洛阳市洛河西段渠首工程挡水建筑物设计分析

徐雅雯

（洛阳市引黄工程综合服务中心,河南 洛阳 471000）

1 工程概况

洛阳市洛河西段治理渠首工程位于金水堰电站引水渠进水闸下游 200 m（洛河桩号 247+038.01）,工程区河道基本顺直,局部稍有弯曲,河道宽约 400 m,为深 3 m~6 m 左右的 U 型河槽,其河床宽约100 m,漫滩宽约300 m。坝址处左岸岸顶高程165.30 m左右,右岸岸顶高程171.25 m左右,河水位160.50 m,河槽地面高程160.10 m~165.20 m,滩面高差约5.10 m。现状河道左岸为老河堤及建筑填土,右岸为新建堤防。工程位置见图1。

图1 工程位置图

工程等别为Ⅳ等, 其主要建筑物级别为4 级。工程设计防洪标准采用20 年一遇设计,相应洪峰流量为4180 m3/s,校核洪水标准为100 年一遇,相应洪峰流量为 7240 m3/s。

2 挡水建筑物设计

2.1 地质分析

坝基建基面位于③粘土岩（N）层,属微透水性,为相对隔水层,两坝肩分布的级配不良砾层,具有强透水性,坝址区河水对地下水直接补给,易形成绕坝渗漏。

2.1.1 天然渗漏量估算

根据水库边界条件,坝段将产生绕坝渗漏,绕坝渗流线接近圆形,按下式计算坝段绕坝渗漏量：

式中：Q为侧向渗漏量,m3/d；K为渗透系数,m/d,取K=9.91×10-2cm/s=85.6 m/d ；H为坝上下游水位差,取H= 4.8 m；H1为库水位至隔水层顶板厚度,取H1=7.0 m；h为坝后水位至隔水层顶板厚度,取h1=2.2 m；B为岸边可能渗漏长度,取B=1400 m；r0为坝端与岸边轮廓半径,取r0=2b/2=12/2=6 m。

正常蓄水位一岸绕坝渗漏量：Q=0.366×85.6×4.8×（7+2.2）lg（1400/6）=3276.1 m3/d；正常蓄水位两岸绕坝渗漏量：3276.1×2=0.655 万 m3/d。

2.1.2 蓄水分析

在正常情况下,洛河多年日平均来水量约170 万m3/d。在正常情况下日平均来水量扣除上游8 级水面最大渗漏量约 76.8 万m3/d,渠首最大日渗漏量约0.655 万m3/d,日来水量还余约92.7 万m3/d, 为了减少库区渗漏,限制地下水位过量升高,确保在来水量较小的情况下也能形成较大的水面,渠首工程在坝址上游铺设了50 m的防渗。

2.2 渠首主建筑物设计

2.2.1 坝型比选及坝高选择

（1）坝型的选定。拦河枢纽工程,一般型式有坝、闸。首选方案应是活动坝或闸。 洛河下游河道上,建有华林园、上阳宫、同乐园、洛神铺、周山等水面工程,其拦河枢纽均采用橡胶坝,建成后运行情况良好；洛阳市在伊河、洛河上建有多座橡胶坝,所以建橡胶坝有成功经验可供借鉴。

工程段洛河河床宽、汛期洪水大,含沙量也较大,无论是直升闸、翻板闸或浮体闸,一般都跨度有限,其启闭操作运行都受到一定限制,对渲泄洪水都有一定影响,而橡胶坝具有蓄清排洪的特点,可根据上游洪水情况,灵活操作控制,塌坝行洪。所以经综合分析比较,洛阳市洛河西段治理渠首工程选择采用橡胶坝方案。

（2）坝高选择。现状金水堰电站引水渠渠首坝部分为砌石坝,破损严重,且长度约为100 m,其余坝体段为砂卵石临时堆填的固定坝,抗冲能力差且阻水严重。为满足电站正常引水要求,新建渠首坝高维持原有渠首坝高度,其高度为 3.5 m。

2.2.2 橡胶坝设计

橡胶坝段总宽383 m,净宽度375 m,分为5 跨,自左向右依次为第一跨至第五跨,单跨长75 m,中墩厚1.4 m,边墩厚1.2 m。坝高3.5 m,正常蓄水位165.3 m,底板高程161.8 m。橡胶坝纵剖面见图2。

图2 橡胶坝纵剖面图

（1）坝袋设计

①坝袋结构型式。采用堵头枕式单袋双锚固充水式坝袋。②内压比。坝袋设计高度H为 3. 5 m,其内压高度 Ho,由选定的内压比a计算,参照《橡胶坝》,内压比取 1.3,内压高度由公式公式а=Ho/H1计算。经计算,橡胶坝内压高度 Ho为 4.55 m。③坝袋有效周长及底垫片有效长度。按《橡胶坝技术规范》（SL 50979-2014）附录B计算坝袋充水后形状参数,即上游曲线段S1、下游曲线段S、上游水平贴地段n,下游水平贴地段 X0,其计算结果如下：坝高3.5 m坝袋有效周长Lo=S1+S=615+620=1235 cm；坝高3.5 m底垫片有效长度Lo=n＋X0=206+452=658 cm；坝高3.5 m单跨坝袋面积926.3 m2,坝袋总面积4631.5 m2。④坝袋拉力。袋壁为薄膜结构,当充水到设计内压高度时,主要产生环向（径向）拉力,其计算按照上游水位平坝顶、下游无水时依据T=r（H0H1-H21/2）/2 公式计算,经计算坝袋拉力为 49 kN/m。⑤坝袋容积。根据坝高 H1及设计内压比а,按《橡胶坝》一书查表计算,坝袋单宽容积VO=1.7204×3.52=21.07 m3/m。单坝袋容积为 1580.25 m3,坝袋总容积 7901.25 m3。⑥坝袋型号。选用专业厂家按部颁标准生产的氯丁合成橡胶锦纶帆布坝袋, 其型号为坝高 3.5 m采用JBD3.5-280280-2 型,坝袋胶布型号为J280280-2,经/纬强度为 448/448 kN/m,堵头采用一布二胶,堵头胶布型号为 J460400-1。⑦坝袋强度安全系数。根据坝袋胶布材料加工制成胶布时强度损失一般达 15%～25%左右,取20%计算安全系数。3.5 m坝高安全系数K=448×0.8/49=7.31＞6 符合规范规定。⑧坝袋锚固。坝袋采用上下游双线穿孔压板螺栓锚固。上游锚固线距坝底板上游边为1.38 m,下游锚固线距坝底板下游为3.92 m。锚固螺栓直径上下游均采用φ30,间距20 cm。

（2）坝底板设计

坝底板采用 C25 钢筋砼底板,上下游设齿墙。底板长度（顺水流方向）为 12 m,底板厚均为1.2 m。上下游齿墙深均为3 m~1.5 m,齿墙底宽均为1.2 m。底板预埋锚固螺栓,预埋充排水管路埋件,下游齿墙预留排水孔。底板设伸缩缝,缝宽2 cm,缝内设651 橡胶止水带和聚乙烯闭孔泡沫板。底板与地基滑动磨擦系数取0.50。经抗滑稳定计算,当坝袋充水到设计坝高,坝顶溢流水深0.5 m时,抗滑稳定安全系数为 2.1,大于规范规定 1.2 的要求。

（3）两岸宽顶堰

左右两岸滩地宽顶堰采用门字型断面,采用 C25 钢筋砼浇筑,堰顶高程165.40 m,底板为 1.0 m 厚钢筋混凝土,顺水流方向长度9.6 m；上游齿墙深度6.8 m、5.8 m,要求深入粘土岩不小于1.0 m,下游齿墙深度4.6 m。上下游齿墙宽度均为1.2 m。固定堰上部设48 cm厚种植土和12 cm厚C30 联锁砖。左右岸宽顶堰每隔7.7 m设一道伸缩缝,缝宽2 cm,缝内设651 橡胶止水带和聚乙烯闭孔泡沫板。

（4）大口井设计

渠首工程供水水源采用大口井,左右岸各布置一个,位于橡胶坝上游,顺水流方向距橡胶坝底板 10 m、垂直水流方向距两挡墙迎水侧 10 m 处。大口井外径 7.3 m、内径 6 m、壁厚 0.65 m,采用 C25 钢筋混凝土。大口井总高 6.3 m。大口井顶部高程为 163.50 m,井底高程 为158.20 m。底板厚0.8 m,井底设 10 cm 厚 C15 混凝土垫层。大口井内布置1个立柱,柱尺寸为0.6 m×0.6 m。井顶板为梁板结构,板厚0.2 m,梁高0.6 m、宽0.3 m。大口井顶板设进人孔,尺寸为0.6 m×0.6 m,其上设钢盖板。吸水管管道中心高程160.10 m。通气管沿河底及岸坡埋设至高程170.65 m处,管道顶部设弯头。为便于集水,大口井井壁上按梅花形布设PVC集水管,间距0.6 m,管径80 mm,管长0.65 m,井壁外包反滤布（250 g/m2,厚 2.1 mm）,井壁外侧 1m 范围内回填反滤料。回填料采用直径5 mm~25 mm级配砂卵石。

（5）放水底孔设计

为便于坝袋维修及放空底板以下河水,在 1、5 跨橡胶坝底板下部各设2 个放水底孔,孔径1.0 m,采用插板闸门控制。放水底进 口高程160.30 m,出口位于消力池陡坡段末端,出口高程159.35 m。

2.2.3 橡胶坝控制室设计

橡胶坝控制室段布置在左右岸迎水坡,控制室平台171.55 m高程以下为仓储室一层、仓储室二层及水泵室层,水泵室底板高程为 159.1 m。控制室平台高程 171.55 m,平台尺寸长宽为10.4 m×16.4 m,控制室平台以下净断面尺寸长宽为8.8 m×14.8 m,除楼梯通道外,为封闭箱形柱梁板结构,侧墙厚度均为0.8 m。为减少顶板跨径设3 根60 cm×60 cm 中柱,顶板为梁板结构,其中板厚0.15 m,梁断面尺寸高宽为0.45 m×0.3 m。水泵室底板厚度1 m,底板面积10.4 m×16.4 m。水泵室内布置集水井,井底高程比水泵室底板高程低1 m,集水井尺寸1.0 m×1.0 m。控制平台171.55 m高程以上为控制室,采用单层砖砼结构,建筑面积 118.28 m2。

2.2.4 上游连接段设计

橡胶坝上游翼墙段长43 m,直线段长25 m,圆弧段长18 m。翼墙高度为4.5 m,墙踵、墙址台阶宽0.5 m,深1 m,总高度为5.5 m。采用C25 混凝土重力式挡土墙,顶宽0.6 m,底宽 3.4 m,迎水侧铅直,背水坡坡比1∶0.4。圆弧式翼墙圆弧内半径18 m,圆心角90°。基础下设30cm厚 C20 砼护脚,护脚与基础接触部位设止水。护脚下设齿墙,深入粘土岩0.5 m。翼墙设伸缩缝,缝宽2 cm,缝内651 橡胶止水,采用聚乙烯闭孔低发泡膜板填缝。挡墙顶部设仿木栏杆。

3 结语

挡水建筑物的设计需要依据河道的具体的情况而定,包括但不限于：地形、地质、经验。洛河西段治理渠首工程的建成,离不开洛河流域上已经修建而成且运行成功的水面工程的宝贵经验。修建洛河西段治理渠首工程,对于洛阳市的经济发展有着重大意义,并且给类似的水面工程提供了成功的借鉴经验。