谈洛惠渠加固改造工程设计技术特点

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［摘要］洛惠渠渠首加固改造是在著名水利大师李仪祉主持修建的“关中八惠”之一的洛惠渠渠首浆砌石拱形重力坝基础上的加固和改建。北洛河为著名高含沙河流，坝址河道洪水具有泥沙含量高、洪峰流量大、洪水历时短的特点。为解决枢纽引水、泄洪冲沙及河道下游冲刷之间的矛盾，通过多方案论证比选，提出具有本工程特色的设计技术方案，工程加固改造后经过多年的实际运行考验，工程安全可靠、效益显著，可供类似工程参考借鉴。

［关键词］洛惠渠；加固；重力拱坝；泄洪排沙

1概况

陕西省洛惠渠引洛灌溉工程始建于1934年，是著名水利大师李仪祉主持修建的“关中八惠”之一，洛惠渠灌区1950年开灌受益，累计引水量达84亿m3，灌溉农田7600万亩•次。洛惠渠渠首位于北洛河干流下游渭南市澄城县交道乡状头村，距澄城县城约15km，采用低坝枢纽自流引水，由浆砌石拱形重力坝、引水渠、进水闸、退水闸四部分组成，最大坝高16.2m，坝轴线长177.7m，设计引水流量18m3/s，加大引水流量22m3/s，设计洪水标准3000m3/s。洛惠渠渠首枢纽运行近70a，原设计防洪标准偏低，大坝坝体存在数十条危害性裂缝，其它主要建筑物也存在多处安全隐患。由于渠首无调蓄能力，上游用水量增加和小型水利水电工程的修建与投入使用，使得洛河径流出现较长特枯时段和流量剧烈波动，导致渠首引水条件恶化，灌区缺水问题更趋严重。洛惠渠渠首加固改造工程的任务为：以消除大坝安全隐患，保证引水枢纽安全为主，适当兼顾平抑引水流量，改善渠首引水条件[1]。工程枢纽控制灌溉面积80万亩，设计引水流量25m3/s。防洪标准为设计洪水标准30年一遇洪水设计，相应洪峰流量5580m3/s，校核洪水标准100年一遇洪水校核，相应洪峰流量8610m3/s[2]。

2加固改造工程布置

洛惠渠渠首加固改造工程为中型Ⅲ等工程，主要由拦河主坝（右挡水坝段、左右冲沙底孔坝段、溢流坝段）、进水闸坝段、左副坝段和下游交通桥等四大部分组成。见图1。图1洛惠渠渠首加固改造工程平面布置图拦河主坝：包括溢流坝段、挡水坝段和泄洪冲砂底孔坝段三部分。大坝坝型为拱型混凝土重力闸坝结构，坝段轴线全长206m，坝顶高程415.00m，最大坝高26m；其中溢流坝段堰顶高程405.00m，泄流宽度132m，设计泄量4448m3/s，校核泄量6909m3/s；挡水坝段轴线长47m，最大坝高16m；3孔4.0m×6.0m（宽×高）泄洪排沙底孔，堰顶高程398.0m，在溢流坝段左侧布置1孔，右侧布置2孔，设计泄量844m3/s，校核泄量953m3/s。进水闸：进水闸孔口尺寸4.0m×3.0m（宽×高），进口高程402.21m，底板由进口闸室段、连接段等组成，设计引水流量25m3/s。左副坝：左副坝为均质土坝，坝轴线长128m，最大坝高15m，坝前防护与副坝护坡、导流涵洞结合起来，形成单一护坡，迎水面边坡比1∶2.0，背水面边坡比1∶1.5。下游交通桥：在大坝下游约110m处设交通桥梁1座，桥梁全长121m，桥面宽4.5m，行车道净宽3.5m。设计荷载为汽车-15级。

3工程设计技术特点

该工程是著名水利大师李仪祉主持修建的“关中八惠”之一的洛惠渠灌区北洛河取水渠首枢纽的加固改造工程，北洛河为著名高含沙河流，为解决枢纽引水、泄洪冲沙及河道下游冲刷之间的矛盾[2]，以及保证在工程施工期间枢纽引水不间断等问题，设计进行了多方面研究，具有以下技术主要特点。

3.1新老坝体结合面的处理

洛惠渠渠首加固改造工程结构设计的一个特点和难点问题就是对老坝体如何利用的问题。国内外类似工程的做法大多是将原坝部分或全部拆除，重新修建形成新的闸坝枢纽。考虑到本工程原坝体施工质量较好，设计经研究分析，采用了将原坝体表面部分少量拆除、清理的方案。一方面充分利用了老坝体，减少了工程量、投资和施工难度；另一方面对老坝体进行固结灌浆，以消除坝体裂缝，并对新老坝体结合面采取合理有效的锚固处理，保证了其结合面的强度，满足工程要求。在对新老坝体结合面的锚固处理方法上，进行了普通砂浆锚杆和植筋锚杆的优化比较，见表1。通过以上综合分析比较，新老坝体结合面加固处理设计选用投资省、老坝体拆除量小、施工难度小的植筋锚固方案。为确保新老坝体结合面结合牢靠，设计对新老坝体结合面进行了固结灌浆处理，固结灌浆孔梅花形布置，孔、排距均为3.0m，孔径110mm，紧邻坝轴线上下游两侧的固结灌浆孔深入基岩10m，其余灌浆孔深入基岩5.0m。在断层破碎带和节理密集带范围内，加深、加密钻灌，孔、排距为1.5m，孔深5m。在老坝体表面和基岩上布设直径16mm化学植筋，排距圆心角为1.333°，行距2.0m，梅花形布置，单根长1.0m，深入老坝体0.25m。设计在陕西省首次采用大面积化学“植筋”法加固原浆砌石坝体和新浇筑混凝土坝体[3]，坝体完整性良好，运行安全。

3.2泄流与消能

考虑水库两岸地形地质特点、排沙等因素以及北洛河洪水特性，枢纽泄水建筑物必须有较大规模的泄流量，枢纽表、底孔属大单宽、低水头泄水建筑物，消能是一个低佛氏数消能问题，洛惠渠渠首处地形特殊，两岸地形在距坝趾下游约60m处收缩形成一个狭口，同时河床面在此又有近7m的跌落深潭，加之泄流规模大、水头低、拱坝泄流存在向心集中问题，使得拦河坝泄流与消能方式十分复杂。

3.2.1底孔方案选择洛惠渠渠首枢纽泄流水头低、泄流量大，汛期灌溉又有边引水、边冲沙的运用特点，因此，需通过冲砂泄洪底孔排沙，以保持枢纽有一个长期有效的稳流库容和保持进水闸能够引到含砂量低的水流，即保持进水闸“门前清”[2]。底孔设计流量和闸孔尺寸的选择涉及因素较多，目前尚无严格的设计标准。设计根据国内工程经验实践认为，应根据枢纽的基本功能及底孔在实现这些基本功能过程中的地位与作用确定。本枢纽的基本功能是引水、泄洪、排沙，底孔的作用为泄洪排沙，保持水库有一定的长期有效库容，应以洪水流量频率法确定或以造床流量计算，造床流量按黄委水科所的经验公式进行计算，即：计算得冲砂流量约为300m3/s～500m3/s，考虑北洛河小于等于造床流量的分级情况及金属结构布置、下游消能衔接方式等因素，本工程布置上约需面积为4m×6m的底孔3孔或4孔。设计对底孔布置3孔和4孔两个方案的进行综合比选，见表2。两方案计算有效库容仅相差5万m3，但土建和金结直接投资相差262.5万元，总投资相差286.6万元，综合考虑枢纽加固改造的的任务要求和工程投资，设计推荐3孔布置方案。

3.2.2表孔方案选择洛惠渠渠首表孔受到大坝拱形条件的限制，加之具体的水力因素，使得拦河主坝下游水流特性具有如下特点：（1）水流具有向心集中问题，表现为随着水流的推进其过流断面宽度在不断缩窄，使得单宽流量不断增大，底孔反弧底单宽较进口增大6.4%，溢流坝段单宽流量增大18.7%；（2）溢流坝段属大单宽、低水头泄水建筑物，消能问题实质是一个大单宽流量、低佛氏数消能问题。经水工模型实验和计算分析，溢流坝段可采用底流或戽流的消能方式。设计结合工程实际，由于底流流速较大，高达19.6m3/s，对下游岩体冲刷较为严重，流态稳定性较差、消能不够充分，最终设计表孔选择消能效果好的消力戽消能，底孔选择挑流、戽流的消能方式。表孔设计单宽流量238m3/(s•m)，在我国北方多泥沙河流居前列，经过实际运行考验，效果良好。

3.3工程稳定流量作用

洛惠渠渠首加固改造工程实施后，入库泥沙能否顺利排出库外，水库能否保持一个可长期利用的有效库容，是确保工程稳定流量作用的关键问题[2]。为此，陕西省关中灌区加固改造工程世行贷款项目办公室委托西安理工大学进行河工模型试验,并同时进行多个改造方案的泥砂数模计算研究。据模型试验的研究成果和泥沙数模计算分析，加固改造工程在设置3孔冲砂底孔方案时，可保持长期有效库容约95万m3，进水口高程402.21m至溢流堰顶405.00m高程之间有效库容约70万m3，基本达到稳定引水流量的目的[2]。同时，灌区在管理上应适当压缩引水时间，集中引大水，提高供水适时性，基本消除春播、夏播及伏旱期缺水严重而造成相当部分农田无法下种或保苗的问题，以显著提高引水效率。

3.4施工导流

由于是对老灌区枢纽进行改造，因此工程施工期间不能中断灌区灌溉引水，引水设计流量25m3/s。设计考虑实际，经多方案研究，施工采取分段分期导流方式，导流时段为5年一遇全年洪水，一期导流流量1720m3/s（3月~10月），二期导流流量168m3/s（11月~6月），利用底孔过流，根据用水要求，合理安排施工工序、选择施工设备，保证工程施工安全，保证不中断灌区溉引水的需求。3.5结合面化学“植筋”工程设计在陕西省首次采用大面积化学植筋法加固原浆砌石坝体和新浇筑混凝土坝体，在老坝体表面和基岩上布设直径16mm化学植筋，排距圆心角为1.333°，行距2.0m，梅花形布置，单根长1.0m，深入老坝体0.25m。加固后坝体完整性良好，运行安全。

4结语

工程于2004年7月开工建设，2007年6月枢纽加固改造工程竣工。工程建成后，彻底消除了大坝安全隐患，改善引水条件，保证了80万亩洛惠渠灌区的正常引水，平均年引水量1.02亿m3，对缓解灌区的严重缺水状况、改善维护灌区生态环境、保障农业生产丰收、促进当地经济发展、提高灌区人民生活水平，发挥了巨大的社会效益和经济效益。

参考文献

[1]赵玮，张民仙,等.洛惠渠渠首加固改造工程初步设计报告[R].陕西省水利电力勘测设计研究院，2003.

[2]董士镛，陈万阳.闸坝与电站建筑物[M].水利电力出版社，1995.

[3]鸣，韩建博.渠首加闸工程新旧坝体结合面加固措施研究[C].岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题———中国岩石力学与工程学会第七次学术论文集.中国科学技术出版社，2002.

作者：赵玮 单位：陕西省水利电力勘测设计研究院