1.概述

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1966年，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，作为汶上县东部地区的唯一水源，在汶上县东部地区的引、蓄水及两岸农田的地下水回灌中，发挥了巨大的工程效益，被誉为汶上人民的“生命线”。

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2001年汛期被洪水冲毁。2002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32.2m；翻板闸88孔，总宽240.0m；溢流坝总长531.0m，位于肥城境内的坝段没有改建。

2003年9月4日大汶河出现2000m³/s的洪峰，位于肥城境内未改建的旧坝段及右端新建90m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，265亩耕地被洪水冲走，直接威胁右岸大堤。

受工程主管部门的委托，山东省水利勘测设计院承担了该工程加固设计的任务，并进行了加固设计方案的深入研究。该工程在2004年汛前已完成主体工程的施工，并经历了汛期的考验。

2.加固方案比选

2.1设计原则

大汶河琵琶山溢流坝工程主要功能，是确保汶上县东部地区的引水，同时要求大汶河行洪期不对上游两岸造成不利影响；按照原坝址不变、功能不变的原则进行设计。

从工程水毁的原因来看，工程地基为砂基，易于淘刷。做好地基处理，保证建筑物地基的稳定是设计的重中之重。按照自中皋村到戴村坝之间停止一切采砂活动，坝下最大冲刷深度与戴村坝顶高程50.20m相同的约束条件，进行工程设计。

2.2方案比选

根据工程具体情况和目前施工技术能力拟定了七个方案分别从经济合理性、技术可行性、施工工艺等方面进行比较，从中选优。

方案一：新建溢流坝、冲砂闸方案；

该方案将原有工程全部拆除，新建冲砂闸和溢流坝。冲砂闸位于左岸，其过流能力与原冲砂闸和翻板闸的过流能力相同，总净宽100m；右岸新建钢筋砼溢流坝，总长692m。冲砂闸和溢流坝均直接座于基岩上或采用钢筋砼灌注桩基础深入基岩。

方案二：新建溢流坝、橡胶坝方案；

该方案用橡胶坝代替方案一的冲砂闸，其他布置型式同方案一。

方案三：溢流坝、冲砂闸面流消能加固方案；

该方案保留原工程可利用的冲砂闸和部分溢流坝段，将翻板闸拆除，并新建15孔冲砂闸（单孔净宽为5m），结构形式同原冲砂闸。对保留的部分进行加固改造，其它部分新建溢流坝。采用面流消能，在面流消能结构下设钢筋砼防冲墙，墙底插入基岩内。

方案四：溢流坝、冲砂闸底流消能加固方案。

将方案三中岩面较高左侧512m区段段采用底流消能。其它采用与方案三相同的面流消能形式。

方案五：溢流坝、橡胶坝、冲砂闸面流消能加固方案；

保留原有5孔冲砂闸，将原翻板闸段改建为橡胶坝段，其它段改造或新建溢流坝，修补或重建原消力池，然后下游接面流消能工，在面流消能结构下设一道钢筋砼防冲墙，墙底插入基岩。

方案六：溢流坝、橡胶坝、冲砂闸底流消能加固方案；

将方案五的面流消能改为底流消能，保留可利用的消力池段，并凿除消力池底坎。其下游新设消力池，池底设4排水泥搅拌桩固砂，消力池末端设抛石防冲槽。其余内容均与第五方案相同。

方案七：溢流坝、橡胶坝、冲砂闸二级底流消能加固方案。

第一级消能设施同原有工程形式，修复或重建原消力池；在其下游新设二级消力池，在消力池末端底设旋喷防冲墙，消力池下游设海漫，其余内容均与第五方案相同。

各方案经济、技术比较见表2.2.1

表2.2.1      工程方案经济、技术比较表

根据上述分析比较，基于加强溢流坝上下游河道采砂管理的情况下，选择造价最低、工程相对较为安全的“方案五”，即溢流坝、橡胶坝、冲砂闸面流消能加固方案，作为该工程的实施方案。

3 加固设计

本工程加固设计的关键是消能防冲和坝基支护设计，我们对此做了较深入的研究。

3.1消能防冲设计

本次设计根据工程现状结合原有消力池底流消能在其下游新建了面流消能设施，采取了底流消能与面流消能相结合得消能措施。

面流消能区的流场流态主要与上游水头、单宽流量、下游水深、鼻坎挑角、鼻坎高度等有关。水流出挑坎后以自由面流形式进入河道，一方面在平面迅速向两侧岸边扩散，另一方面表层主流水股也在立面方向迅速形成扇形扩散，主流下部还因摩擦形成底部回流区域，立面流场及垂向流速分布态势如图1示。

图1挑坎下游自由面流立面流态示意图

根据面流流态演变过程的三种临界状态，分别计算在3种大小不同流量下保证三种临界状态下皆能发生面流消能情况下的跌坎高程，跌坎反弧半径R，跌坎长度L。依据自戴村坝到琵琶山溢流坝间的现状河道水力要素和泄量关系推求下游水位，根据不同流量下的不同临界状态，首先假定跌坎高度P，然后试算坎顶出流断面水深，再根据试算的反推P是否满足并验证面流衔接保证面流消能的发生。经反复假定试算及验算确定跌坎高程为53.30m。根据《水闸设计规范》(SL265-2001)中跌坎反弧半径及跌坎长度最小值的规定，分别确定反弧半径R＝2.5m，跌坎长度L＝4.0m。

面流消能时为保证小流量时具有一定的下游淹没水深及减少大流量时对坝脚的掏刷，在面流消能末端设有深度2.6m、长度19.8m的格栅石笼防冲槽。

3.2坝基支护设计

溢流坝水毁的直接因素就是下游河床高程的下降改变了原有的运行条件。由此，坝基的支护就更显重要。

采取排桩和地下连续墙的坝基支护措施，可靠度高,可以很好得满足工程固砂抗冲的要求。结合工程地质条件，基岩高程左高右底，左岸0-002.5~0+542.7段采用灌注桩与旋喷桩结合形成排桩；右岸0+542.7~0+802.7段采用悬挂式钢筋混凝土地下连续板墙。

图2      布鲁姆计算简图

(a)作用荷载图  (b)弯矩图