晉城市沁河河道蓄水工程液壓壩水工設(shè)計(jì)

關(guān)紅俊

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

沁河為晉城境內(nèi)最大河流，發(fā)源于山西沁源西北的二郎神溝，流經(jīng)沁水縣境內(nèi)蘇莊、鄭莊、端氏、嘉峰4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)45個(gè)村82 km，在嘉峰鎮(zhèn)尉遲村入陽(yáng)城。境內(nèi)流域面積456.8 km2，系山西省八大河流中含沙量最少的河流。

目前，沁河沿岸由于污水匯入，垃圾堆放，其生態(tài)環(huán)境的惡化，已經(jīng)嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳硇慕】?。從“以人為本”、“人水和諧”的科學(xué)發(fā)展治水理念出發(fā)，只有徹底改善沁河的水質(zhì)，才能根治惡劣的生存環(huán)境，改善局部小氣候，真正將沁水縣打造成一個(gè)天藍(lán)、水清、地綠、景美、人和自然和諧發(fā)展，宜商、宜居、宜工的生態(tài)旅游型城市。

水環(huán)境整治是環(huán)境綜合治理的靈魂，沁水縣委、縣政府高屋建瓴，把沁河沁水縣段的河道整治工程作為構(gòu)建經(jīng)濟(jì)生態(tài)走廊，實(shí)現(xiàn)藍(lán)天碧水工程的突破口，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

2 工程水文地質(zhì)

經(jīng)水文分析測(cè)算，工程區(qū)沁水河入口以上910 m3/s（P=10%），端氏河入口以上1 380 m3/s（P=10%），蘆葦河入口以上1 810 m3/s（P=10%）。

工程區(qū)治理段內(nèi)出露地層主要為古生界二疊系、中生界三疊系、新生界第四系。第四系全新統(tǒng)洪沖積松散地層，主要由卵礫石混合土夾級(jí)配不良礫、級(jí)配不良砂及粉土質(zhì)砂、低液限粉土組成，主要分布于河床、河漫灘及階地為古生界二疊系、中生界三疊系砂頁(yè)巖及新生界第四系中更新統(tǒng)低液限黏土主要分布于河岸岸坡。

3 壩型比選

項(xiàng)目建設(shè)主要是在滿足兩岸防洪安全的基礎(chǔ)上，依托沁河天然水資源優(yōu)勢(shì)，打造河道蓄水景觀以及為兩岸景觀的布置搭建親水平臺(tái)，既滿足在非汛期蓄水，又要在汛期不礙行洪。在河道蓄水美化工程中，國(guó)內(nèi)常用的幾種壅水壩有：橡膠壩、液壓壩、鋼壩閘，本次設(shè)計(jì)首先對(duì)三個(gè)壩型在防洪效果、使用壽命、運(yùn)行維護(hù)、投資四個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)比較確定采用液壓壩。壩型比較見(jiàn)表1。

表1 壩型比較

4 壩址布置

本次沁河生態(tài)環(huán)境綜合治理工程主要對(duì)端氏鎮(zhèn)至嘉峰鎮(zhèn)段進(jìn)行疏浚和生態(tài)綜合治理，在該河道上設(shè)計(jì)8座液壓壩。

端氏河：（1）沁河匯入口處（樁號(hào)D0+716.8）設(shè)置端氏河1#擋水壩，壩高4 m，壩長(zhǎng)63 m；（2）河西橋下游40 m處（樁號(hào)D0+267.9）設(shè)置端氏河2#擋水壩，壩高4 m，壩長(zhǎng)70 m；

沁河：（1）端氏鎮(zhèn)寄宿中學(xué)上游100 m（樁號(hào)Z1+186.6）處設(shè)置1#擋水壩，壩高3 m，壩長(zhǎng)144 m；（2）華羽小區(qū)附近（樁號(hào)Z1+872.2）設(shè)置2#擋水壩，壩高3 m，壩長(zhǎng)132 m；（3）坪上橋上游100 m（樁號(hào)Z2+569.6）設(shè)置3#擋水壩，壩高3 m，壩長(zhǎng)126 m；（4）武安電站大壩（樁號(hào)Z5+527.5）處設(shè)置4#擋水壩，壩高3 m，壩長(zhǎng)120 m；（5）郭南橋上游100 m（樁號(hào)Z6+449.7）處設(shè)置5#擋水壩，壩高3.5 m，壩長(zhǎng)108 m；（6）武安村大橋下游160 m（樁號(hào)Z15+280.2）處設(shè)置6#擋水壩，壩高3.0 m，壩長(zhǎng)114 m；

半峪河：（1）半峪河匯入沁河口處設(shè)置半峪河1#壅水堰，堰高1.0 m，壩長(zhǎng)68 m。

八個(gè)壩設(shè)置一個(gè)中央控制室，設(shè)在沁河1#壩左岸處，平面尺寸（寬×長(zhǎng)）14.0 m×6.0 m，高3.6 m，為單層磚混結(jié)構(gòu)；控制房?jī)?nèi)設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備室、休息室、衛(wèi)生間。

5 液壓壩水工設(shè)計(jì)

依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201—94），根據(jù)蓄水量確定蓄水工程的等別為Ⅴ等，相應(yīng)液壓壩按5級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物、臨時(shí)工程按5級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

5.1 液壓壩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

液壓壩采用C25鋼筋混凝土筏式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂面與河床齊平，根據(jù)基礎(chǔ)內(nèi)液壓裝置埋設(shè)要求，厚度為1.9 m。

根據(jù)壩體坍落寬度和上下游施工檢修要求，在順?biāo)鞣较颍_定底板長(zhǎng)度8 m。底板根據(jù)液壓壩壩片要求每6 m設(shè)置伸縮縫，縫間設(shè)橡膠止水帶，縫內(nèi)填充中密度閉孔泡沫板。

5.2 邊墻設(shè)計(jì)

液壓壩邊墻采用C25鋼筋混凝土重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，與底板澆成一個(gè)整體。頂寬0.3～0.5 m，臨水側(cè)為直立面，背水側(cè)邊坡1:0.3。邊墻高3.5～4.5 m。

消力池邊墻采用C25鋼筋混凝土懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)，頂寬0.5 m，底寬4.9～6.2 m，臨水側(cè)為直立面，背水側(cè)邊坡1:0.07。

5.3 防滲設(shè)計(jì)

根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范，為滿足液壓壩滲透穩(wěn)定性，延長(zhǎng)液壓壩的滲徑，在液壓壩底板下設(shè)塑性混凝土防滲墻，深10 m。在液壓壩上游不設(shè)鋪蓋，只設(shè)格賓石籠護(hù)底，液壓壩及消力池段采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在液壓壩和消力池之間設(shè)伸縮縫，縫間設(shè)橡膠止水帶，縫內(nèi)填充中密度閉孔泡沫板。

5.4 消能、防沖設(shè)計(jì)

液壓壩上游采用5 m長(zhǎng)的格賓石籠作為護(hù)底，格賓石籠規(guī)格為5.0 m×3.0 m×0.5 m。

液壓壩下游采用底流消能，經(jīng)計(jì)算，消力池池深取0.8 m，池長(zhǎng)12 m，尾檻寬0.5 m，消力池與橡膠壩底板間由1：4的斜坡連接，在消力池后設(shè)長(zhǎng)20 m的格賓石籠海漫防護(hù)，石籠厚1.0 m。

①消能設(shè)計(jì)

消力池剖面圖見(jiàn)圖1。

消力池的池深d按下式計(jì)算：

跌落水舌長(zhǎng)度ld=4.30D0.27P；

水舌后水深hd=D0.22P；

收縮水深hc=0.54D0.425P；

跌后水深h″c=1.66D0.27P；

水躍長(zhǎng)度lj=6.9（h″c-ht）；

池深s=h″c-ht；

池長(zhǎng)ls=ld+0.8lj；

圖1 消力池剖面圖

②消力池底板厚度計(jì)算

消力池底板厚度按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001計(jì)算，公式如下。

式中：

t——池底板始端厚度，m；

△H——上下游水位差，m；

K——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，0.15～0.2。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

③防沖設(shè)計(jì)

防沖設(shè)計(jì)由兩部分組成：海漫及防沖槽，海漫長(zhǎng)度按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001公式計(jì)算，公式如下。

式中：

Lp—海漫長(zhǎng)度，m；

qs—消力池末端單寬流量；

Ks—海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)；

△H′—上、下游水位差，m。

防沖槽深度按《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》第六冊(cè)計(jì)算，公式如下：

式中：

q——考慮流量集中后的海漫末端的單寬流量。q=α·q0，其中q0為海漫末端的平均單寬流量，α 為集中系數(shù)，α=1.05～1.5；

ht——海漫末端的水深，m；

d——河床砂料的平均粒徑，cm；

k——系數(shù)，1.05～1.22。

防沖槽底寬按下式計(jì)算：

式中：

h——防沖槽砌置深度，m；

t——沖刷坑的深度，m；

m1、m2——防沖槽上下游邊坡系數(shù)，m1=2～3，m2=3；

m——沖刷坑上游邊坡系數(shù)，m=3～6；

d——沖刷坑上游坡鋪砌厚度，取d＝0.4～0.6 m；

k——考慮塊石在水流作用下鋪砌不均勻的安全系數(shù)，1.1～1.3。

經(jīng)計(jì)算，海漫長(zhǎng)度20.0 m，本工程在消力池下游設(shè)20 m長(zhǎng)格賓石籠海漫，厚1.0 m；防沖槽深1.5 m。

5.5 控制室設(shè)計(jì)

液壓壩的控制室除4#液壓壩（武安電站處）設(shè)在河道的右岸外，其他7座液壓壩均設(shè)在河道的左岸邊墻處。控制室為地下式泵房，尺寸為：3.0 m×2.3 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高)。

5.6 地基處理

基礎(chǔ)坐落在天然地基上，該基礎(chǔ)能夠滿足廠房的穩(wěn)定要求。要求對(duì)地基土進(jìn)行夯實(shí)處理，壓實(shí)度達(dá)到不小于0.94或相對(duì)密度不小于0.65。

6 結(jié)束語(yǔ)

液壓壩是水利科技的一項(xiàng)革命性成果，是目前世界領(lǐng)先的活動(dòng)壩技術(shù)，廣泛應(yīng)用城市河道景觀工程建設(shè)。液壓壩不阻水、不怕泥砂淤積、放壩快速，不影響防洪安全。它攻克了傳統(tǒng)活動(dòng)壩型的所有缺點(diǎn)，同時(shí)它又具備傳統(tǒng)壩型的所有優(yōu)點(diǎn)。液壓壩在河道治理工程中大范圍的應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)新技術(shù)的發(fā)展有著不可替代的作用。