洛陽市洛河西段渠首工程擋水建筑物設計分析

徐雅雯

（洛陽市引黃工程綜合服務中心,河南 洛陽 471000）

1 工程概況

洛陽市洛河西段治理渠首工程位于金水堰電站引水渠進水閘下游 200 m（洛河樁號 247+038.01）,工程區河道基本順直,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。現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, 其主要建筑物級別為4 級。工程設計防洪標準采用20 年一遇設計,相應洪峰流量為4180 m3/s,校核洪水標準為100 年一遇,相應洪峰流量為 7240 m3/s。

2 擋水建筑物設計

2.1 地質分析

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

2.1.1 天然滲漏量估算

根據水庫邊界條件,壩段將產生繞壩滲漏,繞壩滲流線接近圓形,按下式計算壩段繞壩滲漏量：

式中：Q為側向滲漏量,m3/d；K為滲透系數,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 m3/d。

2.1.2 蓄水分析

在正常情況下,洛河多年日平均來水量約170 萬m3/d。在正常情況下日平均來水量扣除上游8 級水面最大滲漏量約 76.8 萬m3/d,渠首最大日滲漏量約0.655 萬m3/d,日來水量還余約92.7 萬m3/d, 為了減少庫區滲漏,限制地下水位過量升高,確保在來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了50 m的防滲。

2.2 渠首主建筑物設計

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。首選方案應是活動壩或閘。 洛河下游河道上,建有華林園、上陽宮、同樂園、洛神鋪、周山等水面工程,其攔河樞紐均采用橡膠壩,建成后運行情況良好；洛陽市在伊河、洛河上建有多座橡膠壩,所以建橡膠壩有成功經驗可供借鑒。

工程段洛河河床寬、汛期洪水大,含沙量也較大,無論是直升閘、翻板閘或浮體閘,一般都跨度有限,其啟閉操作運行都受到一定限制,對渲泄洪水都有一定影響,而橡膠壩具有蓄清排洪的特點,可根據上游洪水情況,靈活操作控制,塌壩行洪。所以經綜合分析比較,洛陽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。現狀金水堰電站引水渠渠首壩部分為砌石壩,破損嚴重,且長度約為100 m,其余壩體段為砂卵石臨時堆填的固定壩,抗沖能力差且阻水嚴重。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 橡膠壩設計

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）壩袋設計

①壩袋結構型式。采用堵頭枕式單袋雙錨固充水式壩袋。②內壓比。壩袋設計高度H為 3. 5 m,其內壓高度 Ho,由選定的內壓比a計算,參照《橡膠壩》,內壓比取 1.3,內壓高度由公式公式а=Ho/H1計算。經計算,橡膠壩內壓高度 Ho為 4.55 m。③壩袋有效周長及底墊片有效長度。按《橡膠壩技術規范》（SL 50979-2014）附錄B計算壩袋充水后形狀參數,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,其計算結果如下：壩高3.5 m壩袋有效周長Lo=S1+S=615+620=1235 cm；壩高3.5 m底墊片有效長度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。袋壁為薄膜結構,當充水到設計內壓高度時,主要產生環向（徑向）拉力,其計算按照上游水位平壩頂、下游無水時依據T=r（H0H1-H21/2）/2 公式計算,經計算壩袋拉力為 49 kN/m。⑤壩袋容積。根據壩高 H1及設計內壓比а,按《橡膠壩》一書查表計算,壩袋單寬容積VO=1.7204×3.52=21.07 m3/m。單壩袋容積為 1580.25 m3,壩袋總容積 7901.25 m3。⑥壩袋型號。選用專業廠家按部頒標準生產的氯丁合成橡膠錦綸帆布壩袋, 其型號為壩高 3.5 m采用JBD3.5-280280-2 型,壩袋膠布型號為J280280-2,經/緯強度為 448/448 kN/m,堵頭采用一布二膠,堵頭膠布型號為 J460400-1。⑦壩袋強度安全系數。根據壩袋膠布材料加工制成膠布時強度損失一般達 15%～25%左右,取20%計算安全系數。3.5 m壩高安全系數K=448×0.8/49=7.31＞6 符合規范規定。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）壩底板設計

壩底板采用 C25 鋼筋砼底板,上下游設齒墻。底板長度（順水流方向）為 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。底板預埋錨固螺栓,預埋充排水管路埋件,下游齒墻預留排水孔。底板設伸縮縫,縫寬2 cm,縫內設651 橡膠止水帶和聚乙烯閉孔泡沫板。底板與地基滑動磨擦系數取0.50。經抗滑穩定計算,當壩袋充水到設計壩高,壩頂溢流水深0.5 m時,抗滑穩定安全系數為 2.1,大于規范規定 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,順水流方向長度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48 cm厚種植土和12 cm厚C30 聯鎖磚。左右岸寬頂堰每隔7.7 m設一道伸縮縫,縫寬2 cm,縫內設651 橡膠止水帶和聚乙烯閉孔泡沫板。

（4）大口井設計

渠首工程供水水源采用大口井,左右岸各布置一個,位于橡膠壩上游,順水流方向距橡膠壩底板 10 m、垂直水流方向距兩擋墻迎水側 10 m 處。大口井外徑 7.3 m、內徑 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 10 cm 厚 C15 混凝土墊層。大口井內布置1個立柱,柱尺寸為0.6 m×0.6 m。井頂板為梁板結構,板厚0.2 m,梁高0.6 m、寬0.3 m。大口井頂板設進人孔,尺寸為0.6 m×0.6 m,其上設鋼蓋板。吸水管管道中心高程160.10 m。通氣管沿河底及岸坡埋設至高程170.65 m處,管道頂部設彎頭。為便于集水,大口井井壁上按梅花形布設PVC集水管,間距0.6 m,管徑80 mm,管長0.65 m,井壁外包反濾布（250 g/m2,厚 2.1 mm）,井壁外側 1m 范圍內回填反濾料。回填料采用直徑5 mm~25 mm級配砂卵石。

（5）放水底孔設計

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2 個放水底孔,孔徑1.0 m,采用插板閘門控制。放水底進 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 橡膠壩控制室設計

橡膠壩控制室段布置在左右岸迎水坡,控制室平臺171.55 m高程以下為倉儲室一層、倉儲室二層及水泵室層,水泵室底板高程為 159.1 m。控制室平臺高程 171.55 m,平臺尺寸長寬為10.4 m×16.4 m,控制室平臺以下凈斷面尺寸長寬為8.8 m×14.8 m,除樓梯通道外,為封閉箱形柱梁板結構,側墻厚度均為0.8 m。為減少頂板跨徑設3 根60 cm×60 cm 中柱,頂板為梁板結構,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。控制平臺171.55 m高程以上為控制室,采用單層磚砼結構,建筑面積 118.28 m2。

2.2.4 上游連接段設計

橡膠壩上游翼墻段長43 m,直線段長25 m,圓弧段長18 m。翼墻高度為4.5 m,墻踵、墻址臺階寬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,迎水側鉛直,背水坡坡比1∶0.4。圓弧式翼墻圓弧內半徑18 m,圓心角90°。基礎下設30cm厚 C20 砼護腳,護腳與基礎接觸部位設止水。護腳下設齒墻,深入粘土巖0.5 m。翼墻設伸縮縫,縫寬2 cm,縫內651 橡膠止水,采用聚乙烯閉孔低發泡膜板填縫。擋墻頂部設仿木欄桿。

3 結語

擋水建筑物的設計需要依據河道的具體的情況而定,包括但不限于：地形、地質、經驗。洛河西段治理渠首工程的建成,離不開洛河流域上已經修建而成且運行成功的水面工程的寶貴經驗。修建洛河西段治理渠首工程,對于洛陽市的經濟發展有著重大意義,并且給類似的水面工程提供了成功的借鑒經驗。