浅析农村灌区新坝的建设和设计方案

雷 鸣

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司安徽分公司,安徽 合肥 230000）

霍山县灌区主干渠为淠源渠,下符桥灌区内淠源渠段长7.3 km,但由于渠道沿线较长,淠源渠沿途取用水户较多,上游取用水量较大,灌溉用水至下符桥灌区,已不能满足现状灌溉需求。为保障灌区灌溉用水,需新建挡水坝提高水位,达到灌溉下符桥灌区的目的,故本文对新建挡水坝进行分析。

1 坝址比选

拟定坝址位置为3 处,见图1。坝址一：圣王路公路桥上游250 m 处；坝址二：圣王路公路桥下游400 m 处；坝址三：陈山塘圩区以下300 m。如坝址选择在陈山塘圩区以下（坝址三）,则会影响现状陈山塘圩区的排涝体系；考虑为最大限度地形成下符桥镇的水面,若闸址选择在圣王路公路桥上游（坝址一）,将减少现状拦蓄水面面积,影响镇上水生态的范围及效果。为利于总体平面布置使水流衔接平顺,且不影响现有高压线路,并兼顾施工要求,坝址确定在该段高压线塔以下的顺直河段,距离圣王路公路桥下游约400 m 处（坝址二）。

图1 拟定坝址位置图

2 坝型、坝轴线选择

（1）坝型选择

1）橡胶坝

橡胶坝具有坝高可调节、坝顶可溢流的特性；并可以根据需要,分成多个坝段,正常情况下通过坝顶溢流,洪水期则可使一段或多段塌坝,增大过流能力,满足泄洪要求。橡胶坝塌坝时,过流断面达到最大,可满足大流量泄洪的要求。坝袋若长期遭受飘浮物的摩擦,以及频繁的胀塌作用,影响坝袋的使用寿命。

2）液压升降坝

液压升降坝是最近几年发展推广的新型坝型,力学结构科学、不阻水、不怕泥砂淤积；不受漂浮物影响；放坝快速,不影响防洪安全；结构坚固可靠,抗洪水冲击能力强。它在充分考虑传统的活动坝型缺陷基础上,保留了平板闸、橡胶坝、翻板闸三种坝型的基本优点。

3）连杆液压坝

连杆液压坝的闸板下部与坝基由第一铰接轴铰接,闸板的背水面与坝基之间设置有第一、二两个连杆,第一连杆的上端与闸板的背水面通过第二铰接轴铰接,第二连杆的下端与坝基通过第三铰接轴铰接连接,第一连杆的下端与第二连杆的上端通过第四铰接轴铰接,闸板的背水面还设置有用于驱动闸板绕第一铰接轴转动的液压缸,液压缸的缸体与河床上的基础铰接,液压缸的活塞杆的杆端与第一、二两个连杆之间设置有连杆机构,液压缸驱动连杆机构带动第一、二两个连杆之间的夹角为逐渐变大至两杆体顺直位置。液压缸不需要一直持续地工作,支撑稳定,使用寿命长。

连杆液压坝造价约为2.0 万/m2～3.0 万/m2,橡胶坝投资在3.5 m 挡水高度时约为2.0 万/m。本工程蓄水坝宽60 m,挡水高度3.5 m,连杆液压坝投资约比橡胶坝投资贵210 万元。虽然连杆液压坝投资较高,但显然对工程的运行管理更为有利,较为可取。

综合以上比较分析,连杆液压坝虽投资较高,但其较橡胶坝具有可靠性高,运用灵活、泄流能力大、运行检修条件好等优点；因此,为满足河道的防洪安全,提高本工程运行的安全及可靠度,推荐采用连杆液压坝坝型方案。

（2）坝轴线选择

根据实测地形情况,经过布置调整,为衔接液压坝段上下游水流的平顺,且坝两侧岸墙布置尽量相对河道位置左右对称,使液压坝段纵向轴线与河道中心线尽量吻合；同时为兼顾实现建坝后水景观的最佳效果及陈山塘圩区排涵出口的位置,坝轴线选定在距离圣王路公路桥下游约400 m 处,坝轴线基本沿该处河道中心线垂直向布置。液压坝段左右侧岸墙及上游导水段、下游消力池段岸墙均按直线布置,导水段之前及消力池之后以直立渐变挡墙逐渐平顺过渡与上、下游河道连接。

3 工程总体布置方案选择

本工程连杆液压坝主要建筑物由液压坝及液压泵房等组成。由于液压坝油压管路设计高程较低,基本接近河底高程,因此工程施工时,管路开挖涉及的影响范围较大；根据本阶段坝址处的地质勘察成果,河道两岸的地质条件相当；综合各相关条件,考虑堤外有较为开阔的平台可利用,进一步将液压泵房分堤外及堤后两种布置,分析比较液压坝的总体布置形式。

方案一：将液压泵房布置于右岸堤顶。该方案利用现状堤顶较宽泵站管理房场地,故油压管路无需穿堤,距坝较近；不仅油压管路短,坝升降速度快；且施工期对环境的影响及破坏小,施工场地可不受限制,施工方便,既有利于施工组织设计,亦可减少工程投资。

方案二：将液压泵房布置于右岸堤后。该方案因油压管路自坝底板引至泵房,需穿右岸堤防埋设,不仅管路长,且施工期对右岸已经治理的防护结构破坏大；若施工场地受限,将加大施工难度,不利于施工组织设计；管路开挖复堤后并需恢复已经治理后的原有的外观,包括边坡防护结构、道路等,又将增大工程投资。

综上比较,为最大限度地减少对既有工程的影响及破坏,避免工程重复投入,确定采用方案一,即将液压泵房布置于堤外,泵房底板高程需高于20 年一遇洪水位。泵房尺寸为8.6 m×8.0 m（长×宽）。

4 连杆液压坝设计

连杆液压坝布置分为护底、铺盖、坝体、消力池和防冲槽,顺水流方向长度为46.0 m,溢流净宽60.0 m。

4.1 防渗排水布置

根据水闸设计规范,闸基防渗长度按下式计算：

式中：ΔH 为上下游水位差；C 为渗径系数,闸基为中风化砂岩,取C=3；L 为闸基防渗长度。

计算结果见表1。

表1 防渗长度计算成果表

4.2 泄流能力计算

连杆液压坝的泄流可分两种状态,即放坝泄流及升坝挡水下的溢流。坝完全放平时,可视作宽顶堰；升坝挡水时,可视为薄壁堰。根据连杆液压坝的一般运用要求,在设计坝高下的坝顶溢流深度不宜太大,应不超过0.5 m,以免引起坝面振动,影响坝使用寿命；超过一定的溢流水深,可通过放倒一扇或数扇闸门进行泄流。

1）闭门挡水、门顶溢流

当δ＜0.67H*时按薄壁堰流计算,流量公式为：

当0.67H*＜δ＜2H*时按实用堰流计算,流量公式为：

式中：δ为门顶厚度,m,0.1 m；H*为上游水位与全关门顶的高差,m；Q 为过坝流量,m3/s；ε为侧收缩系数,取0.95；m0为薄壁堰流的流量系数,根据计算约为0.41；m 为实用堰流的流量系数。

门顶厚度为0.1 m,上游水位与全关门顶的高差取0.5 m,蓄水坝门顶溢流流量见表2。

表2 闸门全关流量计算成果表

2）闸门全开平卧时

按堰流公式计算,其流量系数与淹没系数应根据液压坝的特点和实际工程的水力水文条件通过模型试验确定。流量公式为：

式中：Q 为过坝流量,m3/s；B0为溢流断面宽度,泄洪时平台过流,取平均宽度80 m；H0为计入行近流速水头的堰顶水头,m；m 为流量系数；ε为侧收缩系数,取0.95；σ 为淹没系数；hs为由堰顶算起的下游水深,m。

经计算,堰上水头计算结果见表3。

本试验过程中，小鼠各肠段肠黏膜SIgA呈现动态变化趋势，前3周逐渐上升，但在第4周的时候出现了全群下降，之后又恢复上升趋势，说明小鼠的免疫能力随着年龄的增长逐渐发展和完善，第4周的全群变化可能与气候突变导致应激所致。

表3 全开平卧溢流流量计算成果表

4.3 消能防冲布置

按《水闸设计规范》（SL 265-2016）有关公式计算：

式中：d 为消力池深度,m；σ0为水跃淹没系数,1.05～1.1；hs'为出池河床水深,m；Δz 为出池落差,m。

式中：hc''为跃后水深,m；hc为收缩断面水深,m；α为动能校正系数,1.0～1.05；q 为过闸单宽流量,m3/s/m；Lsj为消力池长度,m；Ls为消力池斜坡段投影长度,m；β为水跃长度校正系数；Lj为水跃长度,m。

消力池底板厚度：

式中：t 为消力池底板始端厚度,m；k1为消力池底板计算系数,0.15～0.20；ΔH'为泄水时的上下游水位差,m；k2为消力池底板安全系数,1.1～1.3；U 为作用在消力池底板底面的扬压力,kPa；W 为作用在消力池底板顶面的水重,kPa；Pm为作用在消力池底板上的脉动压力,kPa；γb为消力池底板的饱和重度,kN/m3。

经计算,在遭遇设计洪水工况时,跃后水深为5.05 m,下游水深6.75 m,产生淹没式水跃,水跃长度22.72 m,无需建消力池,设计洪水时需海漫长度为27.33 m；在遭遇校核洪水工况时,跃后水深为6.08 m,下游水深7.55 m,产生淹没式水跃,水跃长度26.22 m,无需建消力池,设计洪水时需海漫长度为35.88 m。

结合坝下地形地质条件,考虑消力池兼做海漫设计,取水跃长度校正系数β=0.7,计算得消力池长度15.90 m。由于其下覆中砂夹砾石及砂砾夹卵石层可能存在砂土液化问题,故消力池深度设置至强风化基岩,深为2.1 m,长度为16.0 m,底板厚度为0.5 m；钢丝绳网兜块石防冲槽深度设置至强风化基岩,长10 m,深2.4 m,从而将防护长度范围内可能液化土层彻底清除。

4.4 稳定计算

荷载计算（取垂直水流方向1.0 m 长）：底板自重、闸门自重、底板上水重、底板下扬压力、上下游水平水推力。地震工况计入水平方向7 度地震惯性力。

（1）坝基础底板抗滑稳定计算公式：

式中：f 为底板底面与地基土之间的摩擦系数,根据工程地质勘察报告,并参考《水闸设计规范》（SL 265-2016）,取f=0.35；∑G 为作用于底板底面的全部竖向荷载,主要为底板自重、底板上水重及底板底面扬压力。

经计算,坝体稳定计算见表4。

表4 蓄水坝稳定计算表

（2）底板基底应力计算：

式中：A 为底板（单位长度）底面的面积；W 为底板底面的截面矩；∑M 为全部荷载对底板中心的力矩,即满足地基承载力要求。

基底应力计算成果见表5。

表5 基底应力计算成果表

由以上计算成果可见,连杆液压坝底板的平均基底压力均小于地基容许承载力；基底压力的最大值与最小值之比均小于规定的容许值,抗滑稳定安全系数均大于规定的容许值。

5 结语

安徽省霍山县下符桥新水坝的建设将提高水的利用率,节约水资源,提高灌溉保证率；保证灌区内工业及居民生活用水,保障灌区农作物增产、农民增收；降低供水成本,减轻农民用水负担；结果可为灌区的经济发展提供强有力的用水保障。