河道型水庫工程護坡設(shè)計研究

許尚偉和桂玲

（山東省水利勘測設(shè)計院 山東濟南 250013）

1 樞紐概況

1.1 工程概況

劉家道口樞紐工程是沂沭泗洪水東調(diào)南下工程實現(xiàn)50年一遇建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的主要工程，是實施沂沭河洪水東調(diào)入海，騰空駱馬湖庫容接納南四湖洪水的關(guān)鍵工程，也是目前國內(nèi)設(shè)計流量最大的平原水閘。

劉家道口樞紐的主要任務(wù)是調(diào)控、攔蓄沂河上游來水，在大官莊樞紐工程的配合下，使沂沭河中上游洪水的 60%～80%經(jīng)新沭河?xùn)|調(diào)入海，較大程度騰出駱馬湖的防洪庫容以提高接納南四湖洪水的能力，同時兼有蓄水、灌溉、排沙、交通等綜合效益。

劉家道口節(jié)制閘軸線位于分沂入沭河口右岸裹頭以下約200m，閘軸線垂直沂河兩岸大堤。型式采用開敞式鋼筋混凝土小底板結(jié)構(gòu)，主要由閘上翼墻、鋪蓋、閘室和閘下消力池、護坦、海漫、防沖槽、兩岸翼墻以及閘下兩岸護坡、閘上左岸裹頭護坡、彭家道口閘上左岸護坡等組成。

劉家道口節(jié)制閘設(shè)計蓄水位近期59.5m，遠期60.00m，遠期蓄水總庫容2680萬m3。底板頂高程52.36m，閘門下設(shè)低堰高0.5m，堰頂高程52.86m。閘室單孔凈寬16.0m，共36孔，總凈寬576.0m。閘門采用16m×8.5m（寬×高）弧形鋼質(zhì)閘門并配備液壓啟閉機。閘上設(shè)交通橋。

1.2 水文氣象條件

沂河屬淮河流域，發(fā)源于沂蒙山區(qū)的魯山南麓，全長333km。劉家道口以上流域面積10438km2，年平均降雨807mm左右，降水量年內(nèi)分配很不均勻，6～8月份雨量占年雨量的60%～80%；12～2月雨量最少，僅占年雨量的10%左右，春秋兩季各占年雨量的15%左右。根據(jù)臨沂氣象站1985～1989年實測資料統(tǒng)計，多年平均氣溫l3.2℃，月平均氣溫7月份最高為26℃，極端最高氣溫42℃，極端最低氣溫-24.9℃。無霜期180～195天，凍土深一般為0.30m，最大凍土深為0.40m，多年平均最大風(fēng)速14m/s。據(jù)臨沂市氣象站1985～2007年共22年實測資料統(tǒng)計，最低氣溫1月份，月平均氣溫-1.7℃。

1.3 工程規(guī)模及洪水標(biāo)準(zhǔn)

（1）劉家道口樞紐工程等別為Ι等，工程規(guī)模為大（1）型。劉家道口節(jié)制閘建筑物級別為1 級，沂河堤防建筑物級別為2 級。

（2）劉家道口樞紐洪水標(biāo)準(zhǔn)為，50年一遇洪水設(shè)計，100年一遇洪水校核。當(dāng)沂河出現(xiàn)50年一遇洪水，臨沂水文站流量16000m3/s 時，劉家道口節(jié)制閘設(shè)計流量12000m3/s，相應(yīng)閘上水位61.14m，閘下水位60.96m，此時彭家道口分洪閘分洪流量4000m3/s。當(dāng)沂河出現(xiàn)100年一遇洪水，臨沂水文站流量19000m3/s 時，劉家道口節(jié)制閘流量14000m3/s，相應(yīng)閘上水位61.76m，閘下水位 61.55m，此時彭家道口分洪閘分洪流量5000m3/s。

（3）閘前設(shè)計蓄水位，近期59.5m，遠期60.0m。

（4）樞紐控制運用最高擋水位為61.06m。

2 設(shè)計研究范圍

（1）劉家道口節(jié)制閘左岸閘間裹頭護坡。劉家道口節(jié)制閘和彭家道口閘閘間裹頭全部拆除重建，長共325m。堤內(nèi)邊坡1∶3 漸變至1∶2。護砌頂高程62.5～63.56m，內(nèi)坡腳高程52.36～53.50m。

（2）彭道口閘上游左岸護坡。彭家道口閘上游左岸舊砌石護坡拆除重新護砌，長共869.70m。

（3）劉家道口節(jié)制閘下游左右岸護坡。劉家道口節(jié)制閘下游護坡左岸長 297.5m，右岸長352.2m。

3 設(shè)計指標(biāo)

3.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

（1）按蓄水建筑物確定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。劉家道口節(jié)制閘閘前總庫容為2680萬m3，屬于中型水庫，根據(jù)SL252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，確定為Ⅲ等工程，堤防建筑物級別為3級。

（2）按堤防工程確定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)GB50286—98《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，沂河防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇設(shè)計，堤防建筑物級別為2級。

（3）混凝土抗凍標(biāo)號按SL191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》確定。因臨沂市多年來最低氣溫為1月份，月平均氣溫-1.7℃，屬暖和氣溫區(qū)，混凝土抗凍標(biāo)號不低于F50。

護坡設(shè)計應(yīng)同時滿足以上規(guī)范的技術(shù)要求。

3.2 主要設(shè)計指標(biāo)

樞紐控制運用最高擋水位為61.06m，閘前為遠期設(shè)計蓄水位60.0m，閘前50年一遇洪水位為61.14m。河底高程：53.50m。

4 護坡設(shè)計計算過程

采用劉家道口樞紐正常運行工況，非汛期正常蓄水位60.0m和汛期50年一遇洪水位61.14m作為計算條件。

4.1 方案比選

從施工進度、工藝和質(zhì)量上考慮，塊石護坡由于受當(dāng)?shù)貕K石材料產(chǎn)量的限制，難以滿足工程建設(shè)進度的需要，且材料質(zhì)量低，施工難度大。而混凝土預(yù)制塊制作工藝先進，砌筑方便，能加滿足工程建設(shè)進度的需要，質(zhì)量能達到規(guī)范要求，安全可靠。從投資考慮，混凝土預(yù)制塊護坡單位平方米造價略高于漿砌石護坡。從管理考慮，混凝土預(yù)制塊護坡美觀大方，便于管理。

經(jīng)綜合比較，選擇混凝土預(yù)制塊護坡。

4.2 波高和平均波長計算

按照SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》和GB50286—98《堤防工程設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，波高和平均波長計算公式如下：

式中：hm為平均波高，m；Lm為平均波長，m；Tm為平均波周期，s，平均波周期Tm=4.438hm0.5；D為風(fēng)區(qū)長度，m；W為計算風(fēng)速，m/s，取多年平均最大風(fēng)速的1.5倍；Hm為水域平均深度；g為重力加速度，取9.81m/s2。

劉家道口閘上裹頭、彭家道口閘上游左岸及劉家道口閘下游護坡波高計算成果見表1。

4.3 混凝土護坡面板厚度計算

由波浪壓力大小及波浪等要素確定護坡塊尺寸與護坡厚度。

（1）按SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》計算公式如下：

式中：η為系數(shù)，取1.0；hp為累積頻率為1%的波高，m；b為沿壩坡向板長，0.52m；ρc為板的密度，取ρc＝2.40t/m3；m為單坡的坡度系數(shù)。

壩坡向板長按0.52m 計，劉家道口閘上游左岸裹頭、彭家道口閘上游左岸護坡、劉家道口閘下游護坡計算結(jié)果見表2。

表1 波高計算成果表

表2 護坡計算結(jié)果

（2）按GB50286—98《堤防工程設(shè)計規(guī)范》計算公式如下：

式中：t為混凝土護面厚度（m）；η為系數(shù)，取0.075；H為累積頻率為1%的波高，m；rb為混凝土板的重度，取ρc＝24kN/m3；B為沿斜坡方向（垂直于水邊線）的護面板長度，m；m為斜坡坡率。

劉家道口閘上游左岸裹頭護坡、彭家道口閘上游左岸護坡、劉家道口閘下游護坡計算結(jié)果見表3。

表3 護坡計算結(jié)果

4.4 混凝土護坡面板厚度確定

按照同時滿足《堤防工程設(shè)計規(guī)范》和《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》技術(shù)要求的原則，根據(jù)以上計算成果，劉家道口閘上游左岸裹頭護坡厚度取0.20m，彭家道口閘上游左岸和劉家道口閘下游護坡厚度取0.12m。

4.5 護坡設(shè)計

（1）劉家道口閘上游左岸裹頭段，自劉家道口節(jié)制閘至彭家道口閘上臺階長約325m，采用聯(lián)鎖式C25 混凝土塊護坡，厚度0.20m，平面尺寸0.52m×0.38m。為防止堤坡風(fēng)浪淘刷破壞和凍脹破壞，自上而下設(shè)粒徑5～20mm 碎石墊層，厚0.15m，中粗砂厚0.15m。堤內(nèi)邊坡1∶3 漸變至1∶2。護砌頂高程 62.5～63.56m，內(nèi)坡腳高程53.26～53.50m。為防止淘沖坡腳，坡腳設(shè) M10漿砌石齒墻，深1.5m，寬1.0m。

（2）彭家道口閘上游左岸段，自彭家道口閘上臺階以上，將舊砌石護坡拆除重新護砌，長730m。堤內(nèi)邊坡為1∶2，護坡采用聯(lián)鎖式C25 混凝土塊，厚度0.12m，平面尺寸0.52m×0.38m。為防止堤坡風(fēng)浪淘刷破壞和凍脹破壞，自上而下設(shè)粒徑5～20mm 碎石墊層，厚0.15m，中粗砂厚0.15m。護砌頂高程根據(jù)實際地形定為，61.50～63.00m。內(nèi)坡腳高程53.50m，坡腳設(shè)M10 漿砌石齒墻，深1.0m，寬0.8m。

（3）劉家道口節(jié)制閘下游護坡左岸長297.5m，右岸長352.2m，護坡采用聯(lián)鎖式C25混凝土塊，厚度0.12m，平面尺寸0.52m×0.38m。下設(shè)粒徑5～20mm 碎石墊層，厚度0.20m。堤內(nèi)邊 坡 1∶3，護 砌 頂 高 程 63.36m，內(nèi) 坡 腳 高 程52.36m，坡腳設(shè)M10 漿砌石齒墻，深1.0m，寬0.8m。

（4）混凝土格梁。為保證混凝土塊護坡穩(wěn)定安全，以上3 部分護坡均設(shè)置C20 現(xiàn)澆混凝土格梁，順大堤長度每20m 設(shè)1 道順坡向橫梁，在高程58.50m 與堤頂處各設(shè)1 道水平向縱梁，梁尺寸均為寬0.3m，深0.5m。

5 結(jié)論

(1)本文提出了針對河道型水庫護坡的新的設(shè)計方法，并應(yīng)用于劉家道口樞紐上、下游堤防護坡設(shè)計。該樞紐工程建成運行六年，護坡質(zhì)量良好。驗證了該設(shè)計方法的正確性。

(2)混凝土預(yù)制塊護坡在水利設(shè)計規(guī)范中尚未明確計算方法，本文提出了一種新的護坡計算方法。為目前南水北調(diào)山東段大力推廣預(yù)制塊混凝土護坡提供了設(shè)計方法和經(jīng)驗。

(3)混凝土預(yù)制塊護坡施工方便，可采用工廠化生產(chǎn)，施工現(xiàn)場安裝，降低了施工人工費和工期。

(4)采用混凝土預(yù)制塊護坡，使樞紐整體美觀整潔，成為一道美麗的風(fēng)景線。

1 SL274—2001 碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，

2 GB50286—98 堤防工程設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社.

3 SL191—2008 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，