淺析農村灌區新壩的建設和設計方案

雷 鳴

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

霍山縣灌區主干渠為淠源渠,下符橋灌區內淠源渠段長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,已不能滿足現狀灌溉需求。為保障灌區灌溉用水,需新建擋水壩提高水位,達到灌溉下符橋灌區的目的,故本文對新建擋水壩進行分析。

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：陳山塘圩區以下300 m。如壩址選擇在陳山塘圩區以下（壩址三）,則會影響現狀陳山塘圩區的排澇體系；考慮為最大限度地形成下符橋鎮的水面,若閘址選擇在圣王路公路橋上游（壩址一）,將減少現狀攔蓄水面面積,影響鎮上水生態的范圍及效果。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節、壩頂可溢流的特性；并可以根據需要,分成多個壩段,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,過流斷面達到最大,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展推廣的新型壩型,力學結構科學、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；結構堅固可靠,抗洪水沖擊能力強。它在充分考慮傳統的活動壩型缺陷基礎上,保留了平板閘、橡膠壩、翻板閘三種壩型的基本優點。

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置有第一、二兩個連桿,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,閘板的背水面還設置有用于驅動閘板繞第一鉸接軸轉動的液壓缸,液壓缸的缸體與河床上的基礎鉸接,液壓缸的活塞桿的桿端與第一、二兩個連桿之間設置有連桿機構,液壓缸驅動連桿機構帶動第一、二兩個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地工作,支撐穩定,使用壽命長。

連桿液壓壩造價約為2.0 萬/m2～3.0 萬/m2,橡膠壩投資在3.5 m 擋水高度時約為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,但顯然對工程的運行管理更為有利,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,運用靈活、泄流能力大、運行檢修條件好等優點；因此,為滿足河道的防洪安全,提高本工程運行的安全及可靠度,推薦采用連桿液壓壩壩型方案。

（2）壩軸線選擇

根據實測地形情況,經過布置調整,為銜接液壓壩段上下游水流的平順,且壩兩側岸墻布置盡量相對河道位置左右對稱,使液壓壩段縱向軸線與河道中心線盡量吻合；同時為兼顧實現建壩后水景觀的最佳效果及陳山塘圩區排涵出口的位置,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。液壓壩段左右側岸墻及上游導水段、下游消力池段岸墻均按直線布置,導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計高程較低,基本接近河底高程,因此工程施工時,管路開挖涉及的影響范圍較大；根據本階段壩址處的地質勘察成果,河道兩岸的地質條件相當；綜合各相關條件,考慮堤外有較為開闊的平臺可利用,進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；且施工期對環境的影響及破壞小,施工場地可不受限制,施工方便,既有利于施工組織設計,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,不僅管路長,且施工期對右岸已經治理的防護結構破壞大；若施工場地受限,將加大施工難度,不利于施工組織設計；管路開挖復堤后并需恢復已經治理后的原有的外觀,包括邊坡防護結構、道路等,又將增大工程投資。

綜上比較,為最大限度地減少對既有工程的影響及破壞,避免工程重復投入,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 連桿液壓壩設計

連桿液壓壩布置分為護底、鋪蓋、壩體、消力池和防沖槽,順水流方向長度為46.0 m,溢流凈寬60.0 m。

4.1 防滲排水布置

根據水閘設計規范,閘基防滲長度按下式計算：

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

計算結果見表1。

表1 防滲長度計算成果表

4.2 泄流能力計算

連桿液壓壩的泄流可分兩種狀態,即放壩泄流及升壩擋水下的溢流。壩完全放平時,可視作寬頂堰；升壩擋水時,可視為薄壁堰。根據連桿液壓壩的一般運用要求,在設計壩高下的壩頂溢流深度不宜太大,應不超過0.5 m,以免引起壩面振動,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扇閘門進行泄流。

1）閉門擋水、門頂溢流

當δ＜0.67H*時按薄壁堰流計算,流量公式為：

當0.67H*＜δ＜2H*時按實用堰流計算,流量公式為：

式中：δ為門頂厚度,m,0.1 m；H*為上游水位與全關門頂的高差,m；Q 為過壩流量,m3/s；ε為側收縮系數,取0.95；m0為薄壁堰流的流量系數,根據計算約為0.41；m 為實用堰流的流量系數。

門頂厚度為0.1 m,上游水位與全關門頂的高差取0.5 m,蓄水壩門頂溢流流量見表2。

表2 閘門全關流量計算成果表

2）閘門全開平臥時

按堰流公式計算,其流量系數與淹沒系數應根據液壓壩的特點和實際工程的水力水文條件通過模型試驗確定。流量公式為：

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

經計算,堰上水頭計算結果見表3。

本試驗過程中，小鼠各腸段腸黏膜SIgA呈現動態變化趨勢，前3周逐漸上升，但在第4周的時候出現了全群下降，之后又恢復上升趨勢，說明小鼠的免疫能力隨著年齡的增長逐漸發展和完善，第4周的全群變化可能與氣候突變導致應激所致。

表3 全開平臥溢流流量計算成果表

4.3 消能防沖布置

按《水閘設計規范》（SL 265-2016）有關公式計算：

式中：d 為消力池深度,m；σ0為水躍淹沒系數,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為動能校正系數,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；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為消力池底板計算系數,0.15～0.20；ΔH'為泄水時的上下游水位差,m；k2為消力池底板安全系數,1.1～1.3；U 為作用在消力池底板底面的揚壓力,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壓力,kPa；γb為消力池底板的飽和重度,kN/m3。

經計算,在遭遇設計洪水工況時,躍后水深為5.05 m,下游水深6.75 m,產生淹沒式水躍,水躍長度22.72 m,無需建消力池,設計洪水時需海漫長度為27.33 m；在遭遇校核洪水工況時,躍后水深為6.08 m,下游水深7.55 m,產生淹沒式水躍,水躍長度26.22 m,無需建消力池,設計洪水時需海漫長度為35.88 m。

結合壩下地形地質條件,考慮消力池兼做海漫設計,取水躍長度校正系數β=0.7,計算得消力池長度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,故消力池深度設置至強風化基巖,深為2.1 m,長度為16.0 m,底板厚度為0.5 m；鋼絲繩網兜塊石防沖槽深度設置至強風化基巖,長10 m,深2.4 m,從而將防護長度范圍內可能液化土層徹底清除。

4.4 穩定計算

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

（1）壩基礎底板抗滑穩定計算公式：

式中：f 為底板底面與地基土之間的摩擦系數,根據工程地質勘察報告,并參考《水閘設計規范》（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壓力。

經計算,壩體穩定計算見表4。

表4 蓄水壩穩定計算表

（2）底板基底應力計算：

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 為全部荷載對底板中心的力矩,即滿足地基承載力要求。

基底應力計算成果見表5。

表5 基底應力計算成果表

由以上計算成果可見,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定的容許值,抗滑穩定安全系數均大于規定的容許值。

5 結語

安徽省霍山縣下符橋新水壩的建設將提高水的利用率,節約水資源,提高灌溉保證率；保證灌區內工業及居民生活用水,保障灌區農作物增產、農民增收；降低供水成本,減輕農民用水負擔；結果可為灌區的經濟發展提供強有力的用水保障。