河道型水库工程护坡设计研究

许尚伟和桂玲

（山东省水利勘测设计院 山东济南 250013）

1 枢纽概况

1.1 工程概况

刘家道口枢纽工程是沂沭泗洪水东调南下工程实现50年一遇建设标准的主要工程，是实施沂沭河洪水东调入海，腾空骆马湖库容接纳南四湖洪水的关键工程，也是目前国内设计流量最大的平原水闸。

刘家道口枢纽的主要任务是调控、拦蓄沂河上游来水，在大官庄枢纽工程的配合下，使沂沭河中上游洪水的 60%～80%经新沭河东调入海，较大程度腾出骆马湖的防洪库容以提高接纳南四湖洪水的能力，同时兼有蓄水、灌溉、排沙、交通等综合效益。

刘家道口节制闸轴线位于分沂入沭河口右岸裹头以下约200m，闸轴线垂直沂河两岸大堤。型式采用开敞式钢筋混凝土小底板结构，主要由闸上翼墙、铺盖、闸室和闸下消力池、护坦、海漫、防冲槽、两岸翼墙以及闸下两岸护坡、闸上左岸裹头护坡、彭家道口闸上左岸护坡等组成。

刘家道口节制闸设计蓄水位近期59.5m，远期60.00m，远期蓄水总库容2680万m3。底板顶高程52.36m，闸门下设低堰高0.5m，堰顶高程52.86m。闸室单孔净宽16.0m，共36孔，总净宽576.0m。闸门采用16m×8.5m（宽×高）弧形钢质闸门并配备液压启闭机。闸上设交通桥。

1.2 水文气象条件

沂河属淮河流域，发源于沂蒙山区的鲁山南麓，全长333km。刘家道口以上流域面积10438km2，年平均降雨807mm左右，降水量年内分配很不均匀，6～8月份雨量占年雨量的60%～80%；12～2月雨量最少，仅占年雨量的10%左右，春秋两季各占年雨量的15%左右。根据临沂气象站1985～1989年实测资料统计，多年平均气温l3.2℃，月平均气温7月份最高为26℃，极端最高气温42℃，极端最低气温-24.9℃。无霜期180～195天，冻土深一般为0.30m，最大冻土深为0.40m，多年平均最大风速14m/s。据临沂市气象站1985～2007年共22年实测资料统计，最低气温1月份，月平均气温-1.7℃。

1.3 工程规模及洪水标准

（1）刘家道口枢纽工程等别为Ι等，工程规模为大（1）型。刘家道口节制闸建筑物级别为1 级，沂河堤防建筑物级别为2 级。

（2）刘家道口枢纽洪水标准为，50年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核。当沂河出现50年一遇洪水，临沂水文站流量16000m3/s 时，刘家道口节制闸设计流量12000m3/s，相应闸上水位61.14m，闸下水位60.96m，此时彭家道口分洪闸分洪流量4000m3/s。当沂河出现100年一遇洪水，临沂水文站流量19000m3/s 时，刘家道口节制闸流量14000m3/s，相应闸上水位61.76m，闸下水位 61.55m，此时彭家道口分洪闸分洪流量5000m3/s。

（3）闸前设计蓄水位，近期59.5m，远期60.0m。

（4）枢纽控制运用最高挡水位为61.06m。

2 设计研究范围

（1）刘家道口节制闸左岸闸间裹头护坡。刘家道口节制闸和彭家道口闸闸间裹头全部拆除重建，长共325m。堤内边坡1∶3 渐变至1∶2。护砌顶高程62.5～63.56m，内坡脚高程52.36～53.50m。

（2）彭道口闸上游左岸护坡。彭家道口闸上游左岸旧砌石护坡拆除重新护砌，长共869.70m。

（3）刘家道口节制闸下游左右岸护坡。刘家道口节制闸下游护坡左岸长 297.5m，右岸长352.2m。

3 设计指标

3.1 设计标准

（1）按蓄水建筑物确定设计标准。刘家道口节制闸闸前总库容为2680万m3，属于中型水库，根据SL252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》，确定为Ⅲ等工程，堤防建筑物级别为3级。

（2）按堤防工程确定设计标准。根据GB50286—98《堤防工程设计规范》，沂河防洪标准为50年一遇设计，堤防建筑物级别为2级。

（3）混凝土抗冻标号按SL191—2008《水工混凝土结构设计规范》确定。因临沂市多年来最低气温为1月份，月平均气温-1.7℃，属暖和气温区，混凝土抗冻标号不低于F50。

护坡设计应同时满足以上规范的技术要求。

3.2 主要设计指标

枢纽控制运用最高挡水位为61.06m，闸前为远期设计蓄水位60.0m，闸前50年一遇洪水位为61.14m。河底高程：53.50m。

4 护坡设计计算过程

采用刘家道口枢纽正常运行工况，非汛期正常蓄水位60.0m和汛期50年一遇洪水位61.14m作为计算条件。

4.1 方案比选

从施工进度、工艺和质量上考虑，块石护坡由于受当地块石材料产量的限制，难以满足工程建设进度的需要，且材料质量低，施工难度大。而混凝土预制块制作工艺先进，砌筑方便，能加满足工程建设进度的需要，质量能达到规范要求，安全可靠。从投资考虑，混凝土预制块护坡单位平方米造价略高于浆砌石护坡。从管理考虑，混凝土预制块护坡美观大方，便于管理。

经综合比较，选择混凝土预制块护坡。

4.2 波高和平均波长计算

按照SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》和GB50286—98《堤防工程设计规范》的规定，波高和平均波长计算公式如下：

式中：hm为平均波高，m；Lm为平均波长，m；Tm为平均波周期，s，平均波周期Tm=4.438hm0.5；D为风区长度，m；W为计算风速，m/s，取多年平均最大风速的1.5倍；Hm为水域平均深度；g为重力加速度，取9.81m/s2。

刘家道口闸上裹头、彭家道口闸上游左岸及刘家道口闸下游护坡波高计算成果见表1。

4.3 混凝土护坡面板厚度计算

由波浪压力大小及波浪等要素确定护坡块尺寸与护坡厚度。

（1）按SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》计算公式如下：

式中：η为系数，取1.0；hp为累积频率为1%的波高，m；b为沿坝坡向板长，0.52m；ρc为板的密度，取ρc＝2.40t/m3；m为单坡的坡度系数。

坝坡向板长按0.52m 计，刘家道口闸上游左岸裹头、彭家道口闸上游左岸护坡、刘家道口闸下游护坡计算结果见表2。

表1 波高计算成果表

表2 护坡计算结果

（2）按GB50286—98《堤防工程设计规范》计算公式如下：

式中：t为混凝土护面厚度（m）；η为系数，取0.075；H为累积频率为1%的波高，m；rb为混凝土板的重度，取ρc＝24kN/m3；B为沿斜坡方向（垂直于水边线）的护面板长度，m；m为斜坡坡率。

刘家道口闸上游左岸裹头护坡、彭家道口闸上游左岸护坡、刘家道口闸下游护坡计算结果见表3。

表3 护坡计算结果

4.4 混凝土护坡面板厚度确定

按照同时满足《堤防工程设计规范》和《碾压式土石坝设计规范》技术要求的原则，根据以上计算成果，刘家道口闸上游左岸裹头护坡厚度取0.20m，彭家道口闸上游左岸和刘家道口闸下游护坡厚度取0.12m。

4.5 护坡设计

（1）刘家道口闸上游左岸裹头段，自刘家道口节制闸至彭家道口闸上台阶长约325m，采用联锁式C25 混凝土块护坡，厚度0.20m，平面尺寸0.52m×0.38m。为防止堤坡风浪淘刷破坏和冻胀破坏，自上而下设粒径5～20mm 碎石垫层，厚0.15m，中粗砂厚0.15m。堤内边坡1∶3 渐变至1∶2。护砌顶高程 62.5～63.56m，内坡脚高程53.26～53.50m。为防止淘冲坡脚，坡脚设 M10浆砌石齿墙，深1.5m，宽1.0m。

（2）彭家道口闸上游左岸段，自彭家道口闸上台阶以上，将旧砌石护坡拆除重新护砌，长730m。堤内边坡为1∶2，护坡采用联锁式C25 混凝土块，厚度0.12m，平面尺寸0.52m×0.38m。为防止堤坡风浪淘刷破坏和冻胀破坏，自上而下设粒径5～20mm 碎石垫层，厚0.15m，中粗砂厚0.15m。护砌顶高程根据实际地形定为，61.50～63.00m。内坡脚高程53.50m，坡脚设M10 浆砌石齿墙，深1.0m，宽0.8m。

（3）刘家道口节制闸下游护坡左岸长297.5m，右岸长352.2m，护坡采用联锁式C25混凝土块，厚度0.12m，平面尺寸0.52m×0.38m。下设粒径5～20mm 碎石垫层，厚度0.20m。堤内边 坡 1∶3，护 砌 顶 高 程 63.36m，内 坡 脚 高 程52.36m，坡脚设M10 浆砌石齿墙，深1.0m，宽0.8m。

（4）混凝土格梁。为保证混凝土块护坡稳定安全，以上3 部分护坡均设置C20 现浇混凝土格梁，顺大堤长度每20m 设1 道顺坡向横梁，在高程58.50m 与堤顶处各设1 道水平向纵梁，梁尺寸均为宽0.3m，深0.5m。

5 结论

(1)本文提出了针对河道型水库护坡的新的设计方法，并应用于刘家道口枢纽上、下游堤防护坡设计。该枢纽工程建成运行六年，护坡质量良好。验证了该设计方法的正确性。

(2)混凝土预制块护坡在水利设计规范中尚未明确计算方法，本文提出了一种新的护坡计算方法。为目前南水北调山东段大力推广预制块混凝土护坡提供了设计方法和经验。

(3)混凝土预制块护坡施工方便，可采用工厂化生产，施工现场安装，降低了施工人工费和工期。

(4)采用混凝土预制块护坡，使枢纽整体美观整洁，成为一道美丽的风景线。

1 SL274—2001 碾压式土石坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，

2 GB50286—98 堤防工程设计规范[S].北京：中国计划出版社.

3 SL191—2008 水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，