淺析農(nóng)村灌區(qū)新壩的建設(shè)和設(shè)計(jì)方案

雷 鳴

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司安徽分公司,安徽 合肥 230000）

霍山縣灌區(qū)主干渠為淠源渠,下符橋灌區(qū)內(nèi)淠源渠段長7.3 km,但由于渠道沿線較長,淠源渠沿途取用水戶較多,上游取用水量較大,灌溉用水至下符橋灌區(qū),已不能滿足現(xiàn)狀灌溉需求。為保障灌區(qū)灌溉用水,需新建擋水壩提高水位,達(dá)到灌溉下符橋灌區(qū)的目的,故本文對(duì)新建擋水壩進(jìn)行分析。

1 壩址比選

擬定壩址位置為3 處,見圖1。壩址一：圣王路公路橋上游250 m 處；壩址二：圣王路公路橋下游400 m 處；壩址三：陳山塘圩區(qū)以下300 m。如壩址選擇在陳山塘圩區(qū)以下（壩址三）,則會(huì)影響現(xiàn)狀陳山塘圩區(qū)的排澇體系；考慮為最大限度地形成下符橋鎮(zhèn)的水面,若閘址選擇在圣王路公路橋上游（壩址一）,將減少現(xiàn)狀攔蓄水面面積,影響鎮(zhèn)上水生態(tài)的范圍及效果。為利于總體平面布置使水流銜接平順,且不影響現(xiàn)有高壓線路,并兼顧施工要求,壩址確定在該段高壓線塔以下的順直河段,距離圣王路公路橋下游約400 m 處（壩址二）。

圖1 擬定壩址位置圖

2 壩型、壩軸線選擇

（1）壩型選擇

1）橡膠壩

橡膠壩具有壩高可調(diào)節(jié)、壩頂可溢流的特性；并可以根據(jù)需要,分成多個(gè)壩段,正常情況下通過壩頂溢流,洪水期則可使一段或多段塌壩,增大過流能力,滿足泄洪要求。橡膠壩塌壩時(shí),過流斷面達(dá)到最大,可滿足大流量泄洪的要求。壩袋若長期遭受飄浮物的摩擦,以及頻繁的脹塌作用,影響壩袋的使用壽命。

2）液壓升降壩

液壓升降壩是最近幾年發(fā)展推廣的新型壩型,力學(xué)結(jié)構(gòu)科學(xué)、不阻水、不怕泥砂淤積；不受漂浮物影響；放壩快速,不影響防洪安全；結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠,抗洪水沖擊能力強(qiáng)。它在充分考慮傳統(tǒng)的活動(dòng)壩型缺陷基礎(chǔ)上,保留了平板閘、橡膠壩、翻板閘三種壩型的基本優(yōu)點(diǎn)。

3）連桿液壓壩

連桿液壓壩的閘板下部與壩基由第一鉸接軸鉸接,閘板的背水面與壩基之間設(shè)置有第一、二兩個(gè)連桿,第一連桿的上端與閘板的背水面通過第二鉸接軸鉸接,第二連桿的下端與壩基通過第三鉸接軸鉸接連接,第一連桿的下端與第二連桿的上端通過第四鉸接軸鉸接,閘板的背水面還設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)閘板繞第一鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)的液壓缸,液壓缸的缸體與河床上的基礎(chǔ)鉸接,液壓缸的活塞桿的桿端與第一、二兩個(gè)連桿之間設(shè)置有連桿機(jī)構(gòu),液壓缸驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)第一、二兩個(gè)連桿之間的夾角為逐漸變大至兩桿體順直位置。液壓缸不需要一直持續(xù)地工作,支撐穩(wěn)定,使用壽命長。

連桿液壓壩造價(jià)約為2.0 萬/m2～3.0 萬/m2,橡膠壩投資在3.5 m 擋水高度時(shí)約為2.0 萬/m。本工程蓄水壩寬60 m,擋水高度3.5 m,連桿液壓壩投資約比橡膠壩投資貴210 萬元。雖然連桿液壓壩投資較高,但顯然對(duì)工程的運(yùn)行管理更為有利,較為可取。

綜合以上比較分析,連桿液壓壩雖投資較高,但其較橡膠壩具有可靠性高,運(yùn)用靈活、泄流能力大、運(yùn)行檢修條件好等優(yōu)點(diǎn)；因此,為滿足河道的防洪安全,提高本工程運(yùn)行的安全及可靠度,推薦采用連桿液壓壩壩型方案。

（2）壩軸線選擇

根據(jù)實(shí)測地形情況,經(jīng)過布置調(diào)整,為銜接液壓壩段上下游水流的平順,且壩兩側(cè)岸墻布置盡量相對(duì)河道位置左右對(duì)稱,使液壓壩段縱向軸線與河道中心線盡量吻合；同時(shí)為兼顧實(shí)現(xiàn)建壩后水景觀的最佳效果及陳山塘圩區(qū)排涵出口的位置,壩軸線選定在距離圣王路公路橋下游約400 m 處,壩軸線基本沿該處河道中心線垂直向布置。液壓壩段左右側(cè)岸墻及上游導(dǎo)水段、下游消力池段岸墻均按直線布置,導(dǎo)水段之前及消力池之后以直立漸變擋墻逐漸平順過渡與上、下游河道連接。

3 工程總體布置方案選擇

本工程連桿液壓壩主要建筑物由液壓壩及液壓泵房等組成。由于液壓壩油壓管路設(shè)計(jì)高程較低,基本接近河底高程,因此工程施工時(shí),管路開挖涉及的影響范圍較大；根據(jù)本階段壩址處的地質(zhì)勘察成果,河道兩岸的地質(zhì)條件相當(dāng)；綜合各相關(guān)條件,考慮堤外有較為開闊的平臺(tái)可利用,進(jìn)一步將液壓泵房分堤外及堤后兩種布置,分析比較液壓壩的總體布置形式。

方案一：將液壓泵房布置于右岸堤頂。該方案利用現(xiàn)狀堤頂較寬泵站管理房場地,故油壓管路無需穿堤,距壩較近；不僅油壓管路短,壩升降速度快；且施工期對(duì)環(huán)境的影響及破壞小,施工場地可不受限制,施工方便,既有利于施工組織設(shè)計(jì),亦可減少工程投資。

方案二：將液壓泵房布置于右岸堤后。該方案因油壓管路自壩底板引至泵房,需穿右岸堤防埋設(shè),不僅管路長,且施工期對(duì)右岸已經(jīng)治理的防護(hù)結(jié)構(gòu)破壞大；若施工場地受限,將加大施工難度,不利于施工組織設(shè)計(jì)；管路開挖復(fù)堤后并需恢復(fù)已經(jīng)治理后的原有的外觀,包括邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)、道路等,又將增大工程投資。

綜上比較,為最大限度地減少對(duì)既有工程的影響及破壞,避免工程重復(fù)投入,確定采用方案一,即將液壓泵房布置于堤外,泵房底板高程需高于20 年一遇洪水位。泵房尺寸為8.6 m×8.0 m（長×寬）。

4 連桿液壓壩設(shè)計(jì)

連桿液壓壩布置分為護(hù)底、鋪蓋、壩體、消力池和防沖槽,順?biāo)鞣较蜷L度為46.0 m,溢流凈寬60.0 m。

4.1 防滲排水布置

根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范,閘基防滲長度按下式計(jì)算：

式中：ΔH 為上下游水位差；C 為滲徑系數(shù),閘基為中風(fēng)化砂巖,取C=3；L 為閘基防滲長度。

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 防滲長度計(jì)算成果表

4.2 泄流能力計(jì)算

連桿液壓壩的泄流可分兩種狀態(tài),即放壩泄流及升壩擋水下的溢流。壩完全放平時(shí),可視作寬頂堰；升壩擋水時(shí),可視為薄壁堰。根據(jù)連桿液壓壩的一般運(yùn)用要求,在設(shè)計(jì)壩高下的壩頂溢流深度不宜太大,應(yīng)不超過0.5 m,以免引起壩面振動(dòng),影響壩使用壽命；超過一定的溢流水深,可通過放倒一扇或數(shù)扇閘門進(jìn)行泄流。

1）閉門擋水、門頂溢流

當(dāng)δ＜0.67H*時(shí)按薄壁堰流計(jì)算,流量公式為：

當(dāng)0.67H*＜δ＜2H*時(shí)按實(shí)用堰流計(jì)算,流量公式為：

式中：δ為門頂厚度,m,0.1 m；H*為上游水位與全關(guān)門頂?shù)母卟?m；Q 為過壩流量,m3/s；ε為側(cè)收縮系數(shù),取0.95；m0為薄壁堰流的流量系數(shù),根據(jù)計(jì)算約為0.41；m 為實(shí)用堰流的流量系數(shù)。

門頂厚度為0.1 m,上游水位與全關(guān)門頂?shù)母卟钊?.5 m,蓄水壩門頂溢流流量見表2。

表2 閘門全關(guān)流量計(jì)算成果表

2）閘門全開平臥時(shí)

按堰流公式計(jì)算,其流量系數(shù)與淹沒系數(shù)應(yīng)根據(jù)液壓壩的特點(diǎn)和實(shí)際工程的水力水文條件通過模型試驗(yàn)確定。流量公式為：

式中：Q 為過壩流量,m3/s；B0為溢流斷面寬度,泄洪時(shí)平臺(tái)過流,取平均寬度80 m；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰頂水頭,m；m 為流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù),取0.95；σ 為淹沒系數(shù)；hs為由堰頂算起的下游水深,m。

經(jīng)計(jì)算,堰上水頭計(jì)算結(jié)果見表3。

本試驗(yàn)過程中，小鼠各腸段腸黏膜SIgA呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化趨勢，前3周逐漸上升，但在第4周的時(shí)候出現(xiàn)了全群下降，之后又恢復(fù)上升趨勢，說明小鼠的免疫能力隨著年齡的增長逐漸發(fā)展和完善，第4周的全群變化可能與氣候突變導(dǎo)致應(yīng)激所致。

表3 全開平臥溢流流量計(jì)算成果表

4.3 消能防沖布置

按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）有關(guān)公式計(jì)算：

式中：d 為消力池深度,m；σ0為水躍淹沒系數(shù),1.05～1.1；hs'為出池河床水深,m；Δz 為出池落差,m。

式中：hc''為躍后水深,m；hc為收縮斷面水深,m；α為動(dòng)能校正系數(shù),1.0～1.05；q 為過閘單寬流量,m3/s/m；Lsj為消力池長度,m；Ls為消力池斜坡段投影長度,m；β為水躍長度校正系數(shù)；Lj為水躍長度,m。

消力池底板厚度：

式中：t 為消力池底板始端厚度,m；k1為消力池底板計(jì)算系數(shù),0.15～0.20；ΔH'為泄水時(shí)的上下游水位差,m；k2為消力池底板安全系數(shù),1.1～1.3；U 為作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力,kPa；W 為作用在消力池底板頂面的水重,kPa；Pm為作用在消力池底板上的脈動(dòng)壓力,kPa；γb為消力池底板的飽和重度,kN/m3。

經(jīng)計(jì)算,在遭遇設(shè)計(jì)洪水工況時(shí),躍后水深為5.05 m,下游水深6.75 m,產(chǎn)生淹沒式水躍,水躍長度22.72 m,無需建消力池,設(shè)計(jì)洪水時(shí)需海漫長度為27.33 m；在遭遇校核洪水工況時(shí),躍后水深為6.08 m,下游水深7.55 m,產(chǎn)生淹沒式水躍,水躍長度26.22 m,無需建消力池,設(shè)計(jì)洪水時(shí)需海漫長度為35.88 m。

結(jié)合壩下地形地質(zhì)條件,考慮消力池兼做海漫設(shè)計(jì),取水躍長度校正系數(shù)β=0.7,計(jì)算得消力池長度15.90 m。由于其下覆中砂夾礫石及砂礫夾卵石層可能存在砂土液化問題,故消力池深度設(shè)置至強(qiáng)風(fēng)化基巖,深為2.1 m,長度為16.0 m,底板厚度為0.5 m；鋼絲繩網(wǎng)兜塊石防沖槽深度設(shè)置至強(qiáng)風(fēng)化基巖,長10 m,深2.4 m,從而將防護(hù)長度范圍內(nèi)可能液化土層徹底清除。

4.4 穩(wěn)定計(jì)算

荷載計(jì)算（取垂直水流方向1.0 m 長）：底板自重、閘門自重、底板上水重、底板下?lián)P壓力、上下游水平水推力。地震工況計(jì)入水平方向7 度地震慣性力。

（1）壩基礎(chǔ)底板抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式：

式中：f 為底板底面與地基土之間的摩擦系數(shù),根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告,并參考《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）,取f=0.35；∑G 為作用于底板底面的全部豎向荷載,主要為底板自重、底板上水重及底板底面揚(yáng)壓力。

經(jīng)計(jì)算,壩體穩(wěn)定計(jì)算見表4。

表4 蓄水壩穩(wěn)定計(jì)算表

（2）底板基底應(yīng)力計(jì)算：

式中：A 為底板（單位長度）底面的面積；W 為底板底面的截面矩；∑M 為全部荷載對(duì)底板中心的力矩,即滿足地基承載力要求。

基底應(yīng)力計(jì)算成果見表5。

表5 基底應(yīng)力計(jì)算成果表

由以上計(jì)算成果可見,連桿液壓壩底板的平均基底壓力均小于地基容許承載力；基底壓力的最大值與最小值之比均小于規(guī)定的容許值,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)定的容許值。

5 結(jié)語

安徽省霍山縣下符橋新水壩的建設(shè)將提高水的利用率,節(jié)約水資源,提高灌溉保證率；保證灌區(qū)內(nèi)工業(yè)及居民生活用水,保障灌區(qū)農(nóng)作物增產(chǎn)、農(nóng)民增收；降低供水成本,減輕農(nóng)民用水負(fù)擔(dān)；結(jié)果可為灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供強(qiáng)有力的用水保障。