潮白河小高坨跌水橡膠壩設計分析

朱博然，李 琦，李文星，李 杰

(河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056000)

1 工程概況

潮白河位于海河流域北部，西界永定河，北依蒙古高原，東界灤河，南臨渤海。潮白河上游由潮河、白河兩大支流組成，流經北京市密云縣，納懷河過順義流入平原，下游河道流經北京市通州區、河北省三河市及大廠回族自治縣，至香河縣吳村閘，于香河縣榮各莊進入天津市寶坻縣境內，在里自沽納青龍灣減河，至寧車沽防潮閘匯入永定新河。河道全長 467km，流域面積19354km2，其中山區面積16810km2[2]。新建小高坨跌水橡膠壩，位于榮各莊揚水站下游約560m，對潮白河徑流進行調節，滿足河道兩側灌區抗旱灌溉應急供水要求。

香河縣潮白河小高坨跌水橡膠壩工程的實施，大幅度加大了河道蓄水面積，增加河道入滲量補充地下水，提高了雨洪資源利用率，改善了河道兩岸生態環境，不僅保障了作物播種期和作物生長關鍵期的基本需水，同時還可作為抗旱應急水源在旱期為周邊居民提供生活用水，產生了巨大的環境和社會效益。

2 工程布置

在滿足防洪要求的前提下，新建小高坨跌水橡膠壩，位于榮各莊揚水站下游約560m，對潮白河徑流進行調節。潮白河河道為復式斷面，為減少對河道行洪影響，節省工程量，橡膠壩布置在河道主槽內，橡膠壩口門寬度應與主槽寬度基本相同；同時，為保證河道大蓄水量和減少蓄水后對兩岸產生浸沒影響，橡膠壩蓄水位應盡量接近河道兩岸灘地高程，不宜高于兩岸地面高程。根據橡膠壩布置原則[3]，確定小高坨跌水橡膠壩位于河道主槽內，壩長160m，壩高2.5m，蓄水位6.5m，順水流方向長79.5m，由上游連接段、壩室段和下游連接段三部分組成。

上游連接段長20m，進口設漿砌石水平防護，長10m，梯形過水斷面，底寬161m，邊坡1∶4，底高程4.0m，厚0.5m，下設0.1m厚碎石墊層；鋪蓋長10m，為鋼筋混凝土結構，厚0.4m，坡比1:50，底高程由4.0m漸升至4.2m；兩岸邊墻為鋼筋混凝土懸臂式，設圓弧翼墻與上游河道、壩室段連接，墻頂高程7.0m，高出蓄水位0.5m。

壩室段順水流方向長9.0m，為鋼筋混凝土結構，包括底板、邊墩、中墩和壩袋，兩孔布置，單孔壩長80m，總壩長160m，壩高2.5m。壩底板頂高程4.2m，厚0.9m。兩岸邊墩為鋼筋混凝土懸臂式，墻頂高程7.0m，為避免壩袋塌肩，邊墩、中墩底板壩袋一側采用1∶10斜坡，抬高底板0.2m。壩袋采用枕式充水壩袋，壩袋設計內外壓比1.3。充壩水源取自深井，利用深井泵取水充壩。泵房布置在河道右岸，為地下結構。汛期橡膠壩坍壩運行。

下游連接段長50.5m。橡膠壩壩后設0.5m水平段，后接斜坡段，坡比1∶5，長3.5m，下游設鋼筋混凝土消力池，池深0.5m，池底高程3.5m，池長10m，底板厚0.6m，池內設Φ100排水孔，間距1.5m，梅花形布置，下設反濾層；消力池下游鋼筋混凝土護坦長10m，底高程4.0m，厚0.5m，兩岸邊墻為鋼筋混凝土懸臂式，墻頂高程7.0m；出口設漿砌石水平防護，長10m，底高程4.0m，厚0.5m，下設0.1m厚碎石墊層，設圓弧翼墻與護坦、下游河道連接，河道為梯形過水斷面，底寬161m，邊坡1∶4；后接拋石防沖槽，長 11.5m，為梯形槽，底寬2.5m，上、下游邊坡分別為1∶3、1∶4，槽深1.5m；防沖槽后兩岸設漿砌石護坡，長5m，厚0.5m。

橡膠壩技術指標見表1。

表1 橡膠壩技術指標表

3 大壩設計

3.1 設計壩底、壩頂高程

為防止過壩推移質泥沙隨水流卷入壩袋底部增加壩袋的磨損，根據《橡膠壩技術規范》(SL227-98)，壩底板高程宜比上游河床地形平均高程適當提高0.2-0.4m，取0.2m；壩頂高程宜高于上游正常水位0.1-0.2m，取0.2m。

為避免對河道行洪影響，節省工程量，橡膠壩上、下游河底高程維持現狀河底高程，小高坨跌水橡膠壩設計河底高程4.0m，蓄水位6.5m，確定設計壩底高程4.2m，壩頂高程 6.7m。

3.2 壩袋設計

潮白河河道為復式斷面，小高坨跌水橡膠壩位于河道主槽內兩孔布置，單孔壩長 80m，總壩長 160m，壩高 2.5m。壩袋采用枕式充水壩袋，壩袋設計內外壓比1.3；壩袋與兩岸連接采用直墻式結構；壩袋兩端頂部設排氣閥以排除壩內空氣；壩袋材料選用二布三膠錦綸帆布，采用有搭接壩袋，壩袋顏色由業主自定；錨固結構型式為螺栓壓板錨固，上壓板寬-厚(mm)：130-15，下壓板寬-厚(mm)：140-10，螺栓直徑M24，錨固線布置為雙錨固線。壩袋指標見表2。

3.3 水力設計

3.3.1 消能防沖設計

汛期橡膠壩坍壩運行，根據水面線推算成果，河道過 50a一遇設計洪峰流量時，橡膠壩為淹沒出流，不需修建消力池；非汛期橡膠壩充壩運行，根據以往工程經驗，橡膠壩壩上溢流水深超過 0.3m 時，壩袋有可能發生振動，工程運行中，通過河道上游吳村閘控制壩上溢流水深不超過 0.3m[4]。根據運用條件選擇不利的水位和流量進行消能防沖計算，橡膠壩壩上溢流流量按《橡膠壩技術規范》(SL227-98)附錄A的公式進行計算，消能計算按《水閘設計規范》(SL265-2001)附錄B.1的公式進行計算。

表2 壩袋指標表

1)壩上溢流流量計算。

(1)

式中：Q為過壩流量，m3/s；B為溢流斷面平均寬度，m；H0為計入行近流速水頭的堰頂水頭，m；m為流量系數，取0.38；ε為堰流側收縮系數；σ為淹沒系數。

2)消能防沖計算。

(2)

式中：d為消力池深度，m；σ0為水躍淹沒系數，取1.05；hc″為躍后水深，m；hc為收縮水深，m；α為水流動能校正系數，取1.0；q為單寬流量，m2/s；ψ為流速系數；b1為消力池首端寬度，m；b2為消力池末端寬度，m；T0為由消力池底板頂面算起的總勢能，m；△Z為出池落差，m；hs′為出池河床水深，m。

橡膠壩下游水深按規劃后的河道斷面采用明渠均勻流公式計算，消能防沖計算成果見表3。

表3 橡膠壩消能防沖計算成果表

由表3可知，消力池池深最大僅為0.16m，由于池深較淺，橡膠壩下游按結構要求設置消力池，橡膠壩壩后設0.5m水平段，后接斜坡段，坡比1:5，長3.5m，下游設消力池，池深0.5m，池長10m。

為防止橡膠壩擋水時，消力池發生抗浮破壞，消力池內設Φ100 排水孔，排水孔為無砂混凝土，梅花形布置，間距1.5m。

3.3.2 橡膠壩處河道行洪能力計算

汛期橡膠壩坍壩行洪，潮白河河道為復式斷面，跌水橡膠壩位于河道主槽內，50a一遇設計洪峰流量 3300m3/s，根據水面線推算，跌水橡膠壩處河道上、下游水位分別為 11.02m、10.97m，淹沒度 hsH0≥0.9，橡膠壩及河道兩岸灘地行洪能力按《水閘設計規范》(SL265-2001)附錄 A.0.2 計算。

(3)

式中：B0為閘孔總凈寬，m；H0為計入行近流速水頭的堰上水深，m；g為重力加速度，取 9.81 m/s2；hs為由堰頂算起的下游水深；μ0為淹沒堰流的綜合流量系數。

橡膠壩為兩孔布置，單孔壩長80m，總壩長160m，兩岸灘地寬260m。橡膠壩處河道行洪能力計算成果見表4。

表4 橡膠壩處河道行洪能力計算成果表

由表4可知，橡膠壩處河道行洪流量為3385.12m3/s，大于河道50a一遇設計洪峰流量3300 m3/s，滿足河道行洪要求。

3.3.3 下游防沖槽設計

1)下游河床沖刷深度計算。

橡膠壩防洪標準為50a一遇[5]，相應的設計洪峰流量為3300m3/s，下游河床沖刷深度按《水閘設計規范》(SL265-2001)附錄B.3的公式進行計算。

(4)

式中：dm為護坦末端河床沖刷深度，m；qm為護坦末端單寬流量，m2/s；[v0]為河床土質允許不沖流速，取0.85m/s；hm為護坦末端河床水深，m/s。

經計算，下游河床沖刷深度為6.36m。

2)防沖槽斷面面積計算。

(5)

式中：A為防沖槽斷面面積，m2；dm為下游河床沖刷深度，m；t為沖坑上游護面厚度，取0.5m；m為塌落的堆石形成的邊坡系數，取3.0

經計算，跌水橡膠壩下游防沖槽面積為10.06m2，設計防沖槽為拋石梯形槽，底寬2.5m，上、下游邊坡分別為1:3.0、1:4.0，槽深1.5m,防沖槽斷面面積11.125 m2，大于計算面積，滿足規范要求。

3.3.4 灘地沖刷計算

橡膠壩兩岸灘地沖刷按《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)公式D.2.2-1-2計算：

(6)

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速,m/s；Uco 泥沙啟動流速,m/s；U為行近流速，m/s；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，取n=0.25；η為水流流速不均勻系數。

經計算，兩岸灘地沖刷深度為0.70m，主槽岸頂設1.0m齒墻防護。

3.4 防滲設計

3.4.1 防滲長度計算

根據《水閘設計規范》(SL265-2001)，防滲長度按下式確定：

L=C△H

(7)

式中：L為防滲長度，m；△H為上、下游水位差，m；C為允許滲徑系數值。

1)橡膠壩順水流方向防滲長度計算。

跌水橡膠壩上、下游最大水位差為2.5m,基礎為粉質黏土，允許滲徑系數值C取5；經計算，防滲長度為12.5m，實際布置防滲長度23m，滿足規范要求。

2)兩岸灘地防滲長度計算。

河道蓄水位為6.5m，兩岸外地面高程最低為6.0m，最大水位差為0.5m，兩岸灘地地層為細砂，允許滲徑系數值C取9；經計算，防滲長度為4.5m,現在左岸灘地寬約130m，右岸灘地寬約110m,滿足規范要求。

3.4.2 滲流計算

滲流計算采用河海大學工程力學研究所開發的《水工結構分析系統》AutoBank5.3 程序進行計算[6]，計算工況按橡膠壩上游蓄水位，下游無水考慮，經計算，橡膠壩水平段、出口段滲流坡降分別為0.06、0.29，均小于允許水力比降0.15、0.40，滿足要求。

3.5 橡膠壩穩定計算

橡膠壩穩定計算按以下四種工況進行計算：

工況一：完建工況，橡膠壩充水試壩(基本組合)；

工況二：河道正常蓄水位，下游無水(基本組合)；

工況三：橡膠壩坍壩運行，河道過50a一遇設計洪水(基本組合)；

工況四：河道正常蓄水位+8°地震，下游無水(特殊組合)。

荷載組合見表5。

表5 荷載組合表

1)抗滑穩定計算。

(8)

式中：Kc為沿基底面的抗滑穩定安全系數；f為基底面與地基之間的摩擦系數；∑G為作用在橡膠壩上的全部豎向荷載，kN；∑H為作用在橡膠壩上的全部水平向荷載，kN。

2)偏心距及基底應力計算。

(9)

跌水橡膠壩基礎為粉質黏土，根據地質報告，摩擦系數f取值為0.25，橡膠壩穩定計算成果見表6。

表6 橡膠壩穩定計算成果表

由表6可知，橡膠壩抗滑穩定安全系數不滿足規范要求，橡膠壩基礎采用碎石土墊層[7]換填，厚1.0m，增大基底摩擦系數，取值為0.45，土料采用黏性土，土料中黏粒含量15%-30%，碎石含量 40%(重量)，碎石級配5-20mm；碎石土墊層與原地基抗滑穩定采用簡化計算，將碎石土墊層與橡膠壩按整體考慮驗算與原地基抗滑穩定，重新計算后，橡膠壩穩定計算成果見表7。

表7 橡膠壩穩定計算成果表(基礎換填后)

由表7可知，基礎換填后，各種工況下橡膠壩穩定計算滿足要求。

4 結 語

綜合分析，采用跌水橡膠壩對于潮白河徑流進行調節，不僅可以滿足河道的防洪要求，同時也可以滿足河道兩側灌區抗旱灌溉應急供水需求。文章綜合分析地形、地質、工程材料及工程管理等情況，小高坨跌水橡膠壩選址、壩型的確定以及壩體的設計符合相關規范要求，該設計方案可為類似工程大壩設計提供借鑒。

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[4]陳漢杰.花都湖橡膠壩工程消能防沖計算方法分析[J].廣東水利水電，2014(10):4-6.

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