拐磨子灌區(qū)紅旗一壩攔河壩優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

孫 勇

(遼寧省桓仁縣水務(wù)局，遼寧 桓仁 117200)

1 工程概況

拐磨子灌區(qū)始建于1958年，位于桓仁縣古城鎮(zhèn)，全鎮(zhèn)轄12個(gè)行政村，鎮(zhèn)域總面積317km2，耕地面積5.30萬(wàn)畝。設(shè)計(jì)灌溉面積2.6萬(wàn)畝，有效灌溉面積2.4萬(wàn)畝。由于缺少長(zhǎng)期穩(wěn)定的后期資金投入和系統(tǒng)有效的管理措施，部分灌區(qū)出現(xiàn)“水不能引，渠不能排，路不能通”等情況，亟待對(duì)灌區(qū)渠道、引水工程進(jìn)行改造，有效提高灌區(qū)水土資源利用率和灌區(qū)運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益[1]。

紅旗一壩攔河壩為灌區(qū)改造兩處引水工程中的一處,位于古城鎮(zhèn)古城子村富爾江上，是一座以灌溉為主兼顧發(fā)電的攔河建筑物。建成以來遭到1995年、1998年、2010年三次洪水破壞，經(jīng)洪水沖刷及人工淘沙影響，河床下切，壩體破損。針對(duì)紅旗一壩攔河壩存在的壩體混凝土剝蝕脫落、鋼筋外露、金屬結(jié)構(gòu)沖毀、翼墻漿砌石脫落和無(wú)消能防沖設(shè)施等問題,將根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，結(jié)合選擇的開敞式自由溢流堰(克-奧型實(shí)用堰)方案，對(duì)大壩樞紐布置、壩體結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)等進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析，優(yōu)選技術(shù)、經(jīng)濟(jì)均較合理的設(shè)計(jì)方案。

2 攔河壩現(xiàn)狀及工程地質(zhì)條件分析

2.1 攔河壩現(xiàn)狀及安全鑒定

紅旗一壩攔河壩主要由進(jìn)水閘、沖砂閘、攔河壩段、溢流壩段組成。攔河壩現(xiàn)存主要問題包括：?溢流壩壩體破損嚴(yán)重，遍布裂縫。壩體混凝土剝蝕、脫落嚴(yán)重，多處內(nèi)部鋼筋露出；?沖砂閘及引水閘閘墩出現(xiàn)明顯裂縫，閘門已被完全沖毀[2]；?攔河壩及沖砂閘下游無(wú)任何消能防沖設(shè)施，致使下游壩根被掏空；?上下游漿砌石翼墻均出現(xiàn)較明顯斷裂橫縫，局部砌石脫落。攔河壩現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 紅旗一壩攔河壩現(xiàn)狀

2012年4月經(jīng)水利部松遼水利委員會(huì)水利基本建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心對(duì)紅旗一壩攔河壩進(jìn)行安全鑒定，結(jié)論為主體工程構(gòu)件損壞嚴(yán)重，甚至損毀，工程運(yùn)行指標(biāo)無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程運(yùn)行存在巨大安全隱患，建議報(bào)廢重建。

2.2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

紅旗一壩攔河壩工程區(qū)地勢(shì)東高西低。階地地形平坦，微向河谷傾斜，上覆為砂、礫石，下伏基巖為安山巖。階地與漫灘間以3～5m高陡坎接壤，漫灘由砂、礫石組成，地表形態(tài)較平緩。壩址區(qū)出露的巖性單一。河床及灘漫為漂石砂卵礫石層。下伏基巖為安山巖。 第①層：砂、礫石，雜色～灰白色，以圓礫和中粗砂為主，層厚1.8～2.4m。粒徑大于2mm的顆粒含量占41.3%左右，含少量卵石，占7.5%左右，礫石含量占33.8%左右，磨圓度一般～較好。第②層：安山巖，灰褐色，細(xì)粒斑雜結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，屬中風(fēng)化巖，巖芯呈短柱狀。據(jù)地表觀測(cè)和鉆探揭露，全風(fēng)化厚僅0.6m左右，層面埋深普遍為2.7～2.9m。

壩址區(qū)揭露地層簡(jiǎn)單，無(wú)軟弱夾層等不利結(jié)構(gòu)面存在，閘基無(wú)抗滑穩(wěn)定問題；①層及下伏基巖全風(fēng)化及弱風(fēng)化砂巖承載力較高，能滿足地基穩(wěn)定要求；①層屬?gòu)?qiáng)透水層，建議基坑開挖實(shí)施防滲處理，綜合邊坡開挖建議值為1∶1.5；①層滲透破壞類型為管涌型，臨界水力坡降及允許水力坡降建議值分別為0.15、0.09；地震基本烈度為小于VI度區(qū)，地基土無(wú)地震液化問題；攔河壩運(yùn)行多年，無(wú)庫(kù)區(qū)滲漏、塌岸及浸沒等工程地質(zhì)問題；工程區(qū)域及附近無(wú)較大構(gòu)造通過，工程穩(wěn)定不受構(gòu)造影響。

3 攔河壩壩型選擇及首部樞紐布置

紅旗一壩攔河壩位于桓仁縣富爾江干流上，引水灌溉面積為3650畝，總庫(kù)容小于10萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)引水流量0.77m3/s，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)和《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50288—1999)相關(guān)規(guī)定[3]，確定紅旗一壩攔河壩工程等級(jí)為Ⅴ級(jí)，相應(yīng)建筑物級(jí)別為5級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，洪峰流量，QP=10%=1587.6m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，洪峰流量QP=5%=2273.9m3/s。

3.1 攔河壩型式選擇

根據(jù)地形地質(zhì)條件、河道走向及河谷現(xiàn)狀等實(shí)際情況，確定設(shè)計(jì)攔河壩壩址為原壩址處。攔河壩壩軸線控制點(diǎn)坐標(biāo)：左岸X=93889.766，Y=51597.691；右岸X=93801.155，Y=51721.436。壩址區(qū)河道斷面較寬，地形平緩，擋水水頭較低。設(shè)計(jì)優(yōu)選攔河閘(攔河閘總寬145m，共設(shè)29孔，單孔凈寬5.00m)、開敞式自由溢流壩(溢流壩為克-奧型實(shí)用堰，凈寬146m)和橡膠壩(橡膠壩長(zhǎng)150m，10跨，單跨15m)三個(gè)方案進(jìn)行比選，見表1。

從表1可以看出，設(shè)計(jì)推薦采用的開敞式自由溢流堰(克-奧型實(shí)用堰)方案，其在環(huán)保性能、安全性能、制造養(yǎng)護(hù)、實(shí)用壽命和總投資成本均較攔河閘和橡膠

表1 攔河壩型式比選

壩優(yōu)越，且該堰型泄流能力大，造型優(yōu)美，線條流場(chǎng)，溢流時(shí)能夠形成一定的景觀效果。

3.2 首部樞紐布置

a. 開敞式自由溢流壩結(jié)構(gòu)布置。開敞式自由溢流壩為克-奧型實(shí)用堰，堰頂高程332.50m，堰體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建基高程327.70m，坐落在基巖上，下部鋪設(shè)10cm厚素混凝土墊層。新建堰體順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)4.744m，垂直水流方向溢流壩總寬146.00m，其中新建堰體過流寬度145.00m。

溢流壩下游采用半徑2.0m反弧同消力池平順銜接。消力池池深1.00m，池長(zhǎng)18.5m，尾坎頂寬0.50m，池底板和尾坎頂高程分別為329.00m和330.00m。消力池底板厚度0.50m，下設(shè)10cm厚素混凝土墊層、0.20m碎石墊層、400g/m2土工布。底板設(shè)有排水孔，排水孔間排距2.00m。溢流壩上游回填至330.50m。

消力池下游鋪設(shè)26.5m長(zhǎng)的賓格網(wǎng)石籠海漫，以保護(hù)洪水對(duì)消力池尾坎下齒墻的淘刷破壞。格賓石籠厚0.50m，下鋪0.20m砂礫石墊層及400g/m2無(wú)紡布。

b. 引水閘結(jié)構(gòu)布置。引水閘布置在河道右岸，與沖砂閘連接,軸線與壩軸線呈21°角，閘室采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘底板頂高程331.50m，引水閘前齒坐落在基巖上，下部鋪設(shè)10cm厚素混凝土墊層。引水閘順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)9.0m，垂直水流方向總寬4.8m，共2孔，單孔凈寬1.0m，高1.0m。中墩厚1.0m，兩邊墩厚0.9m。

c. 沖砂閘結(jié)構(gòu)布置。沖砂閘緊鄰引水閘，設(shè)計(jì)為平底閘。閘室采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘底板頂高程330.50m。沖砂閘底板坐落在基巖上，下部鋪設(shè)10cm厚素混凝土墊層。沖砂閘順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)9.0m，垂直水流方向總寬7.2m，共2孔，凈寬2.0m，高2.0m。中墩厚1.2m，兩邊墩厚1.0m。

4 攔河壩穩(wěn)定性分析

建筑物級(jí)別為5級(jí)，地基為砂巖。按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2001)，閘室穩(wěn)定應(yīng)滿足下列要求[3]：?閘室基底不出現(xiàn)拉應(yīng)力；?最大基底應(yīng)力不大于地基允許承載力，地基允許承載力為600kPa；?基本荷載組合情況下閘基的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于1.05，校核洪水情況應(yīng)大于1.0。

《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2001)中，抗滑穩(wěn)定推薦計(jì)算公式為

(1)

式中Kc——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f——摩擦系數(shù)，設(shè)計(jì)采用f=0.60； ∑G——豎向荷載，kN； ∑H——水平向荷載，kN[4]。

《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265—2001)中，抗滑穩(wěn)定推薦計(jì)算公式為

(2)

溢流壩、沖砂閘和引水閘的抗滑穩(wěn)定和基底應(yīng)力，經(jīng)計(jì)算，結(jié)果見表2和表3。

表2 溢流壩、沖砂閘和引水閘抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

表3 溢流壩、沖砂閘和引水閘基底應(yīng)力計(jì)算成果 單位：kPa

根據(jù)地勘資料，閘址處基巖埋深較淺，基巖面頂高程為332.70m，新建溢流壩基礎(chǔ)坐落在巖基上，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)，基底應(yīng)力沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足穩(wěn)定要求。

從表2和表3抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算成果可知：溢流壩、沖砂閘和引水閘在正常運(yùn)用(設(shè)計(jì)水位及多年平均水位)和非常運(yùn)用條件下，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)中規(guī)定的1.05(正常運(yùn)用)和1.00(非常運(yùn)用)安全系數(shù)。擋水壩基底應(yīng)力最大發(fā)生在施工擋水期溢流壩處，為115.28kPa，遠(yuǎn)小于工程區(qū)地基允許承載力600kPa，且沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足穩(wěn)定要求。因此，溢流壩、沖砂閘和引水閘結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)安全、穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

拐磨子灌區(qū)紅旗一壩攔河壩除險(xiǎn)加固工程經(jīng)地質(zhì)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、穩(wěn)定性計(jì)算等，對(duì)攔河壩整體樞紐布置和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算分析和方案優(yōu)化，優(yōu)選技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的開敞式自由溢流堰設(shè)計(jì)方案。除險(xiǎn)加固工程于2015年5月開工建設(shè)，2016年12年通過遼寧省水利廳組織的專家組竣工驗(yàn)收。攔河壩經(jīng)過除險(xiǎn)加固處理后，工程設(shè)施運(yùn)行良好，充分發(fā)揮了工程引水灌溉和防洪的功能。為確保擋水壩功能正常發(fā)揮，提高工程建設(shè)投資經(jīng)濟(jì)效益，在擋水壩壩型選擇、樞紐整體布置和結(jié)構(gòu)計(jì)算中進(jìn)行詳細(xì)論證分析。

a. 壩址區(qū)揭露地層簡(jiǎn)單，基巖承載力較高，地質(zhì)條件能夠滿足工程建設(shè)需求。

b. 結(jié)合壩址區(qū)地形地貌及地質(zhì)條件，開敞式自由溢流壩從技術(shù)可靠性、節(jié)能經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行穩(wěn)定性等方面，均較攔河閘和橡膠壩優(yōu)，設(shè)計(jì)推薦采用凈寬146m克-奧型實(shí)用堰作為紅旗一壩攔河壩壩型。

c. 根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，對(duì)溢流壩、沖砂閘和引水閘的抗滑穩(wěn)定和基底應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，成果表明：溢流壩、沖砂閘和引水閘在正常運(yùn)用和非常運(yùn)用條件下，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和基底應(yīng)力均滿足規(guī)范限值要求，結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)合理。

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