洛陽市澗河調(diào)蓄工程設計分析

王紀頊

（洛陽水利勘測設計有限責任公司，河南 洛陽 471001）

1 工程概況

洛陽市位于黃河中游，河南省西部，東鄰鄭州，西接三門峽，北跨黃河與焦作接壤，南與平頂山、南陽相連。東西長約179 km，南北寬約168 km。洛陽市為省轄市，下轄偃師、孟津、新安、洛寧、宜陽、伊川、嵩縣、欒川、汝陽等一市八縣和澗西、西工、老城、瀍河、洛龍、吉利六個城市區(qū)，總面積15209 km2，現(xiàn)在市區(qū)面積544 km2。

澗河發(fā)源于陜縣觀音堂，流經(jīng)澠池、義馬、新安、在洛陽市區(qū)入洛河，全長112.5 km，流域面積1349 km2。同樂湖調(diào)蓄工程壩址位于澗河市區(qū)段同樂橋上游730 m，回水長度3.6 km，水面面積25.0 萬m2，最大蓄水量48.0 萬m3。

2 工程方案比選

建設澗河調(diào)蓄工程的目的：非汛期攔蓄徑流、立壩蓄水、形成水面景觀；汛期時攔截洪水，保障下游防洪安全。因此，活動閘壩是首選壩型，比如：橡膠壩、水閘、液壓壩以及鋼壩?，F(xiàn)從工程安全、經(jīng)濟、施工、運行管理等方面逐一進行方案比較。①工程安全方面：橡膠壩、水閘均為成熟壩型，較為常用，安全可靠[1]；液壓壩、鋼壩屬于新興壩型，目前工程實例較少；②工程經(jīng)濟方面：橡膠壩、液壓壩投資相對較低，鋼壩、水閘投資較高；③工程施工方面：液壓壩結(jié)構(gòu)簡單，易施工，橡膠壩需修建地下水泵室，開挖量大，水閘上部需啟閉排架，結(jié)構(gòu)復雜，鋼壩則對地基條件要求較高（本工程地質(zhì)條件較差）；④工程運行管理方面：橡膠壩、液壓壩運行方便易管理，水閘、鋼壩管理復雜、后期維護投資較大。綜上所述，本次工程設計方案采用液壓壩較為合適。

3 液壓壩設計

3.1 壩址選定

同樂湖調(diào)蓄工程擬定壩址位于澗河市區(qū)段同樂橋上游730 m，根據(jù)現(xiàn)場實地察看發(fā)現(xiàn)該位置所處河道較為順直且寬度適中，兩岸地勢開闊。址區(qū)在地貌單元上屬于洛河Ⅱ級階地。壩址區(qū)分布地層主要為淤泥質(zhì)土、雜填土、第四系全新統(tǒng)級配不良砂、級配不良礫、低液限粉土及上更新統(tǒng)低液限粘土、低液限粉土及級配不良礫層等組成。左岸壩肩主要為第四系全新統(tǒng)低液限粉土和低液限粘土組成，右岸壩肩為雜填土。

綜合考慮地形、地質(zhì)、水流和環(huán)境等因素，同樂湖調(diào)蓄工程壩址定于澗河市區(qū)段同樂橋上游730 m。

3.2 壩身設計

液壓缸、弧形（或直線）壩面、液壓桿和液壓泵站是液壓壩的主要構(gòu)成部分。液壓升降壩采用液壓桿升降（每扇壩體配備兩根液壓桿，可任意調(diào)整高度）以底部為軸的活動攔水壩面，實現(xiàn)升壩攔水，降壩行洪的目的；采用浮標開關(guān)，控制操作液壓系統(tǒng)，達到無人管理，根據(jù)洪水漲落，實現(xiàn)活動壩面的自動升降。

液壓壩壩體采用鋼板，河道設計口寬103.6 m，液壓壩工程布置總長68.95 m，其中液壓壩段長50.2 m，壩凈長48.2 m（每扇6 m，共8 扇，邊扇與邊墩之間留10 cm 以做止水），兩側(cè)邊墩厚均為1.0 m，壩高4.5 m。左岸岸墻長6.25 m，右岸岸墻長12.5 m，左岸設控制室，寬9.0 m，長32 m[2]。

根據(jù)水文計算，澗河洛陽市區(qū)段同樂湖調(diào)蓄工程壩址處20 a 一遇設計洪水流量2200 m3/s，50 a 一遇校核洪水流量3530 m3/s。根據(jù)液壓壩運行管理規(guī)定，澗河遭遇20 a 一遇設計洪水和50 a 一遇校核洪水時液壓壩應塌壩運行。液壓壩塌壩泄洪能力，可按堰流基本公式計算：

計算時下游水位按本次推求的澗河壩址處水位取用，上游水位按堰流公式計算壅高水位，同樂湖液壓壩布置8 扇，凈寬48.2 m（每扇6 m，兩邊扇與邊墩之間留10 cm 以做止水），左岸灘地寬為6.25 m，右岸灘地寬為12.5 m，灘地以上岸坡坡比為1∶1.5，設計底板高程144.00 m、設計河底高程142.5 m，兩岸灘地高程為149.0 m。經(jīng)過多次試算：成果見表1。

表1 同樂湖液壓壩上游水位及凈壩寬計算成果表

3.3 上游防滲設計

庫區(qū)河床主要為淤泥質(zhì)土和級配不良礫，所以防滲工程是關(guān)系蓄水及壩體滲流安全的關(guān)健。結(jié)合本工程實際情況和工程總投資，確定采用土工膜鋪蓋防滲。壩前設置30 m 的鋪蓋，鋪蓋的上游布設深1.5 m、底寬0.7 m 的C20 砼防沖齒墻。防滲布上面是厚5 cm 的粗砂，下面是一層30 cm 厚的粘土，為了保證受力均勻，基底的砂卵石和粘土都要鋪平壓實。防滲布的砼壓條斷面為20 cm×20 cm，橫縱間距均為2 m。防滲布鋪蓋與壩底板和兩岸齒墻的連接方式為壓板螺栓連接，螺栓間距50 cm，直徑為16 mm。

3.4 底板段設計

液壓壩底板為C25 鋼筋混凝土平底板結(jié)構(gòu)。底板順水流方向長8.0 m，垂直水流方向?qū)?0.2 m，布置8 扇，凈寬48.2 m（邊跨與邊墩之間留10 cm 以做止水）。底板厚2.5 m，頂面高程144.00 m，上下游端設齒墻，齒墻深2.2 m、寬1.5 m，底板下鋪設C15 混凝土墊層厚10 cm。邊墩高5.0 m，厚1.0 m，墩頂高程149.00 m。底板垂直水流方向每12 m 設一道伸縮縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)設閉孔低發(fā)聚乙烯板和651 橡膠止水帶。液壓壩底板面層一期澆筑鉸支座安裝埋件，同時預留液壓缸孔、支撐桿孔安裝埋件，待埋件安裝完畢后，再回填二期混凝土。

液壓壩兩岸設岸墻，左岸岸墻布置長6.25 m，右岸岸墻布置長12.5 m，順水流方向長均為8.0 m。岸墻設計頂高程149.0 m，底高程144.00 m，底板厚1.2 m，采用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上下游端設齒墻，齒墻深3.5 m、寬1.5 m，底板下鋪設C15 混凝土墊層厚10 cm。岸墻中間回填粘土，要求分層回填夯實，壓實度不小于0.96。

3.5 下游消能防沖設計

下游消能防沖設施布置總長度51.0 m，其中陡坡段長12.0 m，消力池段長21 m，海漫及防沖槽段長18 m。

陡坡：陡坡段長12.0 m，坡度1∶4.0，高程144.00 m～141.50 m，寬48.20 m～46.39 m。陡坡段底板采用C25 鋼筋砼結(jié)構(gòu)，厚度0.6 m，下設10 cm 厚C15 砼墊層。陡坡段末端設2.0 m深、1.0 m 寬齒墻，齒墻底高程為138.40 m，陡坡每10 m 設一道伸縮縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)填閉孔低發(fā)聚乙烯板。

消力池：消力池總長21 m，寬46.39 m～43.22 m，底高程141.00 m，末端設消力坎，寬1.5 m，坎底部齒墻深2.0 m，底高程138.40 m。消力池采用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.6 m，底板下設10 cm 厚粗砂墊層、土工反濾布一層、10 cm 厚C15 砼墊層。消力池內(nèi)設PVC排水管，管徑5 cm，梅花形布置，間距1.5 m，消力池設縱橫伸縮縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)填閉孔低發(fā)聚乙烯板。

海漫及防沖槽：海漫段長15.0 m，坡度1∶10，高程142.50 m～141.00 m，寬43.32 m～40.96 m。采用格賓墊，厚0.5 m，格賓墊下設針刺無紡布（300 g/m2）。海漫末端設格賓墊防沖槽，長3.0 m，高程141.00 m，寬40.96 m，槽深1.5 m，末端以1∶3 的反坡與河底連接，連接段長度4.2 m。

4 液壓壩及岸墻穩(wěn)定計算

4.1 計算工況

根據(jù)工程運行情況，液壓壩穩(wěn)定計算主要考慮以下三種工況：

①試壩工況：上、下游均無水，壩體按設計壩高充壩。

②正常立壩工況：上游為正常蓄水位148.50 m，下游無水。

③正常立壩+地震工況：上游為正常蓄水位148.50 m，下游無水。

根據(jù)工程運行情況，岸墻穩(wěn)定計算考慮以下三種工況：

①完建工況：上、下游均無水。

②正常立壩工況：上游為正常蓄水位148.50 m，下游無水。

③正常立壩+地震工況：上游為正常蓄水位148.50 m，下游無水。

計算荷載包括結(jié)構(gòu)自重、水重、水壓力、波浪壓力、土壓力和風壓力等。

4.2 抗滑穩(wěn)定計算

沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，采用《水閘設計規(guī)范》（SL 265-2001）規(guī)定公式計算：

式中：KC為沿壩底板基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；ΣH 為壩底板上的水平荷載，kN；f 為壩底板基底面的與地基土之間的摩擦系數(shù)，取0.5。

4.3 基底壓力計算

對于結(jié)構(gòu)布置及受力情況均對稱的閘孔，采用規(guī)范公式計算：

該底面垂直水流方向形心軸的截面矩，m3，W=b×h2/6。

基底應力分布不均勻系數(shù)：

根據(jù)所述公式和各個參數(shù)值，不同工況下室穩(wěn)定計算結(jié)果見表2。

表2 穩(wěn)定計算成果表

液壓壩及岸墻均為4 級建筑物，規(guī)范規(guī)定的抗滑安全系數(shù)為：基本荷載組合[Kc]=1.20，特殊荷載組合Ⅱ[Kc]=1.00；基底壓力分布不均勻系數(shù)的容許值：基本荷載組合[η]=2.0，特殊荷載組合為[η]=2.5。建筑物地基采用砂卵石換填，承載力標準值為160 kPa。計算結(jié)果表明抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、基底應力和地基壓應力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本文對洛陽市澗河調(diào)蓄工程進行方案比選，確定了最佳方案為液壓壩，并對液壓壩進行設計分析和穩(wěn)定性計算，確保了設計的安全性與合理性。澗河洛陽市區(qū)段同樂湖調(diào)蓄工程的實施可覆蓋市區(qū)段澗河荒灘，改善河道環(huán)境，恢復生態(tài)平衡，達到水清、岸綠、景美，創(chuàng)造和諧的人與自然生態(tài)關(guān)系，對洛陽市打造現(xiàn)代氣息濃郁的中西部最佳人居環(huán)境城市具有重要意義。