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瀍河河道景觀治理工程中水量平衡與液壓壩設計淺析

2019-07-26 06:21:56張艷艷
陜西水利 2019年6期
關鍵詞:蓄水位洪水位壩基

張艷艷

(洛陽水利勘測設計有限責任公司,河南 洛陽 471000)

0 引言

城市水資源污染嚴重、水資源時空分布不均勻,已經嚴重制約城市的發(fā)展。因此,河道治理逐漸受到人民的重視。欽震杰等[1]對生態(tài)砌塊工程對河道整治效益進行研究,介紹一種新型的河道整治方案;邸玉翠[2]認為使用海綿城市理論進行城市河道治理,具有較好的工程效益;李念斌[3]、王慶[4]、宋燕琴[5]以河道整治為例,對生態(tài)治理工程進行研究;邵帥[6]、謝瑩[7]以大凌河為例,對河道治理設計和影響進行進行分析,認為河道整治具有較好的工程效益和社會影響;李勇等[8]、田勇等[9]以黃河下游灘區(qū)治理為例,分析不同的治理方案,并提出治理工程展望;黃勁柏[10]以喀什噶爾河為例,對河道治理方案進行研究。故本文在前人研究基礎之上,對瀍河河道治理工程進行研究。

1 工程概況

瀍河歷史文化景觀帶水面工程主要包括液壓壩工程、攔河堰工程和景觀水面工程。液壓壩工程位于洛吉快速路下游115 m處后李村,壩高4.0 m,壩長72.0 m,由12扇4 m×6 m聞門組成,液壓壩前景觀水面工程正常蓄水位181.0 m,形成水面面積6.83 hm,蓄水方量共計16.25萬m;攔河堰工程共布設7處,由固定堰段和液壓壩段組成,固定堰總高2.5 m,地上部分高0 m,液壓壩高1.5 m,凈寬6.0 m,由1扇1.5 m×6 m間門組成;7座攔河堰共形成景觀水面面積共8.1 hm,蓄水方量共計4.99 萬m3。

圖1 瀍河水系圖

2 設計洪水位

2.1 液壓壩處設計洪水位

液壓壩壩址位于河道治理中心樁號13+285.3處,根據(jù)水文計算結果可知,壩址處20年一遇洪水位為181.39 m。液壓壩泄洪能力按堰流基本公式計算。根據(jù)洪水流量、液壓壩下游水位、堰頂水頭和壩底板高程,采用水力學寬頂堰流公式計算,經計算,建壩前后壩址處河道20年一遇設計洪水位分別為181.39 m、180.83 m,建壩后不產生壅水。

2.2 攔河堰處設計洪水位

工程規(guī)劃布設7處攔河堰,分別位于河道治理中心樁號10+503、11+285、11+897、12+270、12+516.5、12+700、12+714 處 ,根據(jù)水文計算結果可知,攔河堰處20年一遇洪水位分別為201.18m、195.41m、190.55m、188.63m、186.44m、184.51m、184.39 m。

3 水量平衡分析

3.1 蓄水量

工程規(guī)劃布設7座攔河堰和1座液壓壩,可形成7級水面,共計蓄水量21.24萬m3,可形成水面面積14.93 hm2。

3.2 上游來水量

瀍河上游河道常年干枯,無法形成有效徑流,因此本次工程蓄水來水量不考慮天然徑流的因素,僅考慮污水處理廠排放的中水。上游孟津縣污水處理廠日處理污水排放水量為1.5萬m3,年排放量可達到547.5萬m3/a。根據(jù)景觀用水過程每年換水6次,在3月、4月、5月、6月、10月、11月考慮水體的循環(huán)水量,則換水時段上游中水來水量為274.5萬m3。

3.3 需水值

工程需水量包括水體蒸發(fā)量、滲漏量和換水量。蒸發(fā)量計算采用P=75%蒸發(fā)量乘以水面面積的方法得到,洛陽市P=75%保證率水面蒸發(fā)量1200 mm(4>20)乘以蒸發(fā)系數(shù)(0.64),并減去相應保證率降水量(578.2 mm) 得到。根據(jù)水面工程防滲措施,滲漏損失量按蓄水量的10%考慮。換水量計算:為有效保護水體的水質,水體為景觀用水,不接納城市污水、不參與城市防洪,只接受庫面降雨,由于水體更新受湖體納污能力影響,考慮保證水體清澈,不發(fā)生富營養(yǎng)化,采用增加水體循環(huán)的方式,加大循環(huán)水量,所以考慮每年換水6次。主汛期7月~9月和冰凍期12月~次年2月不考慮河流的水體循環(huán),因此,僅在3月、4月、5月、6月、10月、11月考慮水體的循環(huán)水量。經計算,工程年需水量133.46萬m3,需水量計算相見表1。

表1 景觀需水量分析

根據(jù)上述分析,上游孟津縣污水處理廠可利用中水水量為274.5萬m3/a,工程景觀蓄水量133.46萬m3/a,上游來水量可滿足工程用水要求。

4 液壓壩設計

4.1 壩址位置選取

液壓壩垂直于河道布置,壩址位于洛吉快速路下游115 m處(樁號3+285.3),壩高4.0 m,正常蓄水位181.0 m。液壓壩段長72 m,共布置(6 m×4 m)/扇×12扇,邊墩厚度為1.5 m。兩壩肩設翼墻,長10.4 m。上游防滲鋪蓋長70 m,下游消力池長25 m,深1.5 m,海漫長度40 m。液壓壩管理房總面積為200 m,布置于左岸二級臺地上。

4.2 壩底板高程及蓄水位選定

壩底板高程的選擇影響因素較多,既要考慮水面規(guī)劃情況,又要考慮蓄水、壩高的要求以及河床實際情況與行洪、淤積等因素。底板過高會影響行洪,增加上游淤積和下游沖刷;底板過低會增加壩高,影響蓄水,尤其是河床淤積影響運行,因此在多泥沙河流上,在滿足防洪標準的前提下,底板應盡量抬高一些。

綜合考慮以上影響因素,該段河道為淺山丘嶺區(qū),植被較差,水土流失嚴重,該段為河道泥沙的主要來源地,此外受河道梯級開發(fā)建設影響,同時根據(jù)水位、流量、泥沙、施工及檢修條件等確定。經比較論證,壩底板比河床平均高程適當抬高,略高于現(xiàn)河床平均高程或規(guī)劃河床高程,本工程擬定壩底板比河道底部高程高0.5 m。

壩頂高程即蓄水位的選擇,主要考慮河道縱坡、上下游水面銜接,形成水面景觀效果,庫區(qū)平均高程等因素,同時壩高滿足國內液壓壩生產要求,最終確定瀘河萬國商匯段水面高程和壩頂高程。各級液壓壩壩底板、壩頂及水面高程見表2。

表2 液壓壩壩底板、壩頂及水面高程表

4.3 液壓壩結構設計

液壓壩總寬75 m,凈寬度72 m,邊墩厚1.5 m,共布置液壓壩12扇,每扇6.0 m寬,4.0 m高。壩底板采用C25鋼筋砼結構,順水流方向長度為10.0 m,厚2.5 m,底板頂部高程177.0 m,底板上下游側設齒墻,底寬1.0 m,內側坡度1∶0.5,深度依據(jù)地質情況深入粘土巖設定為1.0 m~2.23 m。底板下鋪設10 cm厚C15混凝土墊層。底板垂直水流方向每18.0 m設一道伸縮縫,縫寬2 cm,縫內設651橡膠止水帶和閉孔低發(fā)聚乙烯板。液壓壩邊墩高4.5 m,采用C25鋼筋混凝土結構,邊墩頂部設不銹鋼欄桿,欄桿高1.2 m。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。

4.4 液壓壩穩(wěn)定性分析

4.4.1 液壓壩防滲排水分析

壩基防滲長度采用下式進行計算:

式中:L為壩基防滲長度,即壩基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長度的總和,m;C為允許滲徑系數(shù)值,根據(jù)壩基土質情況取用,壩底板下為沙卵石層,滲徑系數(shù)取4;△H為上下游水位差,m。

在蓄水期,上游正常蓄水位181.0 m,下游枯水位176.0 m,最大水位差△H=5.0 m,計算閘基防滲長度為20 m。

液壓壩壩底板上游齒墻座落在粘土巖上,根據(jù)壩基防滲布置,防滲輪廓由上游鋼筋混凝土鋪蓋及壩底板組成。根據(jù)工程總體布置計算的防滲輪廓總長40.1 m,大于正常蓄水位計算防滲長度20 m,閘基防滲布置滿足規(guī)范。

4.4.2 壩基滲透壓力計算

壩基滲透壓力按基巖設帷幕全截面直線分布法簡化計算。計算公式如下:

式中:I為作用于閘底板底面上的滲透壓力,kN/m;y為水的密度,9.81 kN/m3;L為帷幕(齒墻)下游距底板上游距離,m,本工程為1.0 m;α為滲透壓力強度系數(shù),取0.25;L’為閘底板底面水平投影長度,m;H為閘底板上游水位,取181.0 m;hs為閘下游水位,取176.0 m。

經計算,U=85.84 kN/m。

4.4.3 壩基穩(wěn)定性計算

液壓壩工程等級為3級,液壓壩穩(wěn)定計算考慮以下兩種工況:

A完建情況:荷載特殊組合情況,即壩室上下游均無水情況,僅考慮永久荷載,可變作用中的風荷載較小,可忽略不計。

B正常蓄水位情況:荷載基本組合情況,即液壓壩上游正常蓄水位、下游無水情況。

穩(wěn)定計算分別計算邊跨和中跨一個分縫段穩(wěn)定情況,計算結果見表3~表4。水閘現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定:土基基本荷載允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.25,特殊組合不小于1.1;基地不均勻系數(shù)基本組合不大于2.0,特殊組合不大于2.5。由表3~表4可知,液壓壩中跨、邊跨抗滑安全系數(shù)及基地不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求,結構設計合理。

表3 中跨計算結果

表4 邊跨計算結果

5 結論

(1)對瀍河河道景觀整治工程從設計洪水位、水量供需平衡進行計算可知,進行整治后可以改善瀍河斷流的現(xiàn)象,同時可有效保障汛期沿岸居民的生命財產安全,具有較好的生態(tài)、環(huán)境、社會和經濟效益。

(2)選用液壓壩作為河道整治的主要壩型,從壩址選取、蓄水位設計、壩型結構設計以及穩(wěn)定性4個方面,對液壓壩設計進行分析,得出液壓壩可滿足工程安全和景觀要求,可為類似工程提供參考。

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