吉林省月亮泡蓄滯洪區(qū)分洪口門裹頭工程設(shè)計(jì)初探

許經(jīng)宇，韓冬梅，宗志聰，李雪松

（吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021）

蓄滯洪區(qū)能對河段分泄的洪水起到削減洪峰，或短期阻滯洪水作用，是我國防洪體系不可替代的重要防洪措施。而在蓄滯洪區(qū)的建設(shè)中，對于啟用概率較低的一般蓄滯洪區(qū)來說，考慮建閘啟用頻率低，并且投資較大，后期管理運(yùn)用較麻煩，采用分洪口門裹頭臨時爆破的分洪型式就顯得尤為重要。 然而關(guān)于分洪口門裹頭的設(shè)計(jì)資料參考范圍小，裹頭的泄流曲線及穩(wěn)定等計(jì)算的探討較少。下文對月亮泡蓄滯洪區(qū)工程中的裹頭設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)算等進(jìn)行分析探討，以供類似工程參考。

1 工程概況

吉林省月亮泡蓄滯洪區(qū)位于嫩江一級支流洮兒河入嫩江河口處，蓄滯洪區(qū)核心為月亮泡水庫。月亮泡蓄滯洪區(qū)主要任務(wù)是攔蓄套兒河洪水，分蓄部分嫩江洪水，減輕哈爾濱市防洪壓力，同胖頭泡一起承擔(dān)哈爾濱市100～200年一遇防洪任務(wù)。

月亮泡蓄滯洪區(qū)包括月亮泡庫區(qū)片、4號壩以西片、新荒泡片和6號壩片4部分，總面積686.01 km2。月亮泡庫區(qū)片和4號壩以西片與洮兒河相聯(lián)接；新荒泡片由新荒泡1～3號壩和5號壩與月亮泡庫區(qū)片、4號壩以西片分隔開；6號壩片由6號壩與月亮泡庫區(qū)片分隔開。6號壩片和新荒泡片目前具備分區(qū)運(yùn)用條件。

由于新荒泡1號壩上4孔閘合和5孔閘、5號壩上涵洞1和涵洞2規(guī)模較小不能滿足分洪要求；6號壩上沒有建筑物，因此需在5號壩、6號壩上建分洪口門，以滿足分洪要求。下文以6號壩裹頭設(shè)計(jì)為例進(jìn)行探討。

2 裹頭設(shè)計(jì)主要計(jì)算

6號壩分洪口門選在1998年大洪水沖開處，也是6號壩位置最低處，位于6號壩樁號7+120～7+200 m處，該處地質(zhì)條件單一，上部均為壤土層，壤土層較厚，下部為細(xì)砂層，地形地質(zhì)條件均較好，進(jìn)水退水條件均較好。

2.1 裹頭寬度的確定

裹頭寬度是裹頭設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，需要經(jīng)過調(diào)節(jié)計(jì)算確定。首先要明確調(diào)洪原則。

2.1.1 6號壩裹頭的調(diào)洪原則

調(diào)洪原則：分洪起調(diào)水位月亮泡片達(dá)到133.5 m；6號壩片無水；6號壩片分洪；6號壩片和月亮泡片同時達(dá)到134.57 m。

2.1.2 6號壩裹頭泄流能力計(jì)算

裹頭的泄流能力從運(yùn)行情況分析，在分洪時，6號壩片水位上漲，月亮泡片水位下降，最后同時達(dá)到同一水位134.57 m。在進(jìn)行泄流曲線計(jì)算時就需要有各種情況分析。因此先采用100 m裹頭寬度，上游同一水位情況下，下游水位變化時為一個泄流曲線，同樣上游水位每下降0.1 m時的泄流曲線，在進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算后反復(fù)調(diào)節(jié)，確定最終裹頭寬度。泄流公式采用寬頂堰過流公式：

式中：Q——設(shè)計(jì)流量，m3/s；b——過流凈寬，m；H0——計(jì)入行近流速水頭的堰上水頭，m；ε——側(cè)收縮系數(shù)；σm——淹沒系數(shù)。

自由出流或者淹沒出流方式根據(jù)堰前水位和堰后水位的高低判斷，只有當(dāng)堰后水位大于堰頂高程時才可能發(fā)生淹沒出流。設(shè)hs為堰后水位與堰頂高程之差，則當(dāng)hs/H＜0.8時為自由出流，hs/H≥0.8時為淹沒出流。自由出流時，淹沒系數(shù)取1；淹沒出流時，上下游水位查《水力計(jì)算手冊》中表3-2-8取值；m——流量系數(shù)，流量系數(shù)采用八字形前沿進(jìn)口的寬頂堰流量系數(shù)。計(jì)算的泄流曲線成果見表1。

表1 泄流曲線計(jì)算成果表

根據(jù)調(diào)洪原則、洪水工程線及泄流曲線等進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算得出裹頭設(shè)計(jì)寬度80 m。

2.2 裹頭穩(wěn)定計(jì)算

裹頭穩(wěn)定計(jì)算也是裹頭設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，計(jì)算方法本文簡化為重力式擋土墻的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 沖刷深度計(jì)算

水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度采用GB50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中式D.2.2-1與D.2.2-2計(jì)算：

式中：hs——局部沖刷深度，m；H0——沖刷處水深，m；UCP——近岸垂線平均流速，m/s；U——行近流速，m/s；UC——泥沙起動流速，m/s；n——與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4～1/6；η——水流流速不均勻系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，6號壩沖刷深度為1.79 m。

2.2.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

裹頭簡化為重力式擋土墻進(jìn)行穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算，六號壩底部深入沖坑以下1.71 m，樁長8 m。填土側(cè)考慮土壓力和地下水壓力，臨水側(cè)按分洪和退洪兩種工況考慮，其中退洪為控制情況。退洪時，臨水側(cè)水位與沖坑底高程相同。

抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用SL379-2007《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》中式6.3.5-1計(jì)算：

式中：KC——擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；ΣG——作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；ΣH——作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載，kN；f——擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.2。

2.2.3 抗傾穩(wěn)定計(jì)算

采用SL379-2007《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》中式6.4.1計(jì)算：

式中：KO——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傾覆力矩，kN·m。

經(jīng)計(jì)算，得 KC=1.47，KO=2.99（允許值 KC=1.05，KO=1.30），計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3 裹頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式選擇

裹頭主要控制寬度，保護(hù)口門兩側(cè)堤身免遭沖刷。一般口門可采用漿砌石、拋石、高噴灌漿墻體等幾種型式的裹頭控制。在口門型式選擇上，應(yīng)力求簡單、實(shí)用。考慮裹頭分洪時流速較大，水流紊亂，選定高壓旋噴樁成墻形成裹頭。

6號壩裹頭為1孔布置，未啟用前過流段為原壩材料封堵，堤頂高程為135.00 m，堤頂寬度4 m，上游邊坡 1∶2.5，下游邊坡 1∶3。

裹頭采用扒口型式分洪，分洪兩側(cè)需布置高噴灌漿裹頭，對分洪口兩側(cè)大堤進(jìn)行保護(hù)。高噴體平面上成喇叭口形，通過高噴形成的壁狀加固體控制裹頭寬度，上游擴(kuò)散角30°，下游擴(kuò)散角10°，旋噴樁樁徑1.0 m，排間距0.8 m。噴體貫穿大堤，壁厚根據(jù)重力式擋土墻穩(wěn)定計(jì)算試算確定，上部高程與堤防橫斷面外輪廓保持一致，下部高程應(yīng)深入地基以下3.5 m?？紤]最外側(cè)裹頭分洪時沖刷流速最大，水流紊亂，容易造成較大沖刷，為安全起見，最外側(cè)一排高壓旋噴樁深入土層以下6.5 m，高壓旋噴樁的最大深度為11 m。

為了防止分洪時水流對兩側(cè)堤身的淘刷，增加復(fù)堤難度，對裹頭兩側(cè)堤身進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)長度兩側(cè)各30 m，對堤防迎水側(cè)采用混凝土鉸接板塊護(hù)坡（為與其他設(shè)計(jì)保持一致）；對堤防背水側(cè)邊坡采用膜袋混凝土護(hù)坡，護(hù)坡厚度150 mm，護(hù)坡底部采用1 m×0.5 m混凝土固腳。

4 結(jié) 語

6號壩裹頭設(shè)計(jì)是月亮泡蓄滯洪區(qū)的主要內(nèi)容，對裹頭設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行分析探討，對其他類似工程的設(shè)計(jì)有著一定的借鑒意義。但計(jì)算也是在摸索中，筆者認(rèn)為的計(jì)算方法僅供參考，關(guān)于裹頭的過流計(jì)算及穩(wěn)定計(jì)算方法仍需進(jìn)一步探討。

［1］王翔，羅小青.蓄滯洪區(qū)建設(shè)思路與對策探討［J］.防汛與抗旱，2008（1）：54-56.

［2］韓志宇.鄱陽湖康山蓄滯洪區(qū)分洪口門裹頭保護(hù)工程設(shè)計(jì)分析［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2012.6，18（06）：87-89.

［3］趙彥增.河道決口過程模擬及決口流量計(jì)算［J］.人民黃河，2007，29（09）：25-27.