（水利工程专业论文）山东省大汶河琵琶山溢流坝加固设计研究.pdf

摘要 随着建筑市场对砂石资源的需求越来越多，近年来河道管理部门难以有效制 止河道内无序采砂，河道上拦河、跨河建筑物时有破坏，山东省多条河道上的拦 河闸坝和桥梁工程连续发生险情，因此，对采砂河道上建筑物基础加固和消能防 冲措施的研究，具有重要的现实意义。本文以山东省大汶河琵琶山溢流坝加固工程 实例为依托，紧密联系工程实际，对拦河建筑物砂基加固进行探索。 消能设计、坝基支护设计是拦河建筑物砂基加固中的重要内容，其设计理论 和施工方法都在水利工程运用中得到不断地探索与改进。本文在此基础上系统总 结和分析了国内外水库除险加固、消能、地下连续墙等技术研究成果，结合山东 省大汶河琵琶山溢流坝加固工程，对加固技术中的防渗技术、消能技术、砂基支 护技术理论和应用进行了进一步的探索和研究。在分析了琵琶山溢流坝溃坝的原 因的基础上，根据大汶河流域水文、气象、地质等条件，提出四个除险加固方案， 通过对除险加固方案的比较及优选，最终选择了溢流坝、橡胶坝、冲砂闸面流消 能加固方案；同时对选定方案进行了相关的设计研究。 设计研究成果在2 0 0 4 年汛前已完成主体工程的施工，并经历了两个汛期的考 验，实践证明，所提出的设计方案是满足使用要求的，琵琶山溢流坝的加固措施 是科学合理的。本次研究成果对其它拦河建筑物及病险水库加固处理具有借鉴作 用，同时也为多砂河道拦河建筑物基础加固及病险水库处理技术积累了经验。 关键词：琵琶山溢流坝，基础加固， 方案优选，消能防冲，地下连续墙 a b s t r a c t w i t t lt 1 1 ei n c r e a s i n gr e g u i r c m e mo fs a n da n dr o c kr e s o u r c ei nc o n s 仇】c t i o nm a r i 【e t ， r e c e n ty e a r s ，i t sl m r dt oh o l db a c kt l l es a l l di nr i v e r v a yt ob ee x p l o “e di no r d e rf o r r i v e r v a ym a i l a g e m e n td e p a m n e n t ，t 1 1 e ni tb r i n gt l i eb u i l d i n gn c a r 也er i v e rt od e s 仃0 y s o m e t i m e s t h e r ea r em a n yr i v e rb a r r a g e s ，s l u i c e sa n db r i d g e si nd a n g e rc o i n i m l o u s l y i ns h a i ld o n gp r o v i n c e ，a sar c s u l t ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c h 血er e i n f o r c i n g f b u d a t i o nt e c h i l i q u ea l l dt 1 1 em e a s u r eo fc i l e r g yd i s s i p a t i o na l l de r o s i o np r e v e n 石o ni n r i v e 刑a y 谢t ha b u n d a n ts a l l d 1 艋sp a p e r t 0 0 kd g w e nr i v e rp i p a s h a l lo v e m o wd 锄 c o i l s o l i d a t i o np r o j e c to fs h a nd o n gp r o v i n c e 嬲e x a m p l e ，p u tt h em e o r yi n t op r a c t i c e ， s t i l d i e dt 1 1 ec o n s 0 1 i d a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yf o rm er i v e rb a 玎a g e si nt h es a n df o u n d a t i o n t h ed e s i g no fm ee n e r g yd i s s i p a t i o na i l dd 锄f b l 】n d a t i o ns u p p o na r ea l l i m p o r t a n t c o n t e m so fs 廿e n g m e l l i n gs a l l df o u n d a t i o nf o rr i v e rb a 玎a g e ，t l l ed e s i g nm c o r y 趾d c o n s m l c t i o nm e t b o da r ee x p l o e d 舭di m p o v e do nw a l | e rr e s o u r c e se n 百n g e e r i n g b a s i n g o nt l l es 眦吼撕z i n ga n da n a l y z i n gp r e s e n tr c s e a r c ho ft h er e i i l f o r c i n gt e c h n j q u eo f r e s e r v o i rd a m s ，e n e r g yd i s s i p a t i o na r i dd i a p l r a g mw a l l ，c o m b i n j n gd a w e nr i v e r p i p a s h a no v e r f l o wd 锄c o n s o l i d a t i o np r o j e c to fs h a nd o n gp r o v i i l c e ，t l l i sa n i c l e s t u d i e d 血ea p p l i c “o nc o n s o l i d a t i o nt e c i l n o l o g yo ft l l er e i n f o r c i i l gt e c h l l i q u ed e s i 印 s c h e m e ，e n c r g yd i s s i p a t e dm e c h a n i c s ，d i 印h m g mw a l l ，e t c b a s e do na n a l y s i so f d a w e n r i v e rr e 百o nh y d r o l o g ym e t e o r o l o g i c a l ，e o l o 百c a lc o n d i t i o n ，t h j sp a p e rs t u d i e dt l l e d a m - b r c a kr e a s o no fp i p a s h 如o v e m o wd 锄，p u tf o 九v a r d4c o n s o l i d a t i o ns o l u t i o n d e s i g ns c h 锄e ，t l l e nc o m p a r e da 1 1 ds e l e c c e df 如m 也锄，f i m l l y 血i sp 印e rs e l e c t e dt l l e c o i l s o l i d a i i o ns c h e m e o v e m o wd a i n 卸dm b b e r 蛐，m s hs a n dn o o d g a t es l l r f h c e n a w se n c r g yd i s s i p a t i o nm e c h a n i c sc o n s o l i d a t es c h e m e a tt h es 锄et i m e ，m i sp 印e r m a d er e l a t e dd e s i g nr e s e 盯c h 、i t l lt l l es e l e c t e ds c h e m e t h ep r i n c i p a lp a r to fm ep r o j e c to ft 1 1 er e s e 盯c hd e s i g nh a sc o m p l e t e dt l l e c o n s 仃u c t i o nb e f b r e2 0 0 4n o o ds e a s o n ，a n de x p e r i e n c e dt 、on o o dp e r i o d s ，t l l ep r a c t i c e h a dp m v e nt h cp r 叩o s e dd e s i 印p r o p o s a ls a t i s f i e s l eo p e r a t i o nr c q i l i i 砌e n t s ，t h e r e i n f b r c i n gm e 踮u r eo fp i p a s h a i lo v e r f l o wd 锄i ss c i e n t i f i ca i l dr e a s o n a b i e t h er e s 山t s c a nb eu s e df b rr e f 毫r e n c ef o rt 1 1 es t r e n g t h e n i n g 缸e 咖e n to fo m c rf i v e rb a r r a g ea n d f h u l t ya n dd a n g e r o u sr e s e r v o i r s ，a i l dc a na l s ob ea c c u m l l l a t e da sm ee x p 甜e n c ef o r s m d ys 廿e n g t h e n i i l gt e c h n i q u eo f m ef 孤n ya n dd a r 培e r o u sr e s e n r o i r s k e y w o r d s ；p i p a s h a no v e m o wd 锄，r e i n f o r c i l l g f 0 i l f l d 越i o nt c c h n j q u e ，1 1 1 eo p t i m i z a t i o n 缸d s e i e c t i o no f s c h e m e ，e n e 唱yd i s s i p a t i o n 锄de r o s i o np r e v e n t i 册，d i a p h m g mw a l l 2 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。如不实，本人负全部责任。 f h 、t 论文作者( 签名) ：盗匠2 0 0 6 年 月彳日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 一 论文作者( 签名) ：型遗2 0 0 6 年弓月易日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的目的与意义 洪水灾害是当今人类经常遭受的最严重的灾害之一。我国是洪灾频发的国家， 全国约有2 3 的国土面积受到不同类型、不同程度的洪灾威胁。兴修水利，防治 洪涝灾害是我国水利事业的最基本的任务之一，水库作为江河防洪体系的重要组 成部分，发挥着巨大的作用。但我国目前大量的病险水库成为防洪心腹之患，一 旦垮坝失事，后果严重。同时，由于河流中的泥沙运动及河床演变与治河防洪、 防护工程直接相关。如在河道上修建水库、水电站等水利枢纽，在河道、港湾中 疏浚挖槽、护岸固床，以及无序开采建筑用砂等都将打破天然河流水沙条件与河 床的相对平衡，使河床发生冲刷或淤积，水流运动状态发生变化，河床形态进行 重新调整。这些水沙运动和河床形态的变化对水工建筑物的安全和效益有很大的 影响，而且对整个河道的河势变化及演变，乃至周围人类生存环境都有一定的影 响。因此，加大投人，坚持不懈的依法管理河道砂资源开采，实施水库除险加固 计划，加强水库安全管理，保障工程安全是非常必要的，也是十分紧迫的【”。 兴利除害，对河流进行综合治理和开发，是关系到国计民生的重大问题。特 别是我国河流众多，洪水灾害严重，不得不修建大量的治河防洪、防护工程。如 果水工建筑物的防洪标准达不到，或者工程设计年限太久出现了老化等现象，就 会给人民的生命财产带来威胁，因此，修建水工建筑物的工程决策和建设成败往 往起到十分重要的作用阶【5 1 。 我国广大地区，为了兴利除害，兴建了大中小型水库8 5 2 8 9 座，总库容5 5 9 4 亿m 3 ( 截至2 0 0 2 年统计) ，在防洪、灌溉、发电、养殖等方面发挥了巨大作用。然 而由于种种原因，水库平均破坏率高。根据大坝注册薄统计，1 9 0 0 - 1 9 5 1 年共建各 种大坝5 2 8 6 座，其中溃坝1 1 7 座，溃坝率2 2 ，1 9 5 1 1 9 8 6 年共建大坝1 2 1 3 8 座，其中溃坝5 9 座，溃坝率o 4 9 ，这严重影响了工农业生产与国民经济建设的 发展。为充分发挥工程效益，消除病险水库的隐患，实现国有固定资产的增值， 实现区域经济社会的可持续发展，实行水库除险加固技术，是山东省今后水库管 理的重点内容之一，也是落实国家关于水库除险加固规划的重要举措! 本文以山东省大汶河琵琶山溢流坝加固工程实例为依托，紧密联系工程实际， 1 河海大学工程硕士学位论文：山东省大汶河琵琶山溢流坝加固设计研究 对采砂河道上的拦河坝工程的地基加固和消能防冲进行探索和研究，以期对类似 拦河建筑物地基加固提供借鉴和参考。近年来河道管理部门难以有效制止河道无 序采砂，河道上拦河、跨河建筑物时有破坏，山东省多条河道上的拦河闸坝和桥 梁工程连续发生险情，因此，对采砂河道上建筑物基础加固和消能防冲措施的研 究，具有重要的现实意义。 1 2 我国病险水库除险加固的现状 1 2 1 我国水库的安全状况“” 新中国成立以来，党和政府非常重视水库的建设。截至2 0 0 2 年底，全国己建 成各类水库8 5 2 8 9 座( 不含港、澳、台地区) 。其中大型水库4 4 5 座，中型水库2 7 8 2 座，小型水库8 2 0 6 2 座。全国水库总库容约为5 5 9 4 亿m 3 ，相当于全国河流年径 流总量的1 5 ，为国民经济发展，解决人畜饮水困难，抗旱、防洪、促进旅游业发 展起到了重要的作用。但由于在上世纪5 0 7 0 年代兴建的水库较多，受建库时的 历史条件、工程技术及复杂地质地貌条件限制，很多水库在缺乏起码的基本地质 资料和必要的工程技术条件下就仓促动工，存在工程施工质量较差、三边工程等 诸多因素，使得大部分水库在修建的时候就留下了安全隐患。因此，水库存在的 病险情况突出，已经成为防洪安全的心腹之患，直接危害交通、农田、人民生命 财产安全。据统计，全国已建成的水库中有病险水库3 0 4 1 3 座，占水库总数的3 5 7 。其中，大型病险库1 4 5 座，中型病险库1 1 1 8 座，小( 一) 型病险库5 4 1 0 座， 小( 二) 型病险库2 3 7 4 0 座。 河南“7 5 8 ”大水，板桥、石漫滩水库失事的惨痛教训，引起各级领导的重 视，全国病险水库的除险加固有了较大进展。从1 9 7 6 年至1 9 8 5 年全国加固了大 型水库6 5 座，许多重要水库例如丹江口、密云、大伙房、南湾等水库得到了加固。 为了加快病险水库的加固步伐，水利部在1 9 8 6 年和1 9 9 2 年先后列出了全国重点 病险水库共8 1 座，其中特别重要的中型水库1 3 座。现已完成加固的3 5 座，其中 大型水库2 8 座，中型水库7 座。但由于遗留问题太多，又加上地方财政困难，投 人不足，至今仍有大量病险水库存在。 这些病险水库的存在，不仅不能正常发挥工程效益，而且一旦垮坝失事，必 将严重影响下游人民生命财产的安全。1 9 8 0 年前全国垮坝3 0 0 0 余座，平均每年 第l 章绪论 1 1 0 座，最多的是1 9 7 3 年，垮坝5 5 4 座。1 9 7 5 年河南板桥、石漫潍大型水库垮坝 失事，造成数万人死亡和重大经济损失。8 0 年代后，由于降雨偏少和进行加固等 原因，垮坝有所减少，但每年仍有2 0 余座。1 9 9 3 年青海省沟后水库库容仅3 0 0 万m 3 ，由于工程存在严重质量问题而垮坝失事，造成百余人死亡的重大事故。1 9 9 5 年湖北省一座十几万m 3 库容的水库垮坝也造成3 4 人死亡的事故。 1 2 2 中小型水库的主要病险症状”“” 根据调研，小型水库中危及工程安全的主要病险症状是；防洪能力不足，防 洪标准不够；大坝渗( 漏) 水严重，渗流不安全；大坝形体单薄，坝坡过陡，结构稳 定性不满足规范要求；溢洪道、输( 引) 水洞等其他建筑物的安全性差：大坝或建筑 物的抗震稳定性不满足要求；白蚁危害严重；上游坝坡风浪淘蚀严重，金属结构 不能可靠和安全运行，不具备防汛交通道路与通信设施等其他条件；水库管理维 护力度差。 1 2 3 水库除险加固中存在的突出问题 我国水库除险加固工作虽然取得了显著成绩，但仍然存在许多问题，较突出 的问题表现为： 病险水库数量多，资金缺口大。据初步统计，全国病险水库加固需总投资 4 9 7 1 4 亿元。其中大型病险水库需投资1 1 6 4 4 亿元：重点中型病险库( 指对下游 影响严重的中型水库1 需投资9 4 2 9 亿元，一般中型病险库需投资7 2 2 2 亿元；小 一型水库需投资9 1 6 8 亿元，小二型水库需投资1 2 2 5 1 亿元。个别地方对小水 库除险不够重视，“等、靠、要”依赖思想依然严重，地方投人少，对中央和省安 排项目匹配资金少或不匹配。少数地方对水库除险中遇到的复杂问题论证不够 充分，处理措施欠科学，不仅增大了工程投资，而且处理效果也不理想。经济 效益差或无效益的水库管护跟不上，还有一些水库无管理单位或无人管护，工程 长期超负荷运行，年久失修，损坏日益严重，险情越来越大，日久形成新的病险 库。小型水库除险加固工作发展不平衡。东部地区省份己经有计划、有步骤地 在全省范围内展开大规模的小型水库除险加固，并且取得了比较明显的成效。有 相当一部分省由于资金问题，只能是“头痛医头、脚痛医脚”，不能进行全面系统 的根治。还有些仅在险情严重时，才不得已作一些应急性的投入。 河海大学工程硕士学位论文：山东省大汶河琵琶山溢流坝加固设计研究 1 3 国内外溢流坝消能研究现状以及发展趋势 1 3 1 消能研究的现状 水流运动是一种非常复杂的自然现象，对各种作用力存在的情况和它们发展 的规律，至今还没能很好的掌握，设计水利工程时通常不是用数学分析的方法， 就是应用经验公式，这两种方法都有一定局限性，比如为了解决数学分析的困难， 在推导理论方程之前需加上各种假设进行简化；在方程求解过程中，对高次项往 往加以省略。因此，根据理论公式设计后，还要经过水工试验的验证再付诸实施， 以保证安全。其次，应用经验公式虽可靠，但其系数有一定的使用条件和范围， 不能任意推广应用。事实上天然河道中水工建筑物的边界条件各不相同，且非常 复杂，需经过水工模型试验的分析研究方可切合实际，通过模型试验还可将水能 消能理论的研究进一步深入，并用来指导实践。因此，通过水工模型试验来研究 消能，一直受到工程界的重视。 天然河道中的水流，一般多属缓流， 但当河道中修建了闸、坝等泄水建筑后， 单宽流量沿河宽方向的分布比较均匀。 流动条件发生了变化，通过建筑物下泄 的水流往往具有很高的流速，单位重量水体所具有的能量( 比能) 也比下游河道中水 流的正常比能大得多，对下游河床具有明显的破坏能力。特别是为了节省建筑物 的造价，常要求这类建筑物泄水宽度比原河床小，单宽流量加大，形成的高速水 流下泄能量更加集中，破坏力也就更大。因此必须采取措施使高速下泄的水流能 够转变为下游正常的缓流，从而保证建筑物的安全。泄出水流条件不同，下游河 道的地形、地质条件的差别以及各个工程运用要求不同，都会影响到消能工程设 计的具体型式【2 1 2 珂。 泄水建筑物是水利枢纽中重要的组成部分，它是保证枢纽安全运行的必不可 少的重要建筑物。一个水利枢纽工程，如果没有安全可靠的泄水系统，就不能达 到兴利除害的目的【2 “。当泄水建筑物兴建后，泄流宽度较原河道缩窄，单宽流量 增加，同时抬高上游水位造成显著的上下游水位差，因而上游来水流经建筑物后 把位能转换为巨大的动能，水流湍急，若不采取有效措施，势必冲刷河槽，使建 筑物遭到破坏。因此，消除巨大的余能( 主要是动能) 成为防止下游冲刷破坏和 建筑物破坏的主要任务之一，国内外学者对消能的研究，由来已久，而且作了大 量工作，得出许多宝贵经验总结。 第1 章绪论 面流消能是一种基本的消能方式【2 ”，具有排冰、漂木、对河床的冲刷较小等 优点，且工程量小、投资较省、施工工期较短；还具有适应大流量和下游水位变 幅大的特点。因此，面流消能形式在我国中小型水利工程和2 0 多座大中型面流工 程上得到广泛应用。这些工程经受了泄洪考验，在发电、防洪、航运、漂木、排 冰等方面作出了很大贡献2 6 2 7 】。虽然，面流消能水力特性的试验研究和理论分析 都取得较大进展，但是有关面流消能水面波动特性的系统研究还很少。如果这个 重要问题处理不当，会引起近坝岸坡的冲刷和侧蚀，且传播较远，影响下游建筑 物的安全，特别会影响通航，正由于此制约着面流消能方式在工程上的更广泛应 用，因此，系统研究面流消能具有重要意义。 面流消能【2 8 】适用于中、低水头，深尾水以及有排冰、漂木要求的泄洪建筑物。 国内从5 0 年代开始到8 0 年代初应用较为广泛。但由于面流消能存在流态多变和下 游波动较大的特点，使一些已建的面流消能工程如西津、富春江、麻石等水电站 的下游岸边被冲刷坍陷，威胁电站的安全运行，同时每年都要维修护岸工程。这 些问题的存在，妨碍了面流消能的推广应用【2 9 3 0 1 。 水利水电建设中，泄水建筑物的消能防冲措施对整个工程的安全运用起保证 作用，其建筑费用往往占工程总造价的一个很大比例，使得消能防冲成为工程全 局设计的关键问题之一而受到重视。常用的消能形式有：底流式、挑流式、面流 式及消力戽或联合式，具体采取哪种形式，须经多方条件进行技术经济比较确定， 甚至有些工程需进行水工模型试验来加以选择1 3 “。 1 3 2 其他消能方式口2 3 9 l 近几年，在我国水利工作者的努力下，通过模型试验、理论分析及原形观测 等手段，除常规的底流( 水跃) 消能、面流消能、挑流消能外，又研究出多种消能工： ( 1 ) 坝顶跌流水垫塘消能工；( 2 ) 泄洪洞洞内消能工；( 3 ) 收缩式消能工i ( 4 ) 台阶式联 合消能工。 1 4 国内外地下连续墙技术现状以及发展趋势 1 4 1 地下连续墙概述，”“1 随着工业和城市建设、交通、水利等基础设施的发展，我国修建了很多高层 河海大学工程硕士学位论文：山东省大汶河琵琶山溢流坝加固设计研究 建筑和超高层建筑、水库水电站，另外还大力发展了大量市政工程的和大量开发 利用了地下空间，这些都对地下建筑的设计和施工提出了新的要求。工程的发展， 基础的处理与要求复杂多样，其中，一种能适应各种地质条件而且能满足现代环 保施工要求的新型结构出现了，那就是地下连续墙结构。 在拦河建筑物和病险水库加固中，有的是建筑物基础需要防渗加固，有的是 基础和建筑物主体都需要做防冲加固。地下连续墙的主要优点可以适应各种不同 材料的坝体和复杂的水文地质和工程地质条件的地基。如处理坝体、坝基整体防 渗，可从坝顶建造防渗墙，直达基岩，墙的两端与岸坡防渗设施或岸边基岩相连 接，墙的底部可嵌人新鲜岩层或弱风化基岩内一定深度。如仅处理坝基防渗，其 防渗墙上部应与坝体的防渗体相连接，并深人一定的深度。在处理中只要严格控 制质量，是可以达到所要求的截断渗透水流的目的。地下连续墙也可较好解决防 冲抗滑移、抗倾覆问题，连续墙施工工艺成熟，并能保证施工质量和进度，是能 结合当地施工条件的可靠措施。 地下连续墙种类繁多，按不同的标准进行分类，地下连续墙可分为以下几种 类型： ( 1 ) 按成墙方式可分为：桩排式、槽板式、组合式。( 2 ) 按墙体材料分为： 刚性混凝土墙；塑性混凝土墙、固化灰浆墙；自硬泥浆墙；预制墙：泥浆槽墙f 回 填砾石、粘土和水泥三合土) ；后张预应力地下连续墙；钢制地下连续墙。( 3 ) 按墙 的用途可分为：防渗墙、防冲墙、临时挡土墙、永久挡土( 承重墙) 、作为基础用的 地下连续墙。( 4 ) 按开挖情况可分为：地下连续墙( 开挖) ；地下防渗墙( 不开挖) 。当 然，以上分类是从不同角度展开的，所以在分类中会出现重叠，例如一种地下连 续墙既可以是临时挡土式，同时又可能是壁板式钢筋混凝土墙。 地下连续墙技术的优点表现为：【5 8 “2 】适用于多种地质条件。可减少工程 施工时对周边环境的影响。墙体刚度大，整体性好，结构和地基变形小。防 渗性能好。防冲性能好。由于具有上述特点，地下连续墙可在贴近已有建筑 物的地方施工。占地少。功能多，工效高，工期短，质量可靠。可用作刚 性基础。工效高、工期短、质量可靠、经济效益较高。 由于地下连续墙是一项发展中的技术，所以还存在着一定的不足：在某些 特殊地质条件下( 如很软的淤泥质土，含漂石的冲积层和超硬岩石等) ，施工困难。 施工技术要求高。泥浆容易造成污染。地下连续墙如果用作i 临时的挡土结 构，比其它方法所用的费用要高些。 第1 章绪论 1 4 2 国内外地下连续墙的发展 ( 1 ) 国内外地下连续墙技术的发展【4 ”5 0 】 地下连续墙技术起源于欧洲，它是根据打井和石油钻井所用膨润土泥浆护壁 以及水下浇灌混凝土施工方法的应用而发展起来的。在二十世纪六十年代，由于 二次大战经济建设大发展的需要，地下连续墙这项技术得到极大发展，其中，挖 槽机械，旖工工艺和泥浆制各技术的发展尤其迅速。1 9 5 0 年前后开始用于工程建 设中，当时以法国和意大利用的最多。这是因为巴黎和米兰的地基是由砂砾和石 灰岩构成的，在这样的地质条件下建造地下结构物，如果采用打桩或打板桩的办 法，是相当困难的，尤其是在市区与周围现有建筑物地下连续防渗墙。1 9 5 4 年， 真正意义上的地下连续墙壁板式连续墙，在意大利开发成功；同时，建造地 下连续墙的技术在全世界得到推广应用。1 9 5 0 年意大利的米兰i c o s 公司首先应 用了桩排式地下连续墙。后来由于施工经验的积累，为解决这种桩排式地下连续 墙所存在的整体稳定性差，接缝多，影响墙体防渗性能和强度等问题，i c o s 公司 又创造了两钻一抓方式的施工方法。进入6 0 年代以来，各国大力改进和研究挖槽 机械和配套设备，极大的提高了旌工效率，使地下连续墙的建设工程的规模和数 量日益扩大，应用范围也从只用于水利水电工程的防渗墙推广到可用于城市建设、 交通航运部门的防渗、基坑支护和地下深基础等多种功能和形式。现在，世界以 德国、意大利和日本等国的地下连续墙建造技术最先进。1 9 5 4 1 9 5 5 年在玛利亚 奥一拉哥坝( 4 2 m 深) 含有大漂石的砂砾层中修建了同样的防渗墙。接着，为了建 造等厚度的防渗墙又发展了槽孔式防渗墙施工方法，在莱茵河侧水电站修建了深 4 0 m 、厚0 8 m 的围堰墙。经过几十年的发展，地下连续墙技术己经相当成熟，其 中以日本在此技术上最为发达，己经累计建成了1 5 0 0 万m 2 以上，目前地下连续 墙的最大开挖深度为1 4 0m ，最薄的地下连续墙厚度为2 0 c m 。 我国于1 9 5 7 年派出代表团到地下连续墙技术的起源地意大利，学习地下 连续墙设计施工技术，从那以后，该技术在我国得到应用。1 9 5 8 年，我国水电部 门首先在青岛月子口水库用此技术修建了水坝防渗墙，到目前为止，全国绝大多 数省份都先后应用了此项技术，估计己建成地下连续墙1 2 0 万1 4 0 万m 2 。地下连 续墙己经并且正在代替很多传统的施工方法，而被用于基础工程的很多方面。在 它的初期阶段，基本上都是用作防渗墙或临时挡土墙。1 9 5 8 年，我国首例采用壁 河海大学工程硕士学位论文：山东省大汶河琵琶山溢流坝加固设计研究 板式防渗墙工程北京密云水库的自河主坝坝基防渗墙开工建设，至1 9 6 0 年建 成长7 5 5 m ，深“m 的地下防渗墙。建成后，解决了该水库长期存在的渗漏问题， 效果良好。7 0 年代，地下连续墙技术在我国的城市建设，交通运输工程中得到运 用，各单位不仅自己设计制造挖槽机械设备，还纷纷从国外引进先进设备和工艺 来装备自己，这大大提高了我国的地下连续墙的建造水平。8 0 年代以后，由于改 革开放和经济建设的需要，地下连续墙在我国高层结构建设，地下铁道建设和城 市地下隧道建设得到进一步的应用，形式更加多样化，功能更加完备化，施工过 程更加机械化和信息化。今天，地下连续墙技术在我国国民经济建设中正起着越 来越重要的作用。 ( 2 ) 地下连续墙发展趋势 目前我国地下连续墙技术在造孔机械、施工方法、墙体材料、测孔仪和仪器 埋设上以及设计计算上均取得了一批有价值的成果。除施工机械外，我国地下连 续墙施工整体已接近国际先进水平，有的工程己达到国际先进水平。连续墙正朝 着以下诸方面发展： 在承受垂直和水平荷载为主的地下连续墙中，向刚性和柔性两个方面快速 发展：逐渐广泛地应用预制桩式及板式地下连续墙；地下连续墙技术向大深 度、高精度方向发展；聚合物泥浆已经实用化：废泥浆处理实用化；随着 计算机技术和无线电测控技术的发展，对地下连续墙的检测和监控工作也实现了 电子化和自动化，这就使地下连续墙的信息化施工成为可能。由于地下连续墙或 桩的承载力很大，己经很难用常规方法进行墙( 桩) 体质量和承载力的检测。墙体 断面发展：墙体断面不再局限于长条形，由于在大型桥梁基础工程中的应用，其 横断面将更多地采用空心圆环或方环形状，或者是十字桩、丁字桩等，以便承受 更大的垂直和水平荷载；根据地下连续墙的承受荷载和渗透稳定要求，今后的地 下连续墙可以采用不等厚的断面，及上部厚下部薄的形式；根据结构受力情况， 防渗( 连续) 墙还可做成上下不同强度和刚度的，即可上硬下软，也可上软下硬；根 据墙体受力情况，可沿地下连续墙长度方向，把它分成几段，分别采用不同的断 面型式和厚度以及不同的施工工艺；今后钢制地下连续墙和钢一混凝土结构的地 下连续墙以及预制地下连续墙会得到更为广泛的用。 第l 章绪论 1 5 大汶河琵琶山溢流坝现状及加固的必要性 1 5 1 大汶河主要存在的问题 大汶河是黄河下游的重要支流，也是山东省主要骨干河道之一。河道全长 2 0 8 2 k m ，流域面积8 5 3 6 5k m 2 ，保护面积2 0 0 0k m 2 ，保护人口2 3 6 万人，防洪效 益7 7 6 9 亿元。可以说大汶河防洪安全是关系流域各市乃至山东省改革发展、全 面建设小康社会的稳定的大局。大汶河发源于山区，流经于平原，洪水暴涨暴落， 左冲右突，极易形成洪灾。大汶河历史上曾多次决口，灾害频繁。据水文资料记 载，历史上从明洪武年至清末( 1 3 6 8 1 9 1 1 年) 5 4 3 年间有记载的水灾共8 6 次。1 9 1 8 年大汶河干流出现特大洪水，洪峰流量1 0 3 0 0 m 3 s ，沿河决口漫溢7 0 多处，受灾 面积2 0 0 0k m 2 ，解放后，虽然建设大量河道工程，但是年年水灾不断。目前，大 汶河主要问题是： 一是大汶河堤防及有关建筑物大部分建于上世纪五、六十年代，经过四十多 年的运行，大部分己老化、损毁、塌陷，难以承担防大汛抗大洪的重任； 二是筑坝蓄水、建闸引水，也破坏河道的天然平衡，引起附近河道发生新的 变化，主要表现在坝上淤积，坝下冲刷： 三是近几年大规模无序采砂，不仅改变了河势，出现斜河、横河，而且洪水 顺堤冲刷，造成河道工程失稳、坍塌等，许多新建工程运行时间不长，就成为危 工、险工，甚至失去了设计功能。据泰安市有关部门统计，1 9 9 2 年以来，自汶口 至戴村坝长约9 5 k m 的河段内，采砂量超过1 1 亿m 3 ，特别是近年来，采砂更是 失去控制，年采量超过1 6 0 0 万i n 3 ，河床年均下降0 3 m 以上。由于采砂不断加剧， 琵琶山溢流坝下游河床到处布满砂坑，深者超过5 m ，严重破坏了原来稳定的河床， 形成了不稳定的，变化无序的纵向和横向坡降，据测算，2 0 0 3 年8 月7 日洪水过 后，琵琶山溢流坝下游2 0 0 m 处河床高程由2 0 0 2 年溢流坝修复前的5 6 2 2 m 下降 到5 2 4 8 m ，并在坝后形成6 条冲沟，靠冲砂闸附近最深的沟底高程为5 3 7 0 m ( 下 游浆砌石齿墙底高程为5 5 0 0 m ) ，造成部分海漫破坏。9 月5 日洪水，大部分防冲 海漫及部分消力池的坍塌破坏，均为地基冲刷淘空所致。 四是河道没有固定的主槽，水流宽、浅、乱。 五是沿河种植，阻碍行洪，给防洪度汛带来严重不利影响，为确保现状设计 标准洪水的防洪安全，增强工程抗御洪水的能力，加固除险设计十分必要。因此， 河海大学工程硕士学位论文：山东省大汶河琵琶山溢流坝加固设计研究 病险水库除险加固，对解除或减免其对下游的严重威胁，减少溃坝灾害损失，保 证人民生命财产安全意义重大，是加强我国防洪保安工作的必要措施。 1 5 2 大汶河琵琶山溢流坝现状 琵琶山溢流坝位于济宁、泰安两市交界地带的大汶河上。该工程始建于1 9 6 0 年，原溢流坝为浆砌石结构，由于河道无序采砂的影响，加上工程维护不当，该 坝于2 0 0 1 年汛期被洪水冲毁。2 0 0 2 年重新修复，修复后的工程主要由溢流坝、 翻板闸和冲砂闸组成。其中冲砂闸5 孔，总宽3 2 2 m ；翻板闸8 8 孔，总宽2 4 0 0 m ； 溢流坝总长5 3 1 o m ，位于肥城境内的坝段没有改建。 2 0 0 3 年9 月4 日大汶河出现2 0 0 0 m 3 ，s 的洪峰，位于肥城境内未改建的旧坝段 及右端新建9 0 m 溢流坝坝体被洪水冲毁，其它坝段也遭到不同程度的破坏，冲砂 闸、翻板闸和溢流坝的下游消能防冲设施严重损坏，工程已无法正常运行，右岸 滩地被淘刷，2 6 5 亩耕地被洪水冲走，直接威胁右岸大堤。水毁情况见如下实拍 照片。 照片1 ：水毁后的溢流坝全景 第l 章绪论 照片2 ：水毁后的溢流坝坝体及上游铺盖 照片3 ：水毁后的溢流坝坝体 河海大学工程硕士学位论文：山东省大汶河琵琶山溢流坝加固设计研究 照片4 ：水毁后的溢流坝下游消力池 1 5 3 琵琶山溢流坝除险加固的必要性 琵琶山溢流坝的除险加固设计对于稳定当地的经济发展、社会秩序稳定、人 民生命财产安全具有重要的社会意义。 ( 1 ) 琵琶山溢流坝是汶上县重要的水源工程。该工程为汶上县东部地区的唯 一水源工程，在三十多年的运用过程中，形成了较为系统、完善的引水体系，在 全县工农业生产、城乡居民生活和生态环境改善等方面发挥着重要的、不可替代 的作用，被誉为汶上人民的“生命线”。 ( 2 ) 琵琶山溢流坝加固有利于稳定大汶河河床、保护上游宁阳县中皋岛围村 堰和护岸工程。由于近几年河道过渡采砂，琵琶山溢流坝下游河床平均下降2 3 m ，而上游宁阳县中皋岛附近河床不但没有下降反而有所抬高，证明了大坝对河 道及堤防工程起到了有效的保护作用。2 0 0 3 年大坝失事后，中皋岛附近河床迅速 下切2 o m 以上，围岛堰和护岸工程堤脚己受到不同程度的淘刷，对岛内群众的生 命财产安全构成新的威胁。 ( 3 ) 琵琶山溢流坝加固对附近汶上、肥城、宁阳补充地下水及当地用水具有 第l 章绪论 积极作用。 1 6 本文研究的主要内容以及技术线路 本研究结合大汶河琵琶山溢流坝工程加固设计任务，在充分研究了大汶河流 域水文气象地质条件和琵琶山溢流坝水毁原因的基础上，对琵琶山溢流坝进行了 加固设计方案的深入研究。提出了方案设计的比选和工程设计，并迸行了总结分 析，找出从技术、经济方面的最优方案。 1 6 1 本文研究的主要内容 ( 1 ) 阅读了大量国内外有关消能技术、连续墙在水库除险加固策略和除险方 面的参考文献，在消化和吸收后进行了系统的总结分析，介绍了水库加固决策领 域的国内外研究进展状况。对其理论进行了简要的描述。 ( 2 ) 介绍了本次研究的目的与意义、大汶河琵琶山溢流坝工程概况、设计的 经过以及琵琶山溢流坝加固设计的必要性。 ( 3 ) 方案优选。分析了大汶河流域水文气象地质条件，在此基础上提出四个 除险加固方案，通过各方案的技术经济比较，最后选择了优化方案。 ( 4 ) 工程设计。通过对不同加固方案的论证与研究，选定最优加固方案后， 进行了选定方案的溢流坝水力计算、坝基支护设计、下游排水设计、防冲墙设计 等工程技术措施的深入研究，完成了适合工程特点和运行要求的加固设计。实践 证明，琵琶山溢流坝的加固措施是科学合理的。 ( 5 ) 结论及其建议。对全文进行了总结，提出下一步研究计划和应注意的问 题。 1 6 2 研究的主要线路 河海大学工程硕士学位论文：山东省大汶河琵琶山溢流坝加固设计研究 牛 上上_ l 库 水琵 除 库 连 琶 消 挂 山 砼 能 墙 溢 加研 发 流 固 究 展 坝 现现 现 概 忸 盐一 状 - _ _ _ _ _ _ 皿 i 工程水文气象地质洪水等综合分析与确定 l一一一一一 i 提出方案设计与比选l 上 车 和 訇、 方 案 1 _ l _ j _ 1 上 向 调l 调 目i i 7 引 整 案l 方 案 l 二二j i t l 确定调整方案一，并进行工程设计 总结及其展望 丁 图1 1 研究技术线路图 1 4 第2 章琵琶山溢流坝工程概况及资料分析 第2 章琵琶山溢流坝工程概况及资料分析 2 1 工程概况 2 1 1 大汶河水利枢纽工程概况 大汶河为黄河下游山东段的一级支流，发源于莱芜、沂源、新泰山区，全长 2 0 8 2 k m ，流域面积8 5 3 6 5 k m 2 ，流经济宁市汶上县北部边界，长1 5 3 k m 。琵琶山 溢流坝位于大汶河左岸桩号4 3 + 3 3 0 处，始建于1 9 6 6 年，在济宁、泰安两市的交 界地带，左岸为汶上县军屯乡，右岸为泰安市宁阳、肥城两县( 市) 。大汶河作为 汶上县东部地区的唯一水源，该工程在三十多年的运行过程中，形成了系统、完 善的农田灌溉和工业引水体系，为汶上县东部地区的引蓄水及两岸农田的地下水 回灌，发挥了巨大的工程效益。 该溢流坝于2 0 0 1 年8 月4 日被洪水冲毁，2 0 0 2 年重新修复，2 0 0 2 年修复后 的工程主要包括：冲沙闸、翻板闸、溢流坝三部分组成。其中冲沙闸5 孔，总宽 3 2 2 m ：翻板闸8 8 孔，总宽2 4 0 o m ；溢流坝总长5 3 1 o m ，其中右岸8 1 0 m 长的原 坝体没有重建。2 0 0 3 年9 月4 日大汶河出现2 0 0 0 m 3 s 的洪峰，位于肥城境内( 右 岸) 未改建的旧坝段被洪水冲毁，与其靠近的右端9 0 m 长新建溢流坝体损坏严重， 建筑物下游大部分消能防冲设施也严重损坏，工程大部分已无法正常运行，右岸 滩地被淘刷，2 6 5 亩耕地被洪水冲走，直接威胁右岸大堤。 2 1 2 工程地区社会经济状况 汶上县位于山东省西南部，全县总面积8 7 7 2 2 k m 2 ，占全省总面积的o 5 7 。 东毗兖州、宁阳，南邻济宁，西隔京杭运河和嘉祥、梁山两县相依，北倚大汶河 和东平相望。泉河、小汶河、进军渠纵贯南北，1 0 5 国道从境内通过，有较为发 达的公路交通网络。全县共辖8 个乡，6 个镇，9 5 个管区，5 5 9 个行政村，7 7 5 个 自然村，全县总人口7 3 3 3 万。全县生产总值4 0 4 6 亿元，全年粮食总产量3 4 0 7 万吨，主要经济作物有棉花、油料、蔬菜等，全年棉花产量o 9 8 万吨，油料产量 4 8 3 万吨，蔬菜产量8 5 4 5 万吨，肉类总产量7 3 8 万吨，水产养殖面积3 7 3 公顷， 水产品总产值2 0 6 2 万吨，全县工业总产值1 6 1 3 亿。城市居民人均可支配收入4 7 2 0 河海大学工程硕士学位论文：山东省大汶河琵琶山溢流坝加固设计研究 元，农民人均纯收入2 9 4 6 元。全县水利有效灌溉面积累计达到5 0 3 l o 公顷，占总 耕地面积的9 1 5 ；其中利用琵琶山溢流坝最大引水量为4 0 2 亿方，灌溉耕地面 积达1 0 万亩。 2 2 水文、气象 大汶河流域属北温带半干旱性气候区，年平均气温1 2 6 0 c ，无霜期在2 0 0 天 以上，多年平均降水6 8 9 6 m m ，降水随时空变化较大，主要表现为四个方面：一 是降水年际间变化较大，如1 9 6 4 年流域平均降水1 3 2 7 8 m m ，而1 9 8 8 年流域平均 降水仅4 5 5 2 m m ，丰枯比达2 9 2 ；二是降水年内分配不均，年内降水主要集中于 汛期的7 9 月，约占全年降水量的5 0 7 0 ，而汛期降水又多集中于几场暴雨 之内，如1 9 5 7 年全年降水8 7 1 3 m m ，仅7 月份一个月降水就达5 0 1 8 n m ，占全年 降水的5 7