淶源縣界溝導(dǎo)洪溝落差建筑物方案設(shè)計(jì)

□劉立雪

淶源縣界溝導(dǎo)洪溝落差建筑物方案設(shè)計(jì)

□劉立雪

淶源縣城位于河北省西北部，拒馬河支流東、西界溝位于縣城西北部，在淶源縣城中部匯合后，穿淶源縣城，在縣城南匯入拒馬河。汛期洪水穿城而過(guò)，為解決西北部洪水對(duì)縣城防洪安全的威脅，在淶源縣城西、北外環(huán)路外側(cè)開挖導(dǎo)洪溝，將東、西界溝洪水在縣城西南導(dǎo)入沿村溝，再匯入拒馬河干流，以保障縣城防洪安全。

1.工程概況

淶源縣城西北防洪工程（東、西界溝導(dǎo)洪工程）總體設(shè)計(jì)中導(dǎo)洪溝全長(zhǎng)約3.35km，導(dǎo)洪溝樁號(hào)3+175至沿村溝河道中心段長(zhǎng)172 m，導(dǎo)洪溝與沿村溝中心線交角為39°，導(dǎo)洪溝底與交叉河口處沿村溝底高差為14.8m，此段設(shè)計(jì)落差建筑物將洪水從導(dǎo)洪溝導(dǎo)入沿村溝。導(dǎo)洪溝樁號(hào)3+175處采用梯形斷面，底寬6m，兩岸邊坡坡比1∶2.2，溝深2.14m，溝底高程866.4m，地面高程868.5m。交叉點(diǎn)處沿村溝溝深約8.7m，溝底高程851.6m，地面高程858.9m，底寬9m，上口寬37m，土質(zhì)河床。

2.方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)結(jié)合現(xiàn)狀地形、工程地質(zhì)、水流條件、施工條件、占地、工程投資等因素確定落差建筑形式。從河床土質(zhì)及水流條件等因素考慮，不宜在交叉口處集中落差。為此在入沿村溝前做好消能設(shè)計(jì)，減輕交匯口沖刷。

2.1 消能方式比選

落差建筑物下游的消能方式主要有底流消能、挑流消能和面流消能。面流消能溝道下游水位對(duì)消能效果影響很大，要求下游水位相對(duì)穩(wěn)定，才能保證消能效果。本工程為泄洪工程，北方地區(qū)溝道非汛期基本無(wú)水，汛期洪水陡漲陡落，下游水位不定，不宜采用面流消能。挑流消能要求挑流鼻坎基礎(chǔ)和射流沖刷坑之間有足夠的距離，以確保工程安全。挑流消能沖刷坑下游水流仍有較大破壞能力，下游仍將有較大范圍的沖刷，須做好防護(hù)。本工程總長(zhǎng)172m，末端以交角39°匯入沿村溝，且為土質(zhì)河床，如在入沿村溝前布置挑流消能，水流經(jīng)整流平順后再入沿村溝，因沖刷坑深度偏大，將導(dǎo)致開挖方量及占地工程量大增；如在沿村溝入口處布置挑流消能，將導(dǎo)致高速洪水入沿村溝急速轉(zhuǎn)彎的流態(tài)，不利于河床邊坡穩(wěn)定和工程安全。故本程不予采用。底流消能是落差建筑物下游常用的消能方式，結(jié)合本工程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)仍采用底流消能。

2.2 落差建筑物方案比選

結(jié)合現(xiàn)狀情況，擬定3種方案進(jìn)行比較：方案一多級(jí)跌水方案，方案二陡坡加跌水方案和方案三梯級(jí)跌水方案。3種方案均為洪水經(jīng)跌水入消力池消能后，匯入沿村溝。

方案一（多級(jí)跌水方案）。由進(jìn)口漸變段、跌水段和出口整流段組成，總長(zhǎng)172m。其中進(jìn)口段長(zhǎng)25m，設(shè)漸變段與跌水段銜接。跌水段總長(zhǎng)90m，由6級(jí)跌水組成，第1級(jí)至第5級(jí)每級(jí)跌差2.5m，第6級(jí)跌差2.3m。出口段長(zhǎng)52m，其下匯入沿村溝。

方案二（陡坡+多級(jí)跌水方案）。由進(jìn)口漸變段、陡坡段、跌水段和出口段組成，總長(zhǎng)172m。其中漸變段長(zhǎng)20m，設(shè)圓弧冀墻與陡坡段銜接。陡坡段長(zhǎng)40m，矩形斷面，坡比結(jié)合現(xiàn)狀地形，設(shè)計(jì)為1∶8，其后設(shè)20m長(zhǎng)消力池。跌水段長(zhǎng)45m，共設(shè)3級(jí)跌水，第1級(jí)至第3級(jí)跌差為2.5m，第4級(jí)跌差為2.3m，跌水下設(shè)消力池。出口段長(zhǎng)47m，其下匯入沿村溝。

方案三（臺(tái)階跌水方案）。由進(jìn)口漸變段、臺(tái)階跌水段和出口段組成，總長(zhǎng)172m。進(jìn)口段及出口段設(shè)計(jì)同方案一。臺(tái)階跌水段總長(zhǎng)78m，由30級(jí)臺(tái)階組成，每級(jí)臺(tái)階寬2.6m，高0.5m(末級(jí)臺(tái)階高0.3m)。臺(tái)階跌水末端設(shè)消力池，池長(zhǎng)15m。出口段長(zhǎng)54m。

方案一，水流經(jīng)過(guò)多級(jí)跌水逐級(jí)消能，降低了水流速度，消能效果較好。但跌水工程無(wú)法與現(xiàn)狀自然地形緊密結(jié)合，土方開挖量較大，且跌水需要修建堅(jiān)固的跌水擋墻，故跌水方案工程費(fèi)用高，投資最大。方案二，陡坡段坡陡、流急，陡坡末端流速達(dá)12.5m/s，易引起摻氣、空蝕破壞等現(xiàn)象。陡坡段坡比結(jié)合現(xiàn)狀自然地形布置，土方開挖量較小，但陡坡下游消能防沖工程量偏大。下游跌水段開挖量較大，投資較高。方案三較好地適應(yīng)了現(xiàn)狀地形條件，土方開挖量最小。每級(jí)臺(tái)階均有消能效果，減小了其下游消能設(shè)施工程量，投資最省。從水力特性、開挖工程量、投資等角度綜合考慮，設(shè)計(jì)采用方案三。

2.3 入沿村溝銜接設(shè)計(jì)

經(jīng)整流后的洪水以39°交角匯入沿村溝，對(duì)沿村溝入口處進(jìn)行砌石防護(hù)。護(hù)砌斷面滿足沿村溝過(guò)流能力要求，護(hù)砌高度滿足設(shè)計(jì)洪水位加安全超高要求，護(hù)砌下游斷設(shè)防沖齒墻。

2.4 地基處理

依據(jù)該工程地質(zhì)資料，上部地層4.0m以上為中粉質(zhì)壤土及粉質(zhì)黏土，4.0m以下為卵石（Q2），揭露厚度16.0m。初步分析建筑物處埋深較淺，部分基礎(chǔ)位于中粉質(zhì)壤土及粉質(zhì)黏土中，該層土較薄且具濕陷性，設(shè)計(jì)采取換填處理。

此工程采用臺(tái)階跌水方案，逐級(jí)跌水消能，降低了水流速度，減少了對(duì)落差建筑物的沖刷，能夠最大限度適應(yīng)地形條件，減少開挖工程量，少占土地，節(jié)約土地資源。需要特別注意的是，泄洪落差建筑設(shè)計(jì)有別于渠道落差建筑物，方案設(shè)計(jì)時(shí)既要借鑒渠道落差建筑物的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，又要考慮實(shí)際情況，做出經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案；另外，整個(gè)工程設(shè)計(jì)中須做好排水、安全防護(hù)、人行路設(shè)計(jì)，以便運(yùn)行管理?！?/p>

2014-05-14

劉立雪，女，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，正高級(jí)工程師。