連平縣純坑山塘整治工程設(shè)計(jì)研究

劉煒堅(jiān)

（河源市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 河源 517000）

1 工程概況

連平縣純坑山塘整治工程位于連平河支流純坑水上,純坑水是連平河上游左岸的一級(jí)支流,發(fā)源于連平縣境內(nèi)的金排垇,流經(jīng)崩崗下、拱橋頭、老虎頭,于麻陂附近匯入連平河干流。本工程壩址以上集雨面積1.1 km2,干流河長(zhǎng)1.914 km,平均坡降為0.129,多年平均降水量為1730 mm,多年平均徑流深為970 mm,多年平均徑流總量為106.7萬(wàn)m3,多年平均流量為0.04 m3/s。純坑水屬山區(qū)性河流,上游多為高山峻嶺,河流湍急,兩岸坡陡,山多地少,草木茂盛,植被良好,有一定的水土流失現(xiàn)象。由于醒獅村上背夫、下背夫、上新屋片農(nóng)田灌溉水源沒(méi)有保證,原純坑山塘無(wú)法蓄水（壩址處現(xiàn)有很矮的堆石,無(wú)蓄水能力,左岸現(xiàn)有老舊渠道引水）,現(xiàn)狀農(nóng)田主要依靠天然來(lái)水灌溉,灌溉效率低,水源水量難以保障,因此本工程擬重建純坑山塘來(lái)緩解上背夫、下背夫、上新屋60畝農(nóng)田的灌溉用水問(wèn)題[1]。

2 山塘整治工程施工設(shè)計(jì)

2.1 純坑山塘庫(kù)區(qū)現(xiàn)狀

純坑山塘溢流壩段高程為302.4 m,溢流壩段凈寬選用10 m。溢流壩段泄流按《溢流壩段設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）附錄A.2規(guī)定公式及《水力計(jì)算手冊(cè)（第二版）》計(jì)算。根據(jù)表1純坑山塘調(diào)特征水位流量。

表1 純坑山塘調(diào)特征水位流量

本次計(jì)算忽略行近流速。經(jīng)計(jì)算可知,純坑山塘的設(shè)計(jì)洪水位（P=5%）為303.62 m,校核洪水位（P=1%）為303.82 m。

純坑山塘灌溉范圍為元善鎮(zhèn)醒獅村純坑山塘下游上背夫、下背夫、上新屋60畝農(nóng)田的灌溉問(wèn)題。擬定山塘正常水位為302.4 m,庫(kù)容為0.77萬(wàn)m3。經(jīng)計(jì)算,山塘設(shè)計(jì)洪水位為303.62 m,相應(yīng)庫(kù)容為1.15萬(wàn)m3。校核洪水位為303.82 m,相應(yīng)庫(kù)容為1.21萬(wàn)m3。

2.2 山塘整治工程構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014）及《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）規(guī)定,純坑山塘總庫(kù)容為1.21萬(wàn)m3,純坑山塘屬于山塘,工程等別為V等,主要建筑物為5級(jí),次要建筑物為5級(jí),當(dāng)山區(qū)、丘陵區(qū)水庫(kù)工程永久性擋水建筑物的擋水高度低于15 m,且上下游最大水頭差小于10 m時(shí),其洪水標(biāo)準(zhǔn)宜按平原、濱海區(qū)標(biāo)準(zhǔn)確定。正常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)采取20年一遇（P=5%）,非常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)采取100年一遇（P=1%）,溢流壩段消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采取10年一遇（P=10%）。

（2）壩型選擇

選定壩址不存在重大工程地質(zhì)缺陷。從地質(zhì)資料看,兩岸強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖出露,底部約3 m,即為弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖,適宜修建重力壩。一般壩體按照填筑材料可分為土壩、漿砌石壩以及混凝土壩,由于連平縣石料廠(chǎng)僅有三家,分別位于上坪鎮(zhèn)及陂頭鎮(zhèn),運(yùn)輸距離達(dá)50 km,故本次僅對(duì)土壩以及混凝土壩進(jìn)行比選,壩型及工程布置比較見(jiàn)表2。

表2 壩型及工程布置比較表

混凝土重力壩較均質(zhì)土壩：壩址處基礎(chǔ)好,且混凝土料方便購(gòu)買(mǎi),土料需在內(nèi)莞鎮(zhèn)尋找合適的土料場(chǎng),混凝土重力壩雖然造價(jià)較高,但運(yùn)行管理方便,因此,方案一混凝土重力壩為推薦壩型。

（3）壩體設(shè)計(jì)

壩體采用C20砼澆筑,壩頂高程為304.82 m,壩頂長(zhǎng)度26.23 m,寬2.5 m,壩頂設(shè)置鍍鋅管欄桿,高度1.2 m；于左壩肩開(kāi)辟進(jìn)庫(kù)公路,長(zhǎng)100 m,采用4 m寬100 mm厚泥結(jié)石路面,路面近山側(cè)設(shè)排水溝。大壩壩前坡正常蓄水位至壩頂為豎直,正常蓄水位至壩底為1∶0.1斜坡,后坡采用1∶0.6斜坡；工程采用溢流壩段泄洪。根據(jù)河道地形,溢流壩段凈寬為10 m,堰頂高程為302.4 m,兩側(cè)設(shè)C25砼導(dǎo)流墻,采用1∶0.6斜坡,高1.2 m,厚0.8 m,平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 純坑山塘平面圖

（4）壩基設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)勘察,大壩建基面為弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖,河床段建基面高程標(biāo)高取292.02 m,施工前將局部基礎(chǔ)清除、開(kāi)挖后,設(shè)置C25混凝土基礎(chǔ)厚2 m,根據(jù)規(guī)范開(kāi)挖成臺(tái)階式,斜向上游面呈鈍角；基礎(chǔ)于壩身兩側(cè)各伸出1 m,基礎(chǔ)兩側(cè)澆筑坡比為1∶0.5。山塘基礎(chǔ)透水率為5 Lu,為保證其防滲性能,本次設(shè)計(jì)做帷幕灌漿處理,單排布置,孔距1.5 m,灌漿至弱風(fēng)化巖面線(xiàn)以下5 m。

（5）溢流壩設(shè)計(jì)

大壩溢流為無(wú)閘門(mén)控制的自由出流型式,頂部采用開(kāi)敞式堰面,堰頂上游堰頭三圓弧曲面、下游為冪曲線(xiàn),下游泄槽段采用與壩坡平行的斜率1∶0.6,底板厚度0.3 m,采用C20鋼筋砼澆筑。溢流壩段挑流段壩底高程為295.52 m,挑流段起弧高程為295.33 m,溢洪壩段兩側(cè)設(shè)翼墻,根據(jù)摻氣水深計(jì)算（計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3）及工程實(shí)際,確定翼墻在垂直溢流面的高度為1.2 m。（斷面1指堰頂處斷面,斷面2、3、4等分別代表每下降1 m處對(duì)應(yīng)泄槽段過(guò)流斷面。）

表3 摻氣水深計(jì)算

2.3 山塘整治工程構(gòu)筑物設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）壩頂高程

根據(jù)規(guī)范《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 744-2016）,防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差由下式確定：

式中：Δh為防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差；h1%為累計(jì)頻率1%的波高,m；hz為波浪中心線(xiàn)至正常蓄水位或校核洪水位的高差,m；hc為安全加高。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,壩頂高程不得低于304.49 m,結(jié)合實(shí)際,本次采用304.82 m作為本次設(shè)計(jì)壩頂高程。

（2）大壩穩(wěn)定性

穩(wěn)定計(jì)算的工作條件按《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 319-2018）規(guī)定執(zhí)行,采用大壩現(xiàn)狀的實(shí)際環(huán)境條件和水位參數(shù),純坑山塘大壩穩(wěn)定計(jì)算的主要工況有：①正常運(yùn)用條件：水庫(kù)正常蓄水位302.40 m工況；水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位303.62 m工況。②非常運(yùn)用條件：水庫(kù)校核洪水位303.82 m工況。壩坡的穩(wěn)定分析采用圓弧滑動(dòng)條分法計(jì)算,主要采用簡(jiǎn)化畢肖普法,其穩(wěn)定安全系數(shù)按下列公式計(jì)算：

式中：K為安全系數(shù)；W為土條重量；V為垂直地震慣性力（向上為負(fù),向下為正）；u為作用于土條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線(xiàn)與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c'、φ'為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；MC為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；R為圓弧半徑。

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料顯示,大壩選址位置建基面為弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖,承載力特征值為2000 kPa。壩址基底摩擦系數(shù)為0.6,即本次本工程的計(jì)算滑裂面是大壩基底混凝土與弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖接觸面。計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

3 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)目前純坑山塘庫(kù)區(qū)調(diào)洪計(jì)算、特征水位及工程規(guī)模分析的基礎(chǔ)上,詳細(xì)分析了山塘整治過(guò)程中的設(shè)計(jì)要點(diǎn),純坑山塘溢流壩段高程為302.4 m,溢流壩段凈寬選用10 m,經(jīng)高程核算后并結(jié)合實(shí)際,本次采用304.82 m作為本次設(shè)計(jì)壩頂高程,且大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在1.43 以上,符合工程實(shí)際要求。本工程對(duì)提高人民的生活水平起了重要的作用,并且社會(huì)效益顯著,對(duì)連平縣醒獅村農(nóng)業(yè)的發(fā)展,充分利用水資源具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。