牛欄江引水工程盤龍江入口段瀑布堰體設計

鄭小芳 桂 重 李忠洪

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

·水利工程·

牛欄江引水工程盤龍江入口段瀑布堰體設計

鄭小芳 桂 重 李忠洪

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

以牛欄江引水工程盤龍江入口段防洪工程為例，介紹了該工程瀑布堰體的設計方案，著重對瀑布堰體的穩定性、應力及沉降變形進行了計算分析，計算結果表明：南段直坎段和北段三跌坎段瀑布在各荷載組合工況下，均能滿足抗滑移、抗傾覆穩定性要求。

瀑布堰體，穩定，應力，計算，沉降

1 工程概況

牛欄江引水工程盤龍江入口段防洪工程位于昆明市盤龍區北部山水新城核心區，該片區的規劃主要依托牛欄江—滇池補水工程的引水，方能匹配其山水新城中“水”。

與此同時，牛欄江—滇池補水工程兼顧作為城市備用水源和應急水源功能的要求，輸水線路末端的控制性高程——大五山隧洞出口底板高程為EL.1 912 m，比盤龍江底高10 m，利用該豐富而獨有的水力資源打造昆明市獨一無二的瀑布、濕地景觀，可以更加凸顯山水新城的“水之靈動”，提升盤龍區山水新城、盤龍江乃至昆明城市形象，大大促進地區經濟的快速發展，打造盤龍區對外形象的一張新名片。項目建成后將與盤龍區園博園相互輝映，形成盤龍區北部、盤龍江沿岸新景觀。

2 瀑布堰體設計

瀑布堰體三維模型見圖1。

瀑布堰體直線幅寬300 m，展開面總長400 m，過水段長度340 m。根據景觀規劃設計及水力計算結果，瀑布總體分為北段、南段兩段進行結構設計。北段瀑布展開面長度225 m，過水堰頂長度約190 m，南段瀑布展開面長度175 m，過水堰頂長度約150 m，瀑布落差為12.5 m。

北段瀑布堰體采用重力式寬頂堰，堰頂平均高程1 914.94 m，堰頂水頭初估0.06 m，堰頂寬度3 m。堰面上游側鉛直，下游側折算坡比1∶0.85，內部為埋石混凝土結構，外部采用鋪砌天然石造景。下游砌石采用三臺疊水，臺寬按水力學三維計算成果設置為2 m～5 m，臺高4 m，可根據景觀要求靈活建筑，力求體現自然景觀。

南段瀑布堰體采用重力式寬頂堰，堰頂平均高程1 914.90 m，堰頂水頭初估0.1 m，堰頂寬度3 m。重力式單臺堰高13.9 m，下游面鉛直，上游坡比1∶0.85，堰體采用埋石混凝土結構，外立面采用人工天然石砌貼。重力式寬頂堰底部設置擴大式底板，以均布堰體應力，增加堰體整體穩定。底板寬出堰體上、下游各3 m。

北段瀑布堰頂平均高程比南段瀑布堰頂平均高程高0.04 m，經水力學計算成果分析，當來流量小于6.3 m3/s時，分流后北段瀑布也能保證有貼壁水流，大部分流量將集中自南段瀑布傾瀉，保證南段直跌瀑布景觀。

南直段三維模型見圖2，北跌坎段三維模型見圖3。

3 瀑布堰體穩定、應力及沉降計算

3.1 瀑布堰體穩定與應力計算

根據相應場地地質條件對北、南段瀑布堰體進行抗滑穩定及應力分析，堰體穩定計算各荷載組合分成基本組合和特殊組合，按表1進行采用。

表1 堰體荷載組合工況

根據SL 379-2007水工擋土墻設計規范重力式擋墻抗滑穩定、抗傾覆穩定及基底應力相關公式進行計算，計算成果見表2。

表2 計算成果匯總表

3.2 深層抗滑穩定驗算

根據目前已經完成的地勘成果，瀑布堰體基底以下土層分布如表3所示。

表3 瀑布堰體基底以下土層分布

南段地基僅在上部2 m深度范圍內存在軟弱夾層，可采用換填法或強夯擠於法進行處理，不存在軟弱下臥層穩定問題；而北段在基底下5.8 m～11.2 m范圍存在軟弱夾層，按照規范要求，需進行深層抗滑穩定性驗算。基底以下各土層物理力學指標見表4。

表4 瀑布堰體基底以下土層物理力學指標

根據經驗，⑥層卵石土綜合內摩擦角取39°，⑦層圓礫綜合內摩擦角取35°，粘聚力均為0。計算考慮地震作用，基底超載按照特殊工況下基底應力添加，計算簡圖見圖4。

計算方法為圓弧滑動法。根據計算結果，滑面最低點位于基底以下7.7 m處，即穿過⑦1層淤泥質粘土，最小安全系數Fs=1.91，表明不存在深層抗滑穩定安全問題。

北段三跌坎瀑布深層抗滑穩定計算結果圖見圖5。

3.3 瀑布堰體沉降變形計算

根據目前已經完成的地勘成果，瀑布堰體基底以下土層分布見表4。

根據規范，土質地基擋墻最終沉降量計算公式如下：

式中：n——地基壓縮層計算深度范圍內的土層數；e1i——基底以下第i層土在平均自重應力下，由壓縮曲線查得的響應孔隙比；

e2i——基底以下第i層土在平均自重應力加附加應力作用下，由壓縮曲線查得的響應孔隙比；

hi——基底以下第i層的厚度；

ms——地基沉降量修正系數。

根據規范要求，最終沉降量不宜超過150 mm，相鄰部位最大沉降差不宜超過50 mm。計算深度，按照計算層面處附加應力與自重應力之比為0.15控制。

根據第三節堰體基底壓力計算結果，南段直坎段堰底平均壓力相對比較大，σm=217.5 kPa，因此沉降計算時以南段直坎段為準。

基底處自重應力σcz=140 kPa，則附加壓力Pz=77.5 kPa，求得計算深度為20 m處附加應力σz=43 kPa，自重應力為σcz=298 kPa，σz/σcz=0.14，滿足計算深度要求。

因圓礫和卵石土層沒有壓縮試驗資料，因此采用下式進行近似估算：

式中：σ——基底以下計算土層平均應力，σ=130 kPa；E——平均壓縮模量，取E=20 MPa。

則可求得S=13 cm，基本滿足要求。

4 結語

1)根據堰體穩定性和結構應力計算結果，南段直坎段和北段三跌坎段瀑布在各荷載組合工況下，均能滿足抗滑移、抗傾覆穩定性要求，地基應力和結構截面應力均低于允許值，瀑布堰體體型、結構尺寸和材料是合適的。

2)為滿足穩定性要求，地基土應滿足以下要求：壓實后修正承載力應不低于300 kPa，持力層范圍內平均壓縮模量達到20 MPa。

3)瀑布地基基本為圓礫土層，淺層局部存在軟弱土層，應進行處理，以滿足承載力要求。

瀑布堰體為本工程的核心所在，堰體為大型重力式擋墻結構，堰體設計的成敗關乎整個工程及昆明市北部山水新城的形象面貌(見圖6)。目前瀑布堰體工程已經完工將近一年，觀測資料顯示，一年多時間里瀑布堰體累計沉降9 mm，滿足規范要求。

[1] SL 379-2007，水工擋土墻設計規范[S].

[2] 徐建新,劉英利,劉顏江.重力式擋土墻在高邊坡治理中的應用[A].第十二屆全國結構工程學術會議論文集(第Ⅱ冊)[C].2003.

[3] 王俊奇.重力式擋土墻的可靠度優化設計[A].第七屆全國結構工程學術會議論文集(第Ⅰ卷)[C].1998.

[4] 鄭旻晟,陳 燃,張季超.水泥攪拌樁重力式擋土墻在基坑支護中的應用[A].第16屆全國結構工程學術會議論文集(第Ⅱ冊)[C].2007.

ThewaterfallweirdesigninPanlongriverentrancesectionofCowshedriverwaterdiversionproject

ZHENGXiao-fangGUIZhongLIZhong-hong

(KunmingSurveyDesignResearchInstituteCo.,Ltd,ChineseElectricPowerConstructionGroup,Kunming650051,China)

Taking the flood control project in Panlong river entrance section of Cowshed river water diversion project as an example, this paper introduced the design scheme of the project waterfall weir, emphatically calculated and analyzed the stability, stress and sedimentary deformation of waterfall weir, the calculation results showed that: the southern section straight ridge segment and north three drop ridge segment waterfall weir in various load combination condition, could meet the requirements of anti slip and anti overturning stability.

waterfall weir, stability, stress, calculation, settlement

1009-6825(2014)33-0217-03

2014-09-14

鄭小芳(1982- )，男，工程師

TV551.3

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