老鷹水庫水源保護(hù)望水河泄水工程沉砂結(jié)構(gòu)設(shè)計

段艷芳

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

老鷹水庫水源保護(hù)望水河泄水工程位于四川省資陽市望水鄉(xiāng)及雁江區(qū)祥符鎮(zhèn)、臨江鎮(zhèn)境內(nèi)，工程任務(wù)是在簡陽市望水鄉(xiāng)場鎮(zhèn)下游建設(shè)泄水系統(tǒng)，將望水河枯期及5 月汛前的污水泄至老鷹水庫下游，從而改善老鷹水庫的入庫水質(zhì)，保障資陽市城區(qū)的供水安全，改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)地方社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。工程設(shè)計泄水流量1.96 m3/s。主要建筑物包括擋水閘、進(jìn)水口、上游擋墻、下游護(hù)坦、隧洞、管道及田家溝生態(tài)堤防等建筑物。

九曲河為沱江右岸一級支流，流域面積368 km2，干流長57.5 km，平均比降1.77‰。老鷹水庫位于九曲河上游，是一座以防洪、灌溉、城市供水為主，兼有發(fā)電等綜合利用的中型水庫。水庫樞紐位于資陽市雁江區(qū)臨江鎮(zhèn)境內(nèi)，壩址以上集雨面積80.8 km2，總庫容3670 萬m3，正常庫容2374 萬m3，調(diào)節(jié)庫容1380 萬m3，死庫容300 萬m3，正常蓄水位393.85 m，死水位386.85 m。望水河為九曲河源頭，也是老鷹水庫庫區(qū)最大的支流，發(fā)源于簡陽市蘆葭橋，在望水鄉(xiāng)下游約0.5 km 處的余家壩匯入老鷹水庫庫區(qū)。望水河流域面積38.1 km2，河道長17.7 km，平均比降2.3‰。

2 水庫沉砂布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計

沉砂結(jié)構(gòu)總長46 m，寬11.0～14.0 m。沉沙池末端底板高程390.35 m，底板厚0.5 m，采用C25 鋼筋混凝土襯砌，底板以下覆蓋層采用C15 混凝土換填。底板順?biāo)飨蛎?5 m 設(shè)計一道永久結(jié)構(gòu)縫，縫內(nèi)設(shè)橡膠止水帶。

沉砂左、右岸邊墻采用C25 混凝土，根據(jù)地形、地質(zhì)條件不同采用不同的結(jié)構(gòu)型式。

右岸邊墻墻頂高程為396.50 m，與閘頂高程等高，總長度為49.15 m，分為兩段，靠近進(jìn)水口閘室漸變段樁號為右防0+000—0+015 m，長度15 m，由重力式過渡到仰斜式。樁號右防0+015—0+049.15 m，為C25 混凝土結(jié)構(gòu)仰斜式擋墻，頂寬1.0 m，迎水面坡1∶0.5。由于右岸擋墻頂外側(cè)約5～6 m 為現(xiàn)有村道路，為不影響道路，采取都開挖強(qiáng)支護(hù)的型式，因此堤頂以下后坡基巖段開挖坡比為1∶0.3，土質(zhì)邊坡臨時開挖坡比為1∶0.5，堤頂以上土質(zhì)永久邊坡開挖坡比為1∶1.25。土質(zhì)臨時邊坡設(shè)直進(jìn)式錨桿Φ25 mm，間排距3 m，L=4.5 m 和設(shè)φ50 mmPVC 排水管，土質(zhì)永久邊坡采用C25 混凝土框格梁+草皮護(hù)坡型式，框格梁節(jié)點設(shè)直進(jìn)式錨桿Φ25 mm，L=4.5 m。右岸邊墻內(nèi)側(cè)在1∶0.5 坡比開挖段采用C15 混凝土回填。擋墻基礎(chǔ)均位于基巖上。

左岸邊墻總長度為67.36 m，分為兩段，靠近進(jìn)水口閘室漸變段樁號為左防0+000～0+015 m，長度15 m，由重力式過渡到仰斜式，墻頂高程為396.50 m～395.00 m。樁號右防0+015～0+067.36m，為C25 混凝土結(jié)構(gòu)仰斜式擋墻，頂高程395.00 m，頂寬1.0 m，迎水面坡1∶1。墻后土質(zhì)邊坡臨時開挖坡比為1∶0.75。擋墻基礎(chǔ)基巖上。

在左岸邊墻中部設(shè)3 m 寬下河檢修清淤道路，坡比為10%，總長度為56.5 m。便于后期水庫庫區(qū)清淤。

沉砂底板、邊墻C25 砼抗凍標(biāo)號為F100，抗?jié)B標(biāo)號為W6。

3 水庫沉砂結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

3.1 水庫沉砂長度計算

根據(jù)規(guī)范要求，本工程沉沙結(jié)構(gòu)設(shè)計最小沉降粒徑取0.05 mm，大于等于設(shè)計最小沉降粒徑的泥沙沉降率取80%。

根據(jù)進(jìn)水口處地形、地質(zhì)條件，本工程沉沙結(jié)構(gòu)形式擬采用條渠沉沙結(jié)構(gòu)型式，單室結(jié)構(gòu)，橫斷面為梯形。

3.1.1 工作寬度按以下公式計算

式中：Bp——池廂工作寬度，m；

Qp——通過池廂的工作流量，取10 m3/s；

Hp——池廂工作水深，取2.1 m，可取用池廂深度的70%～75%；

V——池廂平均流速，取0.5 m/s。

3.1.2 池廂工作長度按以下公式計算

式中：Lp——池廂工作長度，m；

ξ——安全系數(shù)1.5，可取1.2～1.5；

ω——泥沙沉降速度，0.946 mm/s。

3.1.3 沉沙池出口含砂量按以下公式計算

式中：S——沉沙池出口含砂量，kg/m3；

S0——沉沙池進(jìn)口含砂量，12 kg/m3；

e——常數(shù)，可取e=2.718 28；

a——與泥沙粒徑、水力要素有關(guān)的系數(shù)，淤積時可取a＜0.5，沖刷時可取a=1.0；

z——泥沙懸浮指數(shù)；

L——沉沙池總長度，46 m；

h——沉沙池平均水深，2.1 m。

根據(jù)計算，當(dāng)沉沙池池廂長度為46.0 m，寬度為10.5 m，平均水深為2.1 m 時，大于等于0.05 mm 粒徑的泥沙沉降率為80.5%，滿足規(guī)范要求。此時沉沙池出口含砂量為0.925 kg/m3。

3.2 水庫沉砂邊墻穩(wěn)定計算

3.2.1 計算理論及方法

C25 混凝土擋墻的計算目前主要根據(jù)傳統(tǒng)的重力式擋土墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸布置設(shè)計，計算采用北京理正軟件設(shè)計研究所編制的設(shè)計軟件進(jìn)行擋墻抗滑、抗傾穩(wěn)定和基底應(yīng)力計算。計算公式如下：

3.2.2 滑動穩(wěn)定性驗算

式中：Kc——擋土墻沿基底的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f——擋土墻墻底與地基之間的摩擦系數(shù)；

∑G——作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；

∑H——作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載，kN。

3.2.3 傾覆穩(wěn)定性驗算

式中：K0──擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑MV──對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m；

∑MH──對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m。

3.2.4 基底應(yīng)力計算

∑G——作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；

∑M——作用于擋土墻上的全部荷載對于水平面平行前墻墻面方向形心軸的的力矩之和，kN·m；

W——擋土墻基底面對于基底面平行前墻墻面方向形心軸的截面矩，m3；

A——擋土墻基底面的面積，m2。

3.2.5 計算荷載

作用在墻體上的荷載有基本荷載組合和特殊荷載組合兩類。基本荷載組合：自重、靜水壓力、揚壓力、風(fēng)浪壓力、土壓力、人群荷載；特殊荷載組合：不計地震荷載。

3.2.6 計算工況

根據(jù)本工程實際運行過程中可能遇到的情況，擬定各工況如下：

（1）完建工況（正常工況）：內(nèi)外側(cè)均無水；

（2）正常工況：墻前水位為多年平均水位，墻后水位與墻前相同；

（3）水位驟降工況(非常工況)：墻前水位為墻頂高程，墻后水位與墻前相同；

3.2.7 擋墻參數(shù)

擋墻建基位于強(qiáng)風(fēng)化基巖上，根據(jù)閘線區(qū)土體物理力學(xué)參數(shù)建議值,取混凝土與基巖抗剪f=0.3，抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.3，c′=0.2 MPa，基礎(chǔ)允許承載力［R］為0.3 MPa，本工程地震設(shè)計烈度為VI 度，閘壩建筑物不需進(jìn)行抗震計算。

3.2.8 計算結(jié)果及結(jié)論

擋墻設(shè)計采用理正擋土墻計算軟件，計算結(jié)果見表1，由計算結(jié)果看出，擋墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

表1 沉砂邊墻穩(wěn)定及應(yīng)力計算成果表

4 計算結(jié)果及結(jié)論

通過計算確定沉砂池的長度和寬度；通過對沉砂邊墻進(jìn)行抗滑、抗傾穩(wěn)定計算和基底應(yīng)力進(jìn)行計算，確定沉砂池擬定的邊墻結(jié)構(gòu)尺寸合理。