南三河水利工程中攔水壩建設(shè)方案探析

劉增淳

（惠州市碧水工程項目管理有限公司,廣東 惠州 516000）

0 引言

惠州市金山新城水環(huán)境綜合整治項目位于惠州市惠城區(qū)。項目區(qū)域位于惠州市主中心和南北發(fā)展主軸的戰(zhàn)略疊加區(qū),以城市重大服務(wù)設(shè)施、門戶樞紐和創(chuàng)新平臺等為主要功能,是惠城區(qū)乃至惠州今后城市發(fā)展的關(guān)鍵板塊。同時,該區(qū)域水系發(fā)達(dá),河流成網(wǎng),主要擁有金山湖、金山河、河橋水、蓮塘布河、冷水坑河及其周邊區(qū)域,是惠州市“半城山色半城湖”城市形象的典型區(qū)域。目前,蓮塘布河、冷水坑河、河橋水、金山河及金山湖區(qū)均存在不同程度黑臭現(xiàn)象,加上水體往復(fù)交換頻繁,“交叉感染”現(xiàn)象突出,呈現(xiàn)出水體污染聚集效應(yīng),河涌主體基本均為劣Ⅴ類水體。同時,區(qū)域內(nèi)河涌生態(tài)環(huán)境退化,河道環(huán)境、健康及安全受到極大威脅,濱水區(qū)吸引力受到嚴(yán)重影響。因此,南三河水環(huán)境綜合整治刻不容緩,本文以南三河中冷水湖堤壩工程為例,深入分析研究了其施工要點及技術(shù)。

1 工程概況

惠州市金山新城水環(huán)境綜合整治項目位于惠州市惠城區(qū),項目整治范圍為金山新城區(qū)域,即北至三環(huán)南路、西枝江、惠州大道馬安段,西至紅花峰自然山體,東側(cè)與南側(cè)至惠城區(qū)行政界線,規(guī)劃總面積約118.29 km2。項目近期重點治理范圍是金山湖流域,主要包括一湖四河：金山湖、金山河、河橋水、蓮塘布河、冷水坑河及周邊區(qū)域。本文主要以冷水湖為例,冷水湖位于惠州市惠城區(qū)冷水坑河上游河南岸辦事處西北方向的采石坑處,由上、下兩個調(diào)蓄湖泊構(gòu)成。冷水湖壩址以上流域三面環(huán)山,周界高程一般50 m～200 m,地勢大致西南高東北低,河道比降大,水流湍急。綜上,冷水湖規(guī)劃條件下流域范圍基本不變。

2 攔水壩建設(shè)方案分析

2.1 工程選址及選線

冷水湖位于惠州市惠城區(qū)河南岸辦事處惠南大道以西、在建四環(huán)南路南側(cè),為已有廢棄花崗巖采石場和兩處山坪塘組成?，F(xiàn)狀擋水建筑物主要為下湖北側(cè)的土石壩及下湖湖區(qū)間的湖堤,經(jīng)現(xiàn)場踏勘及水文計算復(fù)核,兩處擋水建筑物均滿足防洪要求,現(xiàn)狀良好,無滲漏、滑坡等安全隱患。采石坑原為惠州市惠城區(qū)勝利石場,設(shè)立于2000年9月,于2009年6月到期后因四環(huán)南路建設(shè)需要關(guān)停,經(jīng)現(xiàn)場查勘,現(xiàn)狀采石坑無滑坡、失穩(wěn)等安全隱患。具體情況見圖1。

圖1 監(jiān)測點平面布置圖

上湖及下湖間布置連通管,兼顧泄洪、下游補水功能,來水時下泄,設(shè)計最大下泄流量3.63 m3/s；下湖A 區(qū)和B 區(qū)保留原有土埂,新建過路箱涵；下湖擋水壩現(xiàn)狀良好,無滲流穩(wěn)定問題,保留現(xiàn)狀,后期結(jié)合景觀方案進(jìn)行改造,原有泄水建筑位于壩體右岸,為1 m 管涵,不滿于整治后泄流要求,對其進(jìn)行封堵,依據(jù)片區(qū)規(guī)劃,在擋水壩左岸布置溢洪道,堰頂高程為26.50 m,洪水期間為敞泄,最大泄流量為22.20 m3/s；且在左岸布置輸水管,僅下游補水或湖區(qū)放空時使用。冷水湖湖區(qū)特征水位見表1。

表1 冷水湖特征水位表

2.2 上湖與下湖連通方案比選

上湖至下湖最大泄流量為3.63 m3/s（p=0.33%）,下游最大生態(tài)補水流量為1.88 m3/s 。主要采用溢洪道+連通管方案（可研階段方案）和連通管方案（兼顧泄洪和放水功能）進(jìn)行比選。

（1）方案一：開敞式溢洪道+連通管

上湖溢洪道布置在冷水湖上湖西北側(cè)地勢較低處,采用開敞式溢洪道,凈寬3.0 m,堰頂高程31.50 m,與冷水湖正常蓄水位一致。溢洪道由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段、消力池等組成。設(shè)計過流量為3.6 m3/s。連通道將上湖水引至下湖,連通道前設(shè)置取水口,布置一個檢修閘門,連通道采用DN800鋼管,管道長135 m。方案一示意圖見圖2。

圖2 方案一 開敞式溢洪道+連通管

（2）方案二：連通管（兼顧泄洪和放水功能）

采用管道將上湖水下放至下湖（泄洪兼放水）,管道采用DN1200 鋼管,管道長115 m。進(jìn)口高程28.50 m,進(jìn)口設(shè)置檢修閘門,出口采用蝶閥控制。方案二示意圖見圖3。

圖3 方案二——連通管方案平面圖

（3）方案比選

通過計算方案一和方案二的石方開挖、土方開挖、土石填筑以及工程耗材,可以得到方案一需花費340.52 萬元,方案二需花費270.0 萬元。經(jīng)方案比選,方案一投資較高,由于上湖集雨面積較小,最大下泄流量較小,并結(jié)合景觀方案,從投資、與景觀結(jié)合等因素考慮,推薦采用方案二——連通管方案。

2.3 現(xiàn)有地形高程復(fù)核

（1）冷水湖上湖

由于冷水湖上湖利用天然采石坑形成,不新建擋水建筑物,湖周最低高程約為33.25 m,需復(fù)核是否滿足壩頂高程要求。壩頂頂高程等于湖區(qū)靜水位加壩頂超高。壩頂超高采用下式計算：

式中：y 為壩頂超高,m；R 為最大波浪在壩坡上的爬高,m；e 為最大風(fēng)壅水面高度,m；A 為安全加高。

波浪平均波高和平均波周期采用莆田實驗站公式計算：

式中：hm為平均波高,m；Tm為平均波周期,s；W 為計算風(fēng)速,m/s；D 為風(fēng)區(qū)長度,m；Hm為水域平均水深,m；g 為重力加速度,取9.81 m/s2；Lm為平均波長,m；H 為壩迎水面前水深,m。

風(fēng)雍水面高度計算：

式中：K 為綜合摩阻系數(shù),采用K= 3.6×10-6；β為風(fēng)向與壩軸線法線的夾角β= 0°,cos 0°=1；按多年平均最大風(fēng)速計算時,設(shè)計：e=0.004 m；校核：e=0.002 m。

壩頂超高采用以上公式計算,各種運行工況壩頂高程計算成果見表2。

表2 冷水湖上湖壩頂高程計算表

壩頂高程由正常運用工況控制,為32.85 m。現(xiàn)狀湖周最低高程約為33.25 m,高于計算壩頂高程,因此現(xiàn)狀地形滿足要求。

（2）冷水湖下湖

由于冷水湖下湖為現(xiàn)狀山坪塘改造而成,現(xiàn)狀擋水建筑物位于下湖北側(cè),壩頂高程最低為32.50 m,需復(fù)核是否滿足壩頂高程要求。參照上述計算公式,下湖擋水壩壩頂高程計算成果見表3。

表3 冷水湖下湖壩頂高程計算表

2.4 連通管、輸水管、過路涵設(shè)計

（1）連通管設(shè)計

根據(jù)冷水坑河道需水及水源總體調(diào)度需求,在冷水坑上湖西北側(cè)地勢相對較低處,開設(shè)一個取水口,將冷水坑上湖的水源下泄至冷水湖下湖中進(jìn)而對冷水坑河道進(jìn)行補水。根據(jù)現(xiàn)場地形及供、排水高程要求,擬定冷水湖上湖正常蓄水位31.50 m,上湖死水位28.50 m。下湖正常蓄水位26.50 m,死水位25.00 m。連通管將冷水坑上湖水引水至冷水湖下湖,連通管道前設(shè)置取水口,進(jìn)口底板高程28.5 m,布置一個檢修閘門,連通管道采用DN1200 鋼管,總長141 m,管道長115 m。

（2）輸水管設(shè)計

輸水管將下湖水下放至冷水坑河道中,輸水管前設(shè)置取水口,輸水管入口底高程為25.0 m,布置一個檢修閘門,引水管道采用DN1000 鋼管,管道長86.98 m。

（3）過路涵設(shè)計

在原有下湖村道中間設(shè)一排水箱涵。將下湖B 區(qū)與A區(qū)貫通,箱涵長度6 m,進(jìn)口及出口銜接段長5.7 m,底板高程26.50 m,兩孔,單孔凈空3.0 m×1.5 m。

2.5 主要建筑物設(shè)計計算

（1）沖刷深度計算

沖刷計算洪水標(biāo)準(zhǔn)。河橋水設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇（P=5%）,工程等別確定為Ⅲ等,其主要建筑物級別為3 級,次要建筑物為4 級,臨時性建筑物為5 級。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286-2013）,順壩及平順護(hù)岸沖刷深度可按下列公式計算：

式中：Ucp為近岸垂線平均流速,m/s；U 為行近流速,m/s；η為水流流速不均勻系數(shù),根據(jù)水流流向與岸坡交角α,；hs 為局部沖刷深度（m）；H0為沖刷處水流水深,m；n 為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān),取n=1/4～1/6,本次計算取n=0.20；Uc為泥沙起動流速,m/s,本工程基本處于素填土與粉質(zhì)黏土河床上,根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）可采用張瑞瑾公式：

式中：d50為床沙的中值粒徑,m；γs、γ分別為泥沙與水的容重，kN/m3。

河橋水干流堤岸沖刷深度計算結(jié)果見表4,河道發(fā)生設(shè)計洪水時,堤岸沖刷深度約為0.93 m,故采用格賓石籠+干砌石護(hù)腳,防治沖刷對堤防的不利影響。

表4 護(hù)岸沖刷深度計算成果表

（2）河道岸坡穩(wěn)定性計算

根據(jù)河橋水?dāng)嗝嫖恢?、岸坡高?選取代表斷面支0+218.70 右岸進(jìn)行計算。見圖4。

圖4 典型計算斷面

針對各計算工況選取的最危險典型斷面進(jìn)行計算,計算方法采用簡化Bishop 法,計算軟件采用Geostudio2012 進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算和分析。采用極限平衡方法計算的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)表

綜合考慮,本次計算工況如下：工況一：臨水側(cè)為20年一遇設(shè)計洪水位,背水側(cè)無水的穩(wěn)定滲流及臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定；工況二：河道水位從設(shè)計洪水位降落至常水位時的非穩(wěn)定滲流和臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定；工況三：施工期臨水側(cè)、背水側(cè)堤坡穩(wěn)定。

如表6所示,經(jīng)過計算,河橋水水上游段岸坡穩(wěn)定性滿足要求。

表6 河橋水岸坡穩(wěn)定計算成果表

3 結(jié)語

通過對南三河水利工程中攔水壩建設(shè)方案分析,防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為20年～30年一遇,校核標(biāo)準(zhǔn)為200年～300年一遇。本次冷水湖水庫工程擋水建筑物擋水高度小于15m,上下游水頭差小于10m。項目建成后,可滿足片區(qū)詳細(xì)控制性規(guī)劃要求的水域面積,同時符合惠州建設(shè)綠色化現(xiàn)代山水城市的理念。并且,在一定時間內(nèi)維持河道所需的生態(tài)環(huán)境需水量,改善水質(zhì)、滿足生態(tài)環(huán)境補水需求。