水闸设计规范》计算，溢流坝为WES实用堰，执行《溢洪道设计规范》的水力计算规定[1]。

拦河闸过流能力为泄洪冲沙闸与溢流坝过流能力之和。由于泄洪冲沙闸底板高程低于溢流坝堰顶高程，当上游水位低于溢流坝堰顶高程195.28 m时，仅有泄洪冲沙闸泄水；当上游水位高于溢流坝堰顶高程195.28 m，而且开启泄洪冲沙闸门时，泄洪冲沙闸和溢流坝同时泄水，此时的泄洪冲沙闸和溢流坝上下游水位应是同一水位，按照此状况进行水力计算。

泄洪冲沙闸过流能力计算公式：

式中：Q为流量，m3/s；B为溢流堰总净宽，m；m为二维水流WES实用堰流量系数，由规范表A.2.1-1查得；c为上游堰坡影响系数，上游堰面为铅直时，c＝1.0；ε为闸墩侧收缩系数；σs为淹没系数，查规范图A.2.1-3。

1.4.3 过流能力计算

由于泄洪冲沙闸底板高程为194.0 m，溢流坝堰顶高程为195.28 m，当上游水位低于溢流坝堰顶高程195.28 m时，仅泄洪冲沙闸过流，当上游水位高于195.28 m时，泄洪冲沙闸和溢流坝同时过流，过流能力应为泄洪冲沙闸和溢流坝下泄流量之和。

泄洪冲沙闸按平底堰流计算，侧收缩系数、淹没系数按公式计算，流量系数取规范值0.385。溢流坝过流能力按《溢洪道设计规范》公式计算[2]，有关系数按该规范规定选取，定型设计水头Hd＝3.5 m（50年一遇洪水位对应堰上水头的0.704倍）。

通过上述计算，拦河闸经过除险加固后，当开启全部4孔泄洪冲沙闸门，溢流坝自由溢流状态下，当遭遇50年一遇校核洪水时，上游水位200.25 m，相应下泄洪峰流量3435 m3/s，稍大于最大过闸流量3434.93 m3/s。当遭遇20年一遇设计洪水时，上游水位199.02 m，相应下泄洪峰流量2283.86 m3/s，稍大于设计过闸流量2260 m3/s。

1.5 溢流坝下游消能防冲设计

1.5.1 消能方式

原拦河闸消能方式为戽流消能，戽流消能形成强烈的旋滚，对下游河床淘刷比较严重，故要求下游基础较为坚实。拦河闸下游土为圆砾，“2003.08.16”洪水后拦河闸下游消能防冲设

式中：B0为闸孔总净宽，m；Q为过闸流量，m3/s；H0为计入行近流速水头的堰上水深，m；g为重力加速度，可采用9.81，m/s2；m为堰流流量系数，可采用0.385；ε为堰流侧收缩系数，对于多孔闸可按公式计算求得；b0为闸孔净宽，m；bs为上游河道一半水深处的宽度，m；N为闸孔数；εz为中闸孔侧收缩系数，可按公式计算求得；dz为中闸墩厚度，m；εb为边闸孔侧收缩系数，可按公式计算求得；bb为边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离，m；σ为堰流淹没系数，可按公式计算求得；hs为由堰顶算起的下游水深，m。

溢流坝过流能力计算公式（《溢洪道设计规范》公式）：施已全部冲毁，并形成冲刷深坑。加固后溢流坝堰顶高程195.28 m，下游河床地面193.3 m，两者高差仅1.98 m，最大单宽流量23.33 m3/（s·m）（50年一遇校核洪峰流量），校核洪水工况上下游水位差2.25 m，设计洪水工况上下游水位差1.93 m，泄洪能量不大，所以本工程具备底流消能的合适条件，除险加固后的拦河闸采用底流消能方式。

1.5.2 溢流坝消能计算

收缩水深hc的基本计算公式：

式中：E0为泄水建筑物上游总水头；q为收缩断面处的单宽流量；g为重力加速度；φ为流速系数。

矩形断面平底消能工跃后水深hc"计算公式：

式中：Frc为收缩断面弗劳德数；hc为收缩断面水深；q为收缩断面处单宽流量。

消能池深S计算公式：

式中：σ为安全系数，取σ=1.05；z为消能池出口水面落差；b为消能池宽度；φ'为消能池出流的流速系数，取φ'=0.95。

消力池底板始端厚度根据抗冲和抗浮要求分别计算，并取其大值。

按《水利计算手册》对海漫长度进行估算：

式中：Lp为海漫长度，m；ht为下游水深，m。

经估算取下游海漫长20 m。

经计算，消力池长度和深度均以50年一遇校核洪水工况控制，消力池深为0.8 m，池长为16.5 m，消力池底板顶高程192.5 m。溢流坝消力池底板厚度计算3个工况：工况一，基本组合：正常蓄水位195.28 m（堰顶高程），下游水位193.30 m；工况二，基本组合：设计水位199.02 m，下游水位197.09 m；工况三，特殊组合：校核水位200.25 m，下游水位198.00 m。

在消力池底板厚度计算中，当按抗浮公式计算时，扬压力按无帷幕全水头计算，安全系数1.1，脉动压力取跃前收缩断面流速水头值的5%，不考虑消力池末端底板排水孔的有利作用。抗浮公式计算结果：50年一遇校核洪水工况为控制工况，底板始端最大厚度为1.48 m，末端厚度为0.74 m。按抗冲公式计算底板最大厚度为0.89m。根据《水闸设计规范》规定[3]，在两种计算方法中，应选取计算值较大者，确定采用按抗浮公式计算的底板厚度，即始端厚度1.5 m，末端厚度0.8 m，该取值略大于计算值。消力池底板厚度计算结果见表2。

表2 消力池底板厚度计算结果

2 溢流坝渗流稳定计算

2.1 计算方法

按平面有限单元法进行分析，三角形单元，由软件自动剖分[4]。混凝土堰体按不透水处理，基础分层模拟其透水性能，消力池底板末端打排水孔部位按圆砾透水层处理，缩短了渗径，计算结果偏于安全[5]。为了较真实反映实际情况，取上下游及地基深度不小于3陪计算水深作为计算边界。

2.2 计算工况和计算参数的确定

溢流坝基础渗流稳定复核计算3个工况：工况一：正常蓄水位195.28 m（堰顶高程），下游无水；工况二：设计水位199.02 m，下游水位197.09 m；工况三：校核水位200.25 m，下游水位198.00 m。

根据地质资料，泄洪冲沙闸覆盖层地基分层仅圆砾一层，该层为杂色、厚度3.30 m～6.80 m。粒径大于20 mm的含量占21.9%，20 mm～2 mm含量占58.1%，属级配不良圆砾，触探击数平均值为18.3，呈中密状态，浑圆状，岩性以花岗岩，石英岩等为主。其中局部分布薄层砾砂以石英颗粒为主，触探平均击数为12.3，属中密状态。水闸基础建基于圆砾层上。渗流稳定破坏形式为管涌型[6]。

圆砾渗透系数采用地质建议值6.9×10-2cm/s；岩石渗透系数参照同类岩石值取6.0×10-7cm/s。允许渗流坡降按《水闸设计规范》表6.0.4的地基类别为中砾取值[7]，即水平段0.22，出口段0.5。

2.3 溢流坝渗流计算

各工况最大水力坡降值见表3。计算结果表明，各工况最大水力坡降均满足要求[8]。正常蓄水位工况是最危险工况，上下游水位差3.60 m，水平段水力坡降值0.143，出口段垂直坡降值0.207，单宽渗流量为2.32×10-4m3/s[9]。

表3 溢流坝各工况最大水力坡降汇总表

3 结论

1）除险加固后的混凝土溢流坝上游垂直面，坝基础向上游加宽1 m，堰顶高程195.28 m，与原堰顶高程相同，堰面为WES实用堰型，堰面曲线x1.85＝5.8y，下游以7.5 m为半径的圆弧连接消力池，采用坝顶无闸门自由溢流泄洪。溢流坝底宽7.95 m，最大坝高3.6 m，建基高程191.68 m，与原建基高程相同。溢流坝采用消力池底流消能，溢流坝消力池深0.8 m，池长18 m（包括溢流坝下游堰圆弧段的1.5 m），底板顶高程192.5 m。溢流坝消力池的末端4 m范围预留排水孔以降低扬压力。溢流坝消力池下游铺设格宾石笼海漫防冲，末端布置抛石防冲槽。

2）根据渗流稳定计算结果，运行调度方案为：当上游坝前水位低于正常蓄水位195.28 m时，溢流坝不过流，生态基流由冲砂闸按入流的10%进行泄流，进水闸按灌溉需求引水灌溉[10]；当上游坝前水位高于正常蓄水位195.28 m，且低于水位195.78 m时，冲砂闸不参与泄流，水流仅从溢流堰坝顶溢流（相当于实用堰），进水闸按灌溉需求引水灌溉。