龍泉市瑞垟引水工程L型重力壩優(yōu)化設(shè)計

熊 軍

(龍泉市瑞垟引水一期工程項目建設(shè)指揮部，浙江 龍泉 323700)

堰壩是水利水電樞紐工程的重要組成部分。攔河堰壩布置在主河道上，既能起到一定的攔蓄水作用，又能夠泄洪，在灌溉、防洪、引(供)水、生態(tài)景觀等工程中廣泛使用，有著較高的研究和應(yīng)用價值[1]。

龍泉市瑞垟引水一期工程引水堰壩原設(shè)計方案為傳統(tǒng)的重力壩，正常蓄水位266.5 m，壩體總長148.59 m，其中溢流壩段長74 m，溢流面頂高程266.5 m；非溢流段壩頂高程271.0 m，最大壩高15 m；左岸擋水壩段中預(yù)埋直徑100 cm的生態(tài)放水管兼沖砂管；左壩肩伸入山體22.51 m；永久占用基本農(nóng)田4 000 m2。從理論與技術(shù)方面考慮，原設(shè)計方案是可行的，但根據(jù)引水堰壩所處位置的實際情況，存在以下問題：

1) 永久占用基本農(nóng)田過多，當?shù)卮迕褫^為抵觸，且左壩肩原始開挖線內(nèi)有多處墳地，政策處理難度大。

2) 左壩肩施工期間需對縣道X101開挖，前往上游屏南鎮(zhèn)的道路需臨時改至施工區(qū)，社會車輛通過施工區(qū)，交通導(dǎo)行與安全風(fēng)險高；同時該壩段施工完成后道路需進行恢復(fù)，增加投資成本。

3) 左壩肩伸入山體22.51 m，需大面積開挖，破壞原始林地較多。

針對類似占用較多土地和開挖土方量較大的堰壩，需要根據(jù)場址區(qū)的具體地形和地質(zhì)條件，探索一種新的實用壩型或進行壩型的重新布置，使工程設(shè)計更為安全適用、成本合理[2]。在分析傳統(tǒng)重力壩的基礎(chǔ)上，一種L型布置的新型重力壩型式受到學(xué)者們的關(guān)注，有學(xué)者認為該壩型具有獨特的逆向壩坡，壩面水壓和壩體自重產(chǎn)生的彎矩方向相反，壩體抗滑穩(wěn)定性更優(yōu)[3]。同時，也有學(xué)者針對新型的導(dǎo)流板式異形丁字壩開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究[4]。這些研究給龍泉市瑞垟引水一期工程引水堰壩的優(yōu)化設(shè)計提供了有益的參考。

龍泉市通過對該工程場址區(qū)的工程地質(zhì)條件進行深入分析，借鑒國內(nèi)類似工程的研究成果，對原設(shè)計方案進行了初步調(diào)整[5-6]。在此基礎(chǔ)上，通過對壩址區(qū)工程地質(zhì)條件分析，開展穩(wěn)定計算,確保方案調(diào)整后堰壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[7-9]。

1 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地層巖性

本工程區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造屬華夏大陸臺閩浙地質(zhì)組成部分，即華南褶皺系、浙東南褶皺帶，構(gòu)造形跡以褶皺為主，龍泉境內(nèi)為低山和中山。壩址位置主要涉及的具體巖土層位如下：⑥-2層卵石、⑨-1含碎石粉質(zhì)黏土、-1全風(fēng)化變質(zhì)花崗巖、-2強風(fēng)化變質(zhì)花崗巖、-3中風(fēng)化變質(zhì)花崗巖。

⑥-2層卵石：沖洪積層(Q3pl-al)，灰褐色，中密～密實，層厚1.90～3.20 m。滲透系數(shù)較大，為1.0×10-2cm/s，屬強透水層，不宜作為本工程壩基的持力層。

⑨-1層含碎石粉質(zhì)黏土：殘坡積層(Q3el-dl)，黃褐、紅褐色，稍密～中密，層厚0～0.50 m。屬弱透水層。工程性能較差，部分地段層厚較薄，強度不足以滿足設(shè)計要求，不建議作為本工程的壩基持力層。

壩址區(qū)未見有斷層、褶皺情況，壩址區(qū)上部節(jié)理發(fā)育較好，下部節(jié)理不發(fā)育，巖體總體較完整，節(jié)理面可見鐵錳質(zhì)渲染。

左右壩肩坡度較緩，右壩肩基巖出露，左壩肩植被發(fā)育，覆蓋層較厚，自然邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，壩基以強、中風(fēng)化基巖為持力層，需開挖較深。開挖坡比按表1進行，必要時采取臨時支護措施。

表1 壩址區(qū)各巖土層開挖坡比

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

堰壩區(qū)位于花崗巖區(qū)，沿線未發(fā)現(xiàn)滑坡、危巖、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象分布，且不受外圍不良地質(zhì)現(xiàn)象影響，場地穩(wěn)定。

1.3 巖體風(fēng)化卸荷

根據(jù)前期地質(zhì)資料，揭示巖性主要為加里東侵入巖(γ3)巖性為變質(zhì)花崗巖，沿線花崗巖全風(fēng)化帶厚度一般為3.10～6.20 m，強風(fēng)化帶厚度一般為1.40～5.60 m。

1.4 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水的含水介質(zhì)、賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，場地地下水類型主要是表層土體內(nèi)第四紀松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水，分述如下：

1) 孔隙潛水

擬建場地孔隙性潛水主要分布于進水廠地面鋼管段，由大氣降水和地表溪流徑流補給，潛水水量不大，地下水位隨季節(jié)變化，地下水位年變幅1～2 m?？碧狡陂g地面鋼管段測得鉆孔靜止水位埋深0.50～3.50 m。

2) 基巖裂隙水

工程區(qū)深部基巖裂隙水水量受地形地貌、巖性、構(gòu)造、風(fēng)化及季節(jié)性降雨影響較大，補給來源主要為上部上層滯水、第四系松散巖類孔隙潛水，其次為基巖風(fēng)化層側(cè)向徑流補給；徑流方式主要通過基巖內(nèi)的斷層、節(jié)理裂隙由高處向低處滲流，本場地基巖裂隙水水量不大、徑流緩慢，對工程影響小?？碧狡陂g山嶺隧道段測得鉆孔靜止水位一般埋深3.00～24.00 m，地下水位年變幅5～10 m。

1.5 不良地質(zhì)作用

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、地質(zhì)測繪及鉆孔揭露，場地為槽谷地形，地形平緩，兩側(cè)邊坡覆蓋層較薄，場地內(nèi)及其周邊未發(fā)現(xiàn)有滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)作用。

1.6 綜 述

根據(jù)地質(zhì)勘測資料，該位置滿足堰壩建設(shè)的條件，但左壩肩植被發(fā)育，覆蓋層較厚，需要開挖較深；而堰壩上游原始河道左岸基巖出露，地質(zhì)條件良好。同時結(jié)合現(xiàn)場具體情況，施工條件很好，便于大型機械進場，利用X101道路，便于進行壩體混凝土澆筑。

2 壩型設(shè)計優(yōu)化

2.1 堰壩結(jié)構(gòu)調(diào)整概況

根據(jù)堰壩工程區(qū)基本農(nóng)田分布，以及墳地(位于堰壩左側(cè)擋水壩段所在山體)、現(xiàn)有道路等現(xiàn)場實際情況，加快推進項目進場建設(shè)，經(jīng)項目參建方充分討論研究，擬對堰壩結(jié)構(gòu)布置進行調(diào)整。

1) 對堰壩溢流壩段寬度進行調(diào)整，由原來74.0 m調(diào)整為58.8 m，溢流壩段下游的右側(cè)導(dǎo)水墻相應(yīng)調(diào)整，并略向河道偏轉(zhuǎn)，以減少堰壩下游的征地。因溢流寬度變化導(dǎo)致洪水位及單寬流量變化，相應(yīng)調(diào)整壩頂高程及消能防沖結(jié)構(gòu)。

2) 左岸擋水壩段改為折向上游的衡重式擋墻，總長約80 m，以避開左岸的墳地和左壩肩的大開挖，并確保左岸公路暢通，堰壩型式由傳統(tǒng)的攔河重力壩改為L型布置重力壩。堰壩結(jié)構(gòu)調(diào)整見圖1。

圖1 堰壩結(jié)構(gòu)布置調(diào)整圖

3) 生態(tài)流量泄放管調(diào)整由大壩左岸擋水壩段布置，調(diào)整至大壩右岸壩段布置。

管道中心線高程263.0 m，首部埋置與大壩混凝土內(nèi)，后部埋管布置，尾部通向沖沙放空渠道內(nèi)，管徑DN400，螺旋焊接鋼管，長度30 m。管道頭部布置攔污柵，壩后布置檢修、工作閥，集中布置于檢修閥井內(nèi)。

灌溉放水管同生態(tài)流量泄放管并排，同高布置，布置于同一壩段，布置形式同生態(tài)流量泄放管，管徑DN200，螺旋焊接鋼管，長度30 m。管道過壩后接原灌溉渠道。

2.2 工程等級和設(shè)計標準

堰壩結(jié)構(gòu)調(diào)整后，本工程等級和設(shè)計標準保持不變。本工程各單體永久性水工建筑物級別，根據(jù)所屬工程級別和建筑物重要性確定，主要建筑物為3級建筑物(埋管、調(diào)流閥等)，堰壩高度低，根據(jù)規(guī)范，降低一級為4級建筑物；次要建筑物為4級建筑物(檢修排水設(shè)施、交通道路等)；臨時建筑物按5級設(shè)計。

2.3 調(diào)整前后方案比較

方案比選主要考慮地形地質(zhì)條件、建筑物布置條件、施工條件、技術(shù)風(fēng)險以及投資等方面。

1) 壩基處理

按照原設(shè)計方案，堰壩左壩肩坡度較緩，植被發(fā)育較好，自然邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，壩基以強、中風(fēng)化基巖為持力層，基礎(chǔ)開挖需要進行炸藥爆破。堰壩優(yōu)化后上游壩基以強風(fēng)化基巖為主，地質(zhì)條件較好，僅需少量機械、人工開挖即可，避免了左壩肩的大開挖。

2) 政策處理

方案優(yōu)化后的上游擋墻屬于河道灘地，不需要占用農(nóng)民的林地、田地，對原始地貌的破壞也降到最低。政策處理工作能夠很快進行，既降低了項目成本，也有利于項目能盡早進入施工階段，為后續(xù)的工期計劃提供了極大的便捷。

3) 環(huán)境保護

堰壩壩型優(yōu)化后，堰壩溢流段長度由74.00 m調(diào)整為58.80 m，右岸引水渠平面位置向河道兩側(cè)偏移，減少基本農(nóng)田的永久占用。通過對原設(shè)計圖與優(yōu)化后設(shè)計圖的對比，減少基本農(nóng)田占用896.15 m2，同時避免了左壩肩伸入山體22.51 m的開挖工程，保護了自然環(huán)境。

4) 工程量及投資

兩種方案主要工程量及投資情況見表2。

表2 左壩肩工程量與投資比較表

通過對兩種方案主要工程量與投資的對比，壩型優(yōu)化后的方案雖然在土石方開挖量上有了極大的減少，但在混凝土方量上有較大的增加；壩型優(yōu)化后，縣道X101不需要開挖，也不需修建臨時道路。僅從工程成本考慮，堰壩優(yōu)化后相比于原設(shè)計成本增加25.42萬元。

5) 工程安全

從安全方面分析，堰壩優(yōu)化后無須對縣道X101進行改線，對社會車輛的日常通行不會造成影響，且堰壩施工區(qū)與縣道X101之間利用安全圍欄進行隔離，便于安全管理以及上游屏南鎮(zhèn)群眾安全出行。

通過以上地質(zhì)條件、政策處理、環(huán)境保護、投資、工程安全等方面的對比分析，綜合考慮將引水堰壩由傳統(tǒng)的重力式壩型優(yōu)化為L型布置重力壩。

3 穩(wěn)定計算

3.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL 319-2018)中抗剪斷強度計算公式[4]，即

K`=(f`∑W+C`A)/∑P

(1)

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL 319-2018)中應(yīng)力計算公式[5]，即

(2)

計算結(jié)果(表3和表4)表明，在各種計算情況下，壩體最大基底應(yīng)力滿足不大于地基允許承載力550 kPa，壩體基底不出現(xiàn)拉應(yīng)力，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)各工況均滿足要求。

表3 非溢流壩段穩(wěn)定應(yīng)力計算成果表

表4 溢流壩段穩(wěn)定應(yīng)力計算成果表

3.2 水力學(xué)計算

1) 泄流能力計算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL 253-2018)中開敞式冪曲線實用堰的泄流能力計算公式[6]，即

(3)

(4)

σs=H+v2/2g

(5)

經(jīng)溢洪道泄流能力計算得表5，溢洪道設(shè)計和校核工況下泄流能力均滿足河道調(diào)洪演算下泄流量725 m3/st和2 864 m3/s要求[6]。

表5 溢洪道泄流能力計算表

2) 消能防沖計算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL 253-2018)式A.6.1-1～3和A.6.3-1～3。式(6)—式(11)中,水躍淹沒度σ取1.05;消力池出口段流速系φ取0.95；消力池尾部出口水面跌落ΔZ單位為m。表6為溢洪道效能防沖能力計算表。計算結(jié)果表明，本工程實際取用池長為23.4 m，池深為1.6 m，滿足要求。

表6 溢洪道消能防沖能力計算表

(6)

(7)

d=σh2-h1-ΔZ

(8)

(9)

L=6.9(h2-h1)

(10)

Lk=0.8L

(11)

4 結(jié) 論

針對實際工程需要，通過對L型布置的重力壩優(yōu)化設(shè)計方案進行計算分析，可以得到如下基本結(jié)論：

1) 壩址和壩型選擇是水利水電工程建設(shè)中復(fù)雜、多因素影響的系統(tǒng)工程問題，需要全面綜合考慮利弊得失。

2) 通過綜合對比分析，龍泉市瑞垟引水一期工程引水堰壩優(yōu)化為L型布置重力壩，在功能上完全滿足設(shè)計要求，是完全可行的。

3)L型布置重力壩創(chuàng)造性地將左岸部分壩體改向上游，一次性解決了公路改線、過多永久占用基本農(nóng)田、山體大開挖等工程建設(shè)過程中存在的突出問題。

4) L型布置重力壩已經(jīng)在龍泉市瑞垟引水一期引水工程中建設(shè)完成并投入使用，可為當前和今后城鄉(xiāng)安全飲用水工程，尤其是水源地工程建設(shè)設(shè)計提供參考。