洛陽(yáng)市洛河西段渠首工程擋水建筑物設(shè)計(jì)分析

徐雅雯

（洛陽(yáng)市引黃工程綜合服務(wù)中心,河南 洛陽(yáng) 471000）

1 工程概況

洛陽(yáng)市洛河西段治理渠首工程位于金水堰電站引水渠進(jìn)水閘下游 200 m（洛河樁號(hào) 247+038.01）,工程區(qū)河道基本順直,局部稍有彎曲,河道寬約 400 m,為深 3 m~6 m 左右的 U 型河槽,其河床寬約100 m,漫灘寬約300 m。壩址處左岸岸頂高程165.30 m左右,右岸岸頂高程171.25 m左右,河水位160.50 m,河槽地面高程160.10 m~165.20 m,灘面高差約5.10 m?，F(xiàn)狀河道左岸為老河堤及建筑填土,右岸為新建堤防。工程位置見圖1。

圖1 工程位置圖

工程等別為Ⅳ等, 其主要建筑物級(jí)別為4 級(jí)。工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20 年一遇設(shè)計(jì),相應(yīng)洪峰流量為4180 m3/s,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇,相應(yīng)洪峰流量為 7240 m3/s。

2 擋水建筑物設(shè)計(jì)

2.1 地質(zhì)分析

壩基建基面位于③粘土巖（N）層,屬微透水性,為相對(duì)隔水層,兩壩肩分布的級(jí)配不良礫層,具有強(qiáng)透水性,壩址區(qū)河水對(duì)地下水直接補(bǔ)給,易形成繞壩滲漏。

2.1.1 天然滲漏量估算

根據(jù)水庫(kù)邊界條件,壩段將產(chǎn)生繞壩滲漏,繞壩滲流線接近圓形,按下式計(jì)算壩段繞壩滲漏量：

式中：Q為側(cè)向滲漏量,m3/d；K為滲透系數(shù),m/d,取K=9.91×10-2cm/s=85.6 m/d ；H為壩上下游水位差,取H= 4.8 m；H1為庫(kù)水位至隔水層頂板厚度,取H1=7.0 m；h為壩后水位至隔水層頂板厚度,取h1=2.2 m；B為岸邊可能滲漏長(zhǎng)度,取B=1400 m；r0為壩端與岸邊輪廓半徑,取r0=2b/2=12/2=6 m。

正常蓄水位一岸繞壩滲漏量：Q=0.366×85.6×4.8×（7+2.2）lg（1400/6）=3276.1 m3/d；正常蓄水位兩岸繞壩滲漏量：3276.1×2=0.655 萬(wàn) m3/d。

2.1.2 蓄水分析

在正常情況下,洛河多年日平均來(lái)水量約170 萬(wàn)m3/d。在正常情況下日平均來(lái)水量扣除上游8 級(jí)水面最大滲漏量約 76.8 萬(wàn)m3/d,渠首最大日滲漏量約0.655 萬(wàn)m3/d,日來(lái)水量還余約92.7 萬(wàn)m3/d, 為了減少庫(kù)區(qū)滲漏,限制地下水位過量升高,確保在來(lái)水量較小的情況下也能形成較大的水面,渠首工程在壩址上游鋪設(shè)了50 m的防滲。

2.2 渠首主建筑物設(shè)計(jì)

2.2.1 壩型比選及壩高選擇

（1）壩型的選定。攔河樞紐工程,一般型式有壩、閘。首選方案應(yīng)是活動(dòng)壩或閘。 洛河下游河道上,建有華林園、上陽(yáng)宮、同樂園、洛神鋪、周山等水面工程,其攔河樞紐均采用橡膠壩,建成后運(yùn)行情況良好；洛陽(yáng)市在伊河、洛河上建有多座橡膠壩,所以建橡膠壩有成功經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

工程段洛河河床寬、汛期洪水大,含沙量也較大,無(wú)論是直升閘、翻板閘或浮體閘,一般都跨度有限,其啟閉操作運(yùn)行都受到一定限制,對(duì)渲泄洪水都有一定影響,而橡膠壩具有蓄清排洪的特點(diǎn),可根據(jù)上游洪水情況,靈活操作控制,塌壩行洪。所以經(jīng)綜合分析比較,洛陽(yáng)市洛河西段治理渠首工程選擇采用橡膠壩方案。

（2）壩高選擇?，F(xiàn)狀金水堰電站引水渠渠首壩部分為砌石壩,破損嚴(yán)重,且長(zhǎng)度約為100 m,其余壩體段為砂卵石臨時(shí)堆填的固定壩,抗沖能力差且阻水嚴(yán)重。為滿足電站正常引水要求,新建渠首壩高維持原有渠首壩高度,其高度為 3.5 m。

2.2.2 橡膠壩設(shè)計(jì)

橡膠壩段總寬383 m,凈寬度375 m,分為5 跨,自左向右依次為第一跨至第五跨,單跨長(zhǎng)75 m,中墩厚1.4 m,邊墩厚1.2 m。壩高3.5 m,正常蓄水位165.3 m,底板高程161.8 m。橡膠壩縱剖面見圖2。

圖2 橡膠壩縱剖面圖

（1）壩袋設(shè)計(jì)

①壩袋結(jié)構(gòu)型式。采用堵頭枕式單袋雙錨固充水式壩袋。②內(nèi)壓比。壩袋設(shè)計(jì)高度H為 3. 5 m,其內(nèi)壓高度 Ho,由選定的內(nèi)壓比a計(jì)算,參照《橡膠壩》,內(nèi)壓比取 1.3,內(nèi)壓高度由公式公式а=Ho/H1計(jì)算。經(jīng)計(jì)算,橡膠壩內(nèi)壓高度 Ho為 4.55 m。③壩袋有效周長(zhǎng)及底墊片有效長(zhǎng)度。按《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》（SL 50979-2014）附錄B計(jì)算壩袋充水后形狀參數(shù),即上游曲線段S1、下游曲線段S、上游水平貼地段n,下游水平貼地段 X0,其計(jì)算結(jié)果如下：壩高3.5 m壩袋有效周長(zhǎng)Lo=S1+S=615+620=1235 cm；壩高3.5 m底墊片有效長(zhǎng)度Lo=n＋X0=206+452=658 cm；壩高3.5 m單跨壩袋面積926.3 m2,壩袋總面積4631.5 m2。④壩袋拉力。袋壁為薄膜結(jié)構(gòu),當(dāng)充水到設(shè)計(jì)內(nèi)壓高度時(shí),主要產(chǎn)生環(huán)向（徑向）拉力,其計(jì)算按照上游水位平壩頂、下游無(wú)水時(shí)依據(jù)T=r（H0H1-H21/2）/2 公式計(jì)算,經(jīng)計(jì)算壩袋拉力為 49 kN/m。⑤壩袋容積。根據(jù)壩高 H1及設(shè)計(jì)內(nèi)壓比а,按《橡膠壩》一書查表計(jì)算,壩袋單寬容積VO=1.7204×3.52=21.07 m3/m。單壩袋容積為 1580.25 m3,壩袋總?cè)莘e 7901.25 m3。⑥壩袋型號(hào)。選用專業(yè)廠家按部頒標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的氯丁合成橡膠錦綸帆布?jí)未? 其型號(hào)為壩高 3.5 m采用JBD3.5-280280-2 型,壩袋膠布型號(hào)為J280280-2,經(jīng)/緯強(qiáng)度為 448/448 kN/m,堵頭采用一布二膠,堵頭膠布型號(hào)為 J460400-1。⑦壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)。根據(jù)壩袋膠布材料加工制成膠布時(shí)強(qiáng)度損失一般達(dá) 15%～25%左右,取20%計(jì)算安全系數(shù)。3.5 m壩高安全系數(shù)K=448×0.8/49=7.31＞6 符合規(guī)范規(guī)定。⑧壩袋錨固。壩袋采用上下游雙線穿孔壓板螺栓錨固。上游錨固線距壩底板上游邊為1.38 m,下游錨固線距壩底板下游為3.92 m。錨固螺栓直徑上下游均采用φ30,間距20 cm。

（2）壩底板設(shè)計(jì)

壩底板采用 C25 鋼筋砼底板,上下游設(shè)齒墻。底板長(zhǎng)度（順?biāo)鞣较颍?12 m,底板厚均為1.2 m。上下游齒墻深均為3 m~1.5 m,齒墻底寬均為1.2 m。底板預(yù)埋錨固螺栓,預(yù)埋充排水管路埋件,下游齒墻預(yù)留排水孔。底板設(shè)伸縮縫,縫寬2 cm,縫內(nèi)設(shè)651 橡膠止水帶和聚乙烯閉孔泡沫板。底板與地基滑動(dòng)磨擦系數(shù)取0.50。經(jīng)抗滑穩(wěn)定計(jì)算,當(dāng)壩袋充水到設(shè)計(jì)壩高,壩頂溢流水深0.5 m時(shí),抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為 2.1,大于規(guī)范規(guī)定 1.2 的要求。

（3）兩岸寬頂堰

左右兩岸灘地寬頂堰采用門字型斷面,采用 C25 鋼筋砼澆筑,堰頂高程165.40 m,底板為 1.0 m 厚鋼筋混凝土,順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度9.6 m；上游齒墻深度6.8 m、5.8 m,要求深入粘土巖不小于1.0 m,下游齒墻深度4.6 m。上下游齒墻寬度均為1.2 m。固定堰上部設(shè)48 cm厚種植土和12 cm厚C30 聯(lián)鎖磚。左右岸寬頂堰每隔7.7 m設(shè)一道伸縮縫,縫寬2 cm,縫內(nèi)設(shè)651 橡膠止水帶和聚乙烯閉孔泡沫板。

（4）大口井設(shè)計(jì)

渠首工程供水水源采用大口井,左右岸各布置一個(gè),位于橡膠壩上游,順?biāo)鞣较蚓嘞鹉z壩底板 10 m、垂直水流方向距兩擋墻迎水側(cè) 10 m 處。大口井外徑 7.3 m、內(nèi)徑 6 m、壁厚 0.65 m,采用 C25 鋼筋混凝土。大口井總高 6.3 m。大口井頂部高程為 163.50 m,井底高程 為158.20 m。底板厚0.8 m,井底設(shè) 10 cm 厚 C15 混凝土墊層。大口井內(nèi)布置1個(gè)立柱,柱尺寸為0.6 m×0.6 m。井頂板為梁板結(jié)構(gòu),板厚0.2 m,梁高0.6 m、寬0.3 m。大口井頂板設(shè)進(jìn)人孔,尺寸為0.6 m×0.6 m,其上設(shè)鋼蓋板。吸水管管道中心高程160.10 m。通氣管沿河底及岸坡埋設(shè)至高程170.65 m處,管道頂部設(shè)彎頭。為便于集水,大口井井壁上按梅花形布設(shè)PVC集水管,間距0.6 m,管徑80 mm,管長(zhǎng)0.65 m,井壁外包反濾布（250 g/m2,厚 2.1 mm）,井壁外側(cè) 1m 范圍內(nèi)回填反濾料。回填料采用直徑5 mm~25 mm級(jí)配砂卵石。

（5）放水底孔設(shè)計(jì)

為便于壩袋維修及放空底板以下河水,在 1、5 跨橡膠壩底板下部各設(shè)2 個(gè)放水底孔,孔徑1.0 m,采用插板閘門控制。放水底進(jìn) 口高程160.30 m,出口位于消力池陡坡段末端,出口高程159.35 m。

2.2.3 橡膠壩控制室設(shè)計(jì)

橡膠壩控制室段布置在左右岸迎水坡,控制室平臺(tái)171.55 m高程以下為倉(cāng)儲(chǔ)室一層、倉(cāng)儲(chǔ)室二層及水泵室層,水泵室底板高程為 159.1 m?？刂剖移脚_(tái)高程 171.55 m,平臺(tái)尺寸長(zhǎng)寬為10.4 m×16.4 m,控制室平臺(tái)以下凈斷面尺寸長(zhǎng)寬為8.8 m×14.8 m,除樓梯通道外,為封閉箱形柱梁板結(jié)構(gòu),側(cè)墻厚度均為0.8 m。為減少頂板跨徑設(shè)3 根60 cm×60 cm 中柱,頂板為梁板結(jié)構(gòu),其中板厚0.15 m,梁斷面尺寸高寬為0.45 m×0.3 m。水泵室底板厚度1 m,底板面積10.4 m×16.4 m。水泵室內(nèi)布置集水井,井底高程比水泵室底板高程低1 m,集水井尺寸1.0 m×1.0 m?？刂破脚_(tái)171.55 m高程以上為控制室,采用單層磚砼結(jié)構(gòu),建筑面積 118.28 m2。

2.2.4 上游連接段設(shè)計(jì)

橡膠壩上游翼墻段長(zhǎng)43 m,直線段長(zhǎng)25 m,圓弧段長(zhǎng)18 m。翼墻高度為4.5 m,墻踵、墻址臺(tái)階寬0.5 m,深1 m,總高度為5.5 m。采用C25 混凝土重力式擋土墻,頂寬0.6 m,底寬 3.4 m,迎水側(cè)鉛直,背水坡坡比1∶0.4。圓弧式翼墻圓弧內(nèi)半徑18 m,圓心角90°?；A(chǔ)下設(shè)30cm厚 C20 砼護(hù)腳,護(hù)腳與基礎(chǔ)接觸部位設(shè)止水。護(hù)腳下設(shè)齒墻,深入粘土巖0.5 m。翼墻設(shè)伸縮縫,縫寬2 cm,縫內(nèi)651 橡膠止水,采用聚乙烯閉孔低發(fā)泡膜板填縫。擋墻頂部設(shè)仿木欄桿。

3 結(jié)語(yǔ)

擋水建筑物的設(shè)計(jì)需要依據(jù)河道的具體的情況而定,包括但不限于：地形、地質(zhì)、經(jīng)驗(yàn)。洛河西段治理渠首工程的建成,離不開洛河流域上已經(jīng)修建而成且運(yùn)行成功的水面工程的寶貴經(jīng)驗(yàn)。修建洛河西段治理渠首工程,對(duì)于洛陽(yáng)市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重大意義,并且給類似的水面工程提供了成功的借鑒經(jīng)驗(yàn)。