河道型水庫工程護坡設計研究

許尚偉和桂玲

（山東省水利勘測設計院 山東濟南 250013）

1 樞紐概況

1.1 工程概況

劉家道口樞紐工程是沂沭泗洪水東調南下工程實現50年一遇建設標準的主要工程，是實施沂沭河洪水東調入海，騰空駱馬湖庫容接納南四湖洪水的關鍵工程，也是目前國內設計流量最大的平原水閘。

劉家道口樞紐的主要任務是調控、攔蓄沂河上游來水，在大官莊樞紐工程的配合下，使沂沭河中上游洪水的 60%～80%經新沭河東調入海，較大程度騰出駱馬湖的防洪庫容以提高接納南四湖洪水的能力，同時兼有蓄水、灌溉、排沙、交通等綜合效益。

劉家道口節制閘軸線位于分沂入沭河口右岸裹頭以下約200m，閘軸線垂直沂河兩岸大堤。型式采用開敞式鋼筋混凝土小底板結構，主要由閘上翼墻、鋪蓋、閘室和閘下消力池、護坦、海漫、防沖槽、兩岸翼墻以及閘下兩岸護坡、閘上左岸裹頭護坡、彭家道口閘上左岸護坡等組成。

劉家道口節制閘設計蓄水位近期59.5m，遠期60.00m，遠期蓄水總庫容2680萬m3。底板頂高程52.36m，閘門下設低堰高0.5m，堰頂高程52.86m。閘室單孔凈寬16.0m，共36孔，總凈寬576.0m。閘門采用16m×8.5m（寬×高）弧形鋼質閘門并配備液壓啟閉機。閘上設交通橋。

1.2 水文氣象條件

沂河屬淮河流域，發源于沂蒙山區的魯山南麓，全長333km。劉家道口以上流域面積10438km2，年平均降雨807mm左右，降水量年內分配很不均勻，6～8月份雨量占年雨量的60%～80%；12～2月雨量最少，僅占年雨量的10%左右，春秋兩季各占年雨量的15%左右。根據臨沂氣象站1985～1989年實測資料統計，多年平均氣溫l3.2℃，月平均氣溫7月份最高為26℃，極端最高氣溫42℃，極端最低氣溫-24.9℃。無霜期180～195天，凍土深一般為0.30m，最大凍土深為0.40m，多年平均最大風速14m/s。據臨沂市氣象站1985～2007年共22年實測資料統計，最低氣溫1月份，月平均氣溫-1.7℃。

1.3 工程規模及洪水標準

（1）劉家道口樞紐工程等別為Ι等，工程規模為大（1）型。劉家道口節制閘建筑物級別為1 級，沂河堤防建筑物級別為2 級。

（2）劉家道口樞紐洪水標準為，50年一遇洪水設計，100年一遇洪水校核。當沂河出現50年一遇洪水，臨沂水文站流量16000m3/s 時，劉家道口節制閘設計流量12000m3/s，相應閘上水位61.14m，閘下水位60.96m，此時彭家道口分洪閘分洪流量4000m3/s。當沂河出現100年一遇洪水，臨沂水文站流量19000m3/s 時，劉家道口節制閘流量14000m3/s，相應閘上水位61.76m，閘下水位 61.55m，此時彭家道口分洪閘分洪流量5000m3/s。

（3）閘前設計蓄水位，近期59.5m，遠期60.0m。

（4）樞紐控制運用最高擋水位為61.06m。

2 設計研究范圍

（1）劉家道口節制閘左岸閘間裹頭護坡。劉家道口節制閘和彭家道口閘閘間裹頭全部拆除重建，長共325m。堤內邊坡1∶3 漸變至1∶2。護砌頂高程62.5～63.56m，內坡腳高程52.36～53.50m。

（2）彭道口閘上游左岸護坡。彭家道口閘上游左岸舊砌石護坡拆除重新護砌，長共869.70m。

（3）劉家道口節制閘下游左右岸護坡。劉家道口節制閘下游護坡左岸長 297.5m，右岸長352.2m。

3 設計指標

3.1 設計標準

（1）按蓄水建筑物確定設計標準。劉家道口節制閘閘前總庫容為2680萬m3，屬于中型水庫，根據SL252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，確定為Ⅲ等工程，堤防建筑物級別為3級。

（2）按堤防工程確定設計標準。根據GB50286—98《堤防工程設計規范》，沂河防洪標準為50年一遇設計，堤防建筑物級別為2級。

（3）混凝土抗凍標號按SL191—2008《水工混凝土結構設計規范》確定。因臨沂市多年來最低氣溫為1月份，月平均氣溫-1.7℃，屬暖和氣溫區，混凝土抗凍標號不低于F50。

護坡設計應同時滿足以上規范的技術要求。

3.2 主要設計指標

樞紐控制運用最高擋水位為61.06m，閘前為遠期設計蓄水位60.0m，閘前50年一遇洪水位為61.14m。河底高程：53.50m。

4 護坡設計計算過程

采用劉家道口樞紐正常運行工況，非汛期正常蓄水位60.0m和汛期50年一遇洪水位61.14m作為計算條件。

4.1 方案比選

從施工進度、工藝和質量上考慮，塊石護坡由于受當地塊石材料產量的限制，難以滿足工程建設進度的需要，且材料質量低，施工難度大。而混凝土預制塊制作工藝先進，砌筑方便，能加滿足工程建設進度的需要，質量能達到規范要求，安全可靠。從投資考慮，混凝土預制塊護坡單位平方米造價略高于漿砌石護坡。從管理考慮，混凝土預制塊護坡美觀大方，便于管理。

經綜合比較，選擇混凝土預制塊護坡。

4.2 波高和平均波長計算

按照SL274—2001《碾壓式土石壩設計規范》和GB50286—98《堤防工程設計規范》的規定，波高和平均波長計算公式如下：

式中：hm為平均波高，m；Lm為平均波長，m；Tm為平均波周期，s，平均波周期Tm=4.438hm0.5；D為風區長度，m；W為計算風速，m/s，取多年平均最大風速的1.5倍；Hm為水域平均深度；g為重力加速度，取9.81m/s2。

劉家道口閘上裹頭、彭家道口閘上游左岸及劉家道口閘下游護坡波高計算成果見表1。

4.3 混凝土護坡面板厚度計算

由波浪壓力大小及波浪等要素確定護坡塊尺寸與護坡厚度。

（1）按SL274—2001《碾壓式土石壩設計規范》計算公式如下：

式中：η為系數，取1.0；hp為累積頻率為1%的波高，m；b為沿壩坡向板長，0.52m；ρc為板的密度，取ρc＝2.40t/m3；m為單坡的坡度系數。

壩坡向板長按0.52m 計，劉家道口閘上游左岸裹頭、彭家道口閘上游左岸護坡、劉家道口閘下游護坡計算結果見表2。

表1 波高計算成果表

表2 護坡計算結果

（2）按GB50286—98《堤防工程設計規范》計算公式如下：

式中：t為混凝土護面厚度（m）；η為系數，取0.075；H為累積頻率為1%的波高，m；rb為混凝土板的重度，取ρc＝24kN/m3；B為沿斜坡方向（垂直于水邊線）的護面板長度，m；m為斜坡坡率。

劉家道口閘上游左岸裹頭護坡、彭家道口閘上游左岸護坡、劉家道口閘下游護坡計算結果見表3。

表3 護坡計算結果

4.4 混凝土護坡面板厚度確定

按照同時滿足《堤防工程設計規范》和《碾壓式土石壩設計規范》技術要求的原則，根據以上計算成果，劉家道口閘上游左岸裹頭護坡厚度取0.20m，彭家道口閘上游左岸和劉家道口閘下游護坡厚度取0.12m。

4.5 護坡設計

（1）劉家道口閘上游左岸裹頭段，自劉家道口節制閘至彭家道口閘上臺階長約325m，采用聯鎖式C25 混凝土塊護坡，厚度0.20m，平面尺寸0.52m×0.38m。為防止堤坡風浪淘刷破壞和凍脹破壞，自上而下設粒徑5～20mm 碎石墊層，厚0.15m，中粗砂厚0.15m。堤內邊坡1∶3 漸變至1∶2。護砌頂高程 62.5～63.56m，內坡腳高程53.26～53.50m。為防止淘沖坡腳，坡腳設 M10漿砌石齒墻，深1.5m，寬1.0m。

（2）彭家道口閘上游左岸段，自彭家道口閘上臺階以上，將舊砌石護坡拆除重新護砌，長730m。堤內邊坡為1∶2，護坡采用聯鎖式C25 混凝土塊，厚度0.12m，平面尺寸0.52m×0.38m。為防止堤坡風浪淘刷破壞和凍脹破壞，自上而下設粒徑5～20mm 碎石墊層，厚0.15m，中粗砂厚0.15m。護砌頂高程根據實際地形定為，61.50～63.00m。內坡腳高程53.50m，坡腳設M10 漿砌石齒墻，深1.0m，寬0.8m。

（3）劉家道口節制閘下游護坡左岸長297.5m，右岸長352.2m，護坡采用聯鎖式C25混凝土塊，厚度0.12m，平面尺寸0.52m×0.38m。下設粒徑5～20mm 碎石墊層，厚度0.20m。堤內邊 坡 1∶3，護 砌 頂 高 程 63.36m，內 坡 腳 高 程52.36m，坡腳設M10 漿砌石齒墻，深1.0m，寬0.8m。

（4）混凝土格梁。為保證混凝土塊護坡穩定安全，以上3 部分護坡均設置C20 現澆混凝土格梁，順大堤長度每20m 設1 道順坡向橫梁，在高程58.50m 與堤頂處各設1 道水平向縱梁，梁尺寸均為寬0.3m，深0.5m。

5 結論

(1)本文提出了針對河道型水庫護坡的新的設計方法，并應用于劉家道口樞紐上、下游堤防護坡設計。該樞紐工程建成運行六年，護坡質量良好。驗證了該設計方法的正確性。

(2)混凝土預制塊護坡在水利設計規范中尚未明確計算方法，本文提出了一種新的護坡計算方法。為目前南水北調山東段大力推廣預制塊混凝土護坡提供了設計方法和經驗。

(3)混凝土預制塊護坡施工方便，可采用工廠化生產，施工現場安裝，降低了施工人工費和工期。

(4)采用混凝土預制塊護坡，使樞紐整體美觀整潔，成為一道美麗的風景線。

1 SL274—2001 碾壓式土石壩設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，

2 GB50286—98 堤防工程設計規范[S].北京：中國計劃出版社.

3 SL191—2008 水工混凝土結構設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，