涞源县界沟导洪沟落差建筑物方案设计

□刘立雪

涞源县界沟导洪沟落差建筑物方案设计

□刘立雪

涞源县城位于河北省西北部，拒马河支流东、西界沟位于县城西北部，在涞源县城中部汇合后，穿涞源县城，在县城南汇入拒马河。汛期洪水穿城而过，为解决西北部洪水对县城防洪安全的威胁，在涞源县城西、北外环路外侧开挖导洪沟，将东、西界沟洪水在县城西南导入沿村沟，再汇入拒马河干流，以保障县城防洪安全。

1.工程概况

涞源县城西北防洪工程（东、西界沟导洪工程）总体设计中导洪沟全长约3.35km，导洪沟桩号3+175至沿村沟河道中心段长172 m，导洪沟与沿村沟中心线交角为39°，导洪沟底与交叉河口处沿村沟底高差为14.8m，此段设计落差建筑物将洪水从导洪沟导入沿村沟。导洪沟桩号3+175处采用梯形断面，底宽6m，两岸边坡坡比1∶2.2，沟深2.14m，沟底高程866.4m，地面高程868.5m。交叉点处沿村沟沟深约8.7m，沟底高程851.6m，地面高程858.9m，底宽9m，上口宽37m，土质河床。

2.方案设计

设计结合现状地形、工程地质、水流条件、施工条件、占地、工程投资等因素确定落差建筑形式。从河床土质及水流条件等因素考虑，不宜在交叉口处集中落差。为此在入沿村沟前做好消能设计，减轻交汇口冲刷。

2.1 消能方式比选

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。面流消能沟道下游水位对消能效果影响很大，要求下游水位相对稳定，才能保证消能效果。本工程为泄洪工程，北方地区沟道非汛期基本无水，汛期洪水陡涨陡落，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础和射流冲刷坑之间有足够的距离，以确保工程安全。挑流消能冲刷坑下游水流仍有较大破坏能力，下游仍将有较大范围的冲刷，须做好防护。本工程总长172m，末端以交角39°汇入沿村沟，且为土质河床，如在入沿村沟前布置挑流消能，水流经整流平顺后再入沿村沟，因冲刷坑深度偏大，将导致开挖方量及占地工程量大增；如在沿村沟入口处布置挑流消能，将导致高速洪水入沿村沟急速转弯的流态，不利于河床边坡稳定和工程安全。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，结合本工程特点，设计仍采用底流消能。

2.2 落差建筑物方案比选

结合现状情况，拟定3种方案进行比较：方案一多级跌水方案，方案二陡坡加跌水方案和方案三梯级跌水方案。3种方案均为洪水经跌水入消力池消能后，汇入沿村沟。

方案一（多级跌水方案）。由进口渐变段、跌水段和出口整流段组成，总长172m。其中进口段长25m，设渐变段与跌水段衔接。跌水段总长90m，由6级跌水组成，第1级至第5级每级跌差2.5m，第6级跌差2.3m。出口段长52m，其下汇入沿村沟。

方案二（陡坡+多级跌水方案）。由进口渐变段、陡坡段、跌水段和出口段组成，总长172m。其中渐变段长20m，设圆弧冀墙与陡坡段衔接。陡坡段长40m，矩形断面，坡比结合现状地形，设计为1∶8，其后设20m长消力池。跌水段长45m，共设3级跌水，第1级至第3级跌差为2.5m，第4级跌差为2.3m，跌水下设消力池。出口段长47m，其下汇入沿村沟。

方案三（台阶跌水方案）。由进口渐变段、台阶跌水段和出口段组成，总长172m。进口段及出口段设计同方案一。台阶跌水段总长78m，由30级台阶组成，每级台阶宽2.6m，高0.5m(末级台阶高0.3m)。台阶跌水末端设消力池，池长15m。出口段长54m。

方案一，水流经过多级跌水逐级消能，降低了水流速度，消能效果较好。但跌水工程无法与现状自然地形紧密结合，土方开挖量较大，且跌水需要修建坚固的跌水挡墙，故跌水方案工程费用高，投资最大。方案二，陡坡段坡陡、流急，陡坡末端流速达12.5m/s，易引起掺气、空蚀破坏等现象。陡坡段坡比结合现状自然地形布置，土方开挖量较小，但陡坡下游消能防冲工程量偏大。下游跌水段开挖量较大，投资较高。方案三较好地适应了现状地形条件，土方开挖量最小。每级台阶均有消能效果，减小了其下游消能设施工程量，投资最省。从水力特性、开挖工程量、投资等角度综合考虑，设计采用方案三。

2.3 入沿村沟衔接设计

经整流后的洪水以39°交角汇入沿村沟，对沿村沟入口处进行砌石防护。护砌断面满足沿村沟过流能力要求，护砌高度满足设计洪水位加安全超高要求，护砌下游断设防冲齿墙。

2.4 地基处理

依据该工程地质资料，上部地层4.0m以上为中粉质壤土及粉质黏土，4.0m以下为卵石（Q2），揭露厚度16.0m。初步分析建筑物处埋深较浅，部分基础位于中粉质壤土及粉质黏土中，该层土较薄且具湿陷性，设计采取换填处理。

此工程采用台阶跌水方案，逐级跌水消能，降低了水流速度，减少了对落差建筑物的冲刷，能够最大限度适应地形条件，减少开挖工程量，少占土地，节约土地资源。需要特别注意的是，泄洪落差建筑设计有别于渠道落差建筑物，方案设计时既要借鉴渠道落差建筑物的工程实践经验，又要考虑实际情况，做出经济合理的设计方案；另外，整个工程设计中须做好排水、安全防护、人行路设计，以便运行管理。□

2014-05-14

刘立雪，女，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，正高级工程师。