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    洛陽市澗河調(diào)蓄工程設計分析

    2020-11-20 07:36:42王紀頊
    陜西水利 2020年10期
    關(guān)鍵詞:同樂消力池調(diào)蓄

    王紀頊

    (洛陽水利勘測設計有限責任公司,河南 洛陽 471001)

    1 工程概況

    洛陽市位于黃河中游,河南省西部,東鄰鄭州,西接三門峽,北跨黃河與焦作接壤,南與平頂山、南陽相連。東西長約179 km,南北寬約168 km。洛陽市為省轄市,下轄偃師、孟津、新安、洛寧、宜陽、伊川、嵩縣、欒川、汝陽等一市八縣和澗西、西工、老城、瀍河、洛龍、吉利六個城市區(qū),總面積15209 km2,現(xiàn)在市區(qū)面積544 km2。

    澗河發(fā)源于陜縣觀音堂,流經(jīng)澠池、義馬、新安、在洛陽市區(qū)入洛河,全長112.5 km,流域面積1349 km2。同樂湖調(diào)蓄工程壩址位于澗河市區(qū)段同樂橋上游730 m,回水長度3.6 km,水面面積25.0 萬m2,最大蓄水量48.0 萬m3。

    2 工程方案比選

    建設澗河調(diào)蓄工程的目的:非汛期攔蓄徑流、立壩蓄水、形成水面景觀;汛期時攔截洪水,保障下游防洪安全。因此,活動閘壩是首選壩型,比如:橡膠壩、水閘、液壓壩以及鋼壩?,F(xiàn)從工程安全、經(jīng)濟、施工、運行管理等方面逐一進行方案比較。①工程安全方面:橡膠壩、水閘均為成熟壩型,較為常用,安全可靠[1];液壓壩、鋼壩屬于新興壩型,目前工程實例較少;②工程經(jīng)濟方面:橡膠壩、液壓壩投資相對較低,鋼壩、水閘投資較高;③工程施工方面:液壓壩結(jié)構(gòu)簡單,易施工,橡膠壩需修建地下水泵室,開挖量大,水閘上部需啟閉排架,結(jié)構(gòu)復雜,鋼壩則對地基條件要求較高(本工程地質(zhì)條件較差);④工程運行管理方面:橡膠壩、液壓壩運行方便易管理,水閘、鋼壩管理復雜、后期維護投資較大。綜上所述,本次工程設計方案采用液壓壩較為合適。

    3 液壓壩設計

    3.1 壩址選定

    同樂湖調(diào)蓄工程擬定壩址位于澗河市區(qū)段同樂橋上游730 m,根據(jù)現(xiàn)場實地察看發(fā)現(xiàn)該位置所處河道較為順直且寬度適中,兩岸地勢開闊。址區(qū)在地貌單元上屬于洛河Ⅱ級階地。壩址區(qū)分布地層主要為淤泥質(zhì)土、雜填土、第四系全新統(tǒng)級配不良砂、級配不良礫、低液限粉土及上更新統(tǒng)低液限粘土、低液限粉土及級配不良礫層等組成。左岸壩肩主要為第四系全新統(tǒng)低液限粉土和低液限粘土組成,右岸壩肩為雜填土。

    綜合考慮地形、地質(zhì)、水流和環(huán)境等因素,同樂湖調(diào)蓄工程壩址定于澗河市區(qū)段同樂橋上游730 m。

    3.2 壩身設計

    液壓缸、弧形(或直線)壩面、液壓桿和液壓泵站是液壓壩的主要構(gòu)成部分。液壓升降壩采用液壓桿升降(每扇壩體配備兩根液壓桿,可任意調(diào)整高度)以底部為軸的活動攔水壩面,實現(xiàn)升壩攔水,降壩行洪的目的;采用浮標開關(guān),控制操作液壓系統(tǒng),達到無人管理,根據(jù)洪水漲落,實現(xiàn)活動壩面的自動升降。

    液壓壩壩體采用鋼板,河道設計口寬103.6 m,液壓壩工程布置總長68.95 m,其中液壓壩段長50.2 m,壩凈長48.2 m(每扇6 m,共8 扇,邊扇與邊墩之間留10 cm 以做止水),兩側(cè)邊墩厚均為1.0 m,壩高4.5 m。左岸岸墻長6.25 m,右岸岸墻長12.5 m,左岸設控制室,寬9.0 m,長32 m[2]。

    根據(jù)水文計算,澗河洛陽市區(qū)段同樂湖調(diào)蓄工程壩址處20 a 一遇設計洪水流量2200 m3/s,50 a 一遇校核洪水流量3530 m3/s。根據(jù)液壓壩運行管理規(guī)定,澗河遭遇20 a 一遇設計洪水和50 a 一遇校核洪水時液壓壩應塌壩運行。液壓壩塌壩泄洪能力,可按堰流基本公式計算:

    計算時下游水位按本次推求的澗河壩址處水位取用,上游水位按堰流公式計算壅高水位,同樂湖液壓壩布置8 扇,凈寬48.2 m(每扇6 m,兩邊扇與邊墩之間留10 cm 以做止水),左岸灘地寬為6.25 m,右岸灘地寬為12.5 m,灘地以上岸坡坡比為1∶1.5,設計底板高程144.00 m、設計河底高程142.5 m,兩岸灘地高程為149.0 m。經(jīng)過多次試算:成果見表1。

    表1 同樂湖液壓壩上游水位及凈壩寬計算成果表

    3.3 上游防滲設計

    庫區(qū)河床主要為淤泥質(zhì)土和級配不良礫,所以防滲工程是關(guān)系蓄水及壩體滲流安全的關(guān)健。結(jié)合本工程實際情況和工程總投資,確定采用土工膜鋪蓋防滲。壩前設置30 m 的鋪蓋,鋪蓋的上游布設深1.5 m、底寬0.7 m 的C20 砼防沖齒墻。防滲布上面是厚5 cm 的粗砂,下面是一層30 cm 厚的粘土,為了保證受力均勻,基底的砂卵石和粘土都要鋪平壓實。防滲布的砼壓條斷面為20 cm×20 cm,橫縱間距均為2 m。防滲布鋪蓋與壩底板和兩岸齒墻的連接方式為壓板螺栓連接,螺栓間距50 cm,直徑為16 mm。

    3.4 底板段設計

    液壓壩底板為C25 鋼筋混凝土平底板結(jié)構(gòu)。底板順水流方向長8.0 m,垂直水流方向?qū)?0.2 m,布置8 扇,凈寬48.2 m(邊跨與邊墩之間留10 cm 以做止水)。底板厚2.5 m,頂面高程144.00 m,上下游端設齒墻,齒墻深2.2 m、寬1.5 m,底板下鋪設C15 混凝土墊層厚10 cm。邊墩高5.0 m,厚1.0 m,墩頂高程149.00 m。底板垂直水流方向每12 m 設一道伸縮縫,縫寬2 cm,縫內(nèi)設閉孔低發(fā)聚乙烯板和651 橡膠止水帶。液壓壩底板面層一期澆筑鉸支座安裝埋件,同時預留液壓缸孔、支撐桿孔安裝埋件,待埋件安裝完畢后,再回填二期混凝土。

    液壓壩兩岸設岸墻,左岸岸墻布置長6.25 m,右岸岸墻布置長12.5 m,順水流方向長均為8.0 m。岸墻設計頂高程149.0 m,底高程144.00 m,底板厚1.2 m,采用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),上下游端設齒墻,齒墻深3.5 m、寬1.5 m,底板下鋪設C15 混凝土墊層厚10 cm。岸墻中間回填粘土,要求分層回填夯實,壓實度不小于0.96。

    3.5 下游消能防沖設計

    下游消能防沖設施布置總長度51.0 m,其中陡坡段長12.0 m,消力池段長21 m,海漫及防沖槽段長18 m。

    陡坡:陡坡段長12.0 m,坡度1∶4.0,高程144.00 m~141.50 m,寬48.20 m~46.39 m。陡坡段底板采用C25 鋼筋砼結(jié)構(gòu),厚度0.6 m,下設10 cm 厚C15 砼墊層。陡坡段末端設2.0 m深、1.0 m 寬齒墻,齒墻底高程為138.40 m,陡坡每10 m 設一道伸縮縫,縫寬2 cm,縫內(nèi)填閉孔低發(fā)聚乙烯板。

    消力池:消力池總長21 m,寬46.39 m~43.22 m,底高程141.00 m,末端設消力坎,寬1.5 m,坎底部齒墻深2.0 m,底高程138.40 m。消力池采用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),厚0.6 m,底板下設10 cm 厚粗砂墊層、土工反濾布一層、10 cm 厚C15 砼墊層。消力池內(nèi)設PVC排水管,管徑5 cm,梅花形布置,間距1.5 m,消力池設縱橫伸縮縫,縫寬2 cm,縫內(nèi)填閉孔低發(fā)聚乙烯板。

    海漫及防沖槽:海漫段長15.0 m,坡度1∶10,高程142.50 m~141.00 m,寬43.32 m~40.96 m。采用格賓墊,厚0.5 m,格賓墊下設針刺無紡布(300 g/m2)。海漫末端設格賓墊防沖槽,長3.0 m,高程141.00 m,寬40.96 m,槽深1.5 m,末端以1∶3 的反坡與河底連接,連接段長度4.2 m。

    4 液壓壩及岸墻穩(wěn)定計算

    4.1 計算工況

    根據(jù)工程運行情況,液壓壩穩(wěn)定計算主要考慮以下三種工況:

    ①試壩工況:上、下游均無水,壩體按設計壩高充壩。

    ②正常立壩工況:上游為正常蓄水位148.50 m,下游無水。

    ③正常立壩+地震工況:上游為正常蓄水位148.50 m,下游無水。

    根據(jù)工程運行情況,岸墻穩(wěn)定計算考慮以下三種工況:

    ①完建工況:上、下游均無水。

    ②正常立壩工況:上游為正常蓄水位148.50 m,下游無水。

    ③正常立壩+地震工況:上游為正常蓄水位148.50 m,下游無水。

    計算荷載包括結(jié)構(gòu)自重、水重、水壓力、波浪壓力、土壓力和風壓力等。

    4.2 抗滑穩(wěn)定計算

    沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),采用《水閘設計規(guī)范》(SL 265-2001)規(guī)定公式計算:

    式中:KC為沿壩底板基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);ΣH 為壩底板上的水平荷載,kN;f 為壩底板基底面的與地基土之間的摩擦系數(shù),取0.5。

    4.3 基底壓力計算

    對于結(jié)構(gòu)布置及受力情況均對稱的閘孔,采用規(guī)范公式計算:

    該底面垂直水流方向形心軸的截面矩,m3,W=b×h2/6。

    基底應力分布不均勻系數(shù):

    根據(jù)所述公式和各個參數(shù)值,不同工況下室穩(wěn)定計算結(jié)果見表2。

    表2 穩(wěn)定計算成果表

    液壓壩及岸墻均為4 級建筑物,規(guī)范規(guī)定的抗滑安全系數(shù)為:基本荷載組合[Kc]=1.20,特殊荷載組合Ⅱ[Kc]=1.00;基底壓力分布不均勻系數(shù)的容許值:基本荷載組合[η]=2.0,特殊荷載組合為[η]=2.5。建筑物地基采用砂卵石換填,承載力標準值為160 kPa。計算結(jié)果表明抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、基底應力和地基壓應力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

    5 結(jié)語

    本文對洛陽市澗河調(diào)蓄工程進行方案比選,確定了最佳方案為液壓壩,并對液壓壩進行設計分析和穩(wěn)定性計算,確保了設計的安全性與合理性。澗河洛陽市區(qū)段同樂湖調(diào)蓄工程的實施可覆蓋市區(qū)段澗河荒灘,改善河道環(huán)境,恢復生態(tài)平衡,達到水清、岸綠、景美,創(chuàng)造和諧的人與自然生態(tài)關(guān)系,對洛陽市打造現(xiàn)代氣息濃郁的中西部最佳人居環(huán)境城市具有重要意義。

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