中鋁華潤呂梁電解鋁項目赤泥堆場區防洪工程設計研究

梁錦陶

(山西省水利水電勘測設計研究院， 山西 太原 030024)

中鋁華潤呂梁電解鋁項目赤泥堆場區防洪工程設計研究

梁錦陶

(山西省水利水電勘測設計研究院， 山西 太原 030024)

中鋁華潤呂梁電解鋁工程廠區位于山區，為了保證工程區建筑物的防洪安全，需采取防洪工程措施。文章主要介紹了赤泥堆場區的防洪工程布置，分別從泄洪方案比選及結構設計計算入手，選擇了合理的工程布置方案，為山地廠區的防洪工程設計提供借鑒依據。

防洪工程； 泄洪方案比選； 結構設計計算

1 工程簡介

中鋁華潤呂梁輕合金循環產業基地項目電解鋁工程位于呂梁市興縣瓦塘鎮西南約3km的龍耳會村，省道218西側1.5km，嵐漪河南側的灘地上，距興縣縣城約25km。

項目工程中的廠區、赤泥場和灰渣場三處分別位于澗子溝和劉家溝溝口，神堂溝、大石溝內。溝谷內平時均干涸無水，無地表徑流，雨季為洪水排泄通道。為了保證工程區建筑物的防洪安全，需采取防洪工程措施[1-2]。由于赤泥堆場區等級要求較高[3]，因此本文以赤泥堆場區為例，對工程的防洪措施進行了研究。

2 防洪工程布置

擬建赤泥堆場的神堂溝為山澗溝谷凹地，溝谷平面形態呈樹枝狀，支溝發育，地形起伏大，溝谷兩岸為山頂位渾圓黃土梁，山脊線呈波浪式起伏，溝谷切割較深，斷面多呈Ⅴ字形。場地整體起伏較大，溝谷底部地面高程為849.16～948.40m，山梁頂部高程為878.96～1072.30m，場地屬中低山區溝谷地貌。

中鋁國際工程有限責任公司沈陽鋁鎂設計研究院在神堂溝內三條支溝交匯出口處設計了一座尾礦庫，壩體形式為碾壓土石壩，壩頂高程為966.00m，大壩總高度為74m，壩頂寬度為10m，內坡的坡比為1∶2.25，外坡坡比為1∶2.25，壩體每升高14m設置一級2m寬馬道，再每升高15 m設置一級2m寬馬道，最終加高到74m。在壩的外側設計厚30cm干砌塊石，以保護壩面。

2.1 方案介紹

采用泄洪隧洞配合泄洪豎井以及泄洪涵洞接出水池兩種方案[4]。

2.1.1 泄洪隧洞方案

泄洪隧洞方案：在大壩右岸山體內修筑一條直徑為2m的泄洪隧洞，隧洞長度為350m，采用C30鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為0.3m，上游與庫內3座泄水豎井連接，1號泄水豎井布置在庫內壩底坡腳處，2號、3號依次隨著赤泥堆高25m，增設一座，豎井高度為25m，泄水豎井下部通過泄水涵洞連接，涵洞采用城門洞形，寬1.5m，高1.8m，涵洞全長150m。泄洪隧洞下游接出水池，出水池長度為30m。出水池末端接下游天然河道。

2.1.2 泄洪涵洞方案

泄洪涵洞方案:在堆場底部修一條泄洪涵洞，考慮到汛期時洪水進入庫區，在涵洞頂部不同高程修筑泄水孔，通過泄洪涵洞將洪水經出水池后順天然河道排入下游嵐漪河。

a.泄水孔布置。由洪水調節計算成果可知：在運行初期，赤泥堆放至高程902m處，泄水孔直徑為0.7m時，設計洪水水深約為7.1m；在運行中、后期，赤泥堆放至高程936m和964.8m，泄水孔直徑為1.5m時，設計洪水水深分別為0.7m和0.3m。布設泄水孔也分為三期：運行初期從高程902m處開始布置泄水孔，泄水孔高差間距為7m，依次向上游布置；運行中后期從高程936m處開始布置直徑1.5m的泄水孔，泄水孔高差間距為0.3～0.7m，依次向上游布置；泄水孔布置末端高程為964.8m。泄水孔下部接矩形泄洪涵洞。

b.泄洪涵洞及出水池布置。泄洪涵洞沿神堂溝從上游到下游貫穿赤泥堆場沿溝底進行布置，末端位于大壩下游坡腳處，泄洪涵洞全長為760m，采用無壓過流，埋入地下1m，設計底坡基本采用原地面坡度。樁號0+000～0+150處，設計泄洪涵洞底坡為1/2.5；樁號0+150～0+760處，設計泄洪涵洞底坡為1/38。水力計算采用明渠均勻流。泄洪涵洞下游接出水池，出水池長度為30m。出水池末端接下游天然河道。

2.2 泄洪方案比較

泄洪隧洞與泄洪涵洞工程投資比較見表1。

表1 不同泄洪方案主要工程量投資比較

根據現場觀察地形及赤泥堆場地質勘測，隧洞成洞條件差，給施工造成一定影響[5]，同時泄洪隧洞應與泄洪豎井聯合運用，泄洪豎井不宜太高，且應在不同高程設置。由于基礎為砂卵石基礎，下覆粉質黏土，需要采用樁基處理[6-7]。隧洞方案可以不從壩下穿越，安全性高，但投資也相對較高。采用泄洪涵洞方案施工簡單，易操作，且投資較省，經綜合比較，選用泄洪涵洞方案。

3 設計計算

3.1 泄水孔結構設計

泄水孔斷面形式為鋼筋混凝土圓形結構，泄水孔直徑在工程運行初期為0.7m，在工程運行中、后期調整為1.5m，泄水孔采用C30鋼筋混凝土預制塊砌筑，并在陡坡段設計了一座消力井。

根據跌水消力池計算公式計算跌水深度：

ds=1.1h″c-hs

式中h″c——水躍躍后共軛水深，m；

q——水舌跌落處的單寬流量m3/(s·m)；

φ——流速系數；

Z0——計及流速水頭上的上、下游水位差；

ds——消力池深度，m；

hs——下游水深，m。

經計算得跌水深為1.2m。

3.2 泄洪涵洞結構設計

3.2.1 斷面形式

a. 圓形斷面。采用圓形斷面，由于斷面尺寸較小，施工難度較大，如若采用內圓外方的形式，工程量又偏大。由于赤泥堆場赤泥堆存高度為74m，外壓較大，預應力管的外壓承載能力一般為10m左右，所以不宜使用。

b.矩形斷面。采用矩形斷面，涵洞頂部荷載自重較大，矩形斷面承載能力較差，不宜采用。

c.城門洞形斷面。城門洞形斷面承載能力高，同時又滿足施工簡單，工程量適宜的優點。經綜合比較，采用斷面形式為城門洞形。

3.2.2 結構設計

泄洪涵洞采用無壓過流，水力計算采用明渠均勻流，結構計算采用理正軟件計算。充分考慮到運行過程中的檢修方便，確定泄洪涵洞斷面為城門洞形：寬1.5m，直墻高1.05m，拱頂高0.75m，在計算中涵洞高度分為74m、40m、10m進行計算。通過計算可知，隨著上部荷載的減小確定涵洞壁厚分別為0.65m、0.5m、0.45m。

泄洪涵洞全長為760m。由于工程區堆放材料的特殊性，在泄洪涵洞內外各涂一層厚0.6mm的環氧酶瀝青。考慮到庫區底部鋪設土工布防滲，泄洪涵洞的基礎底部采用砂墊層進行過渡，防止碎石墊層對土工布防滲造成破壞[8]。

3.3 出水池設計

下泄洪水通過泄洪涵洞段后，接出水池，經過消能后，流入下游河道中。

a.根據《溢洪道設計規范》(SL 253—2000)，出水池池深計算公式為

式中σ——水躍淹沒系數，取σ=1.05；

ΔZ——出水池出口水面落差；

b——出水池寬度，b=20m；

φ′——出水池出流流速系數，取φ′=0.95。

經試算得s=1.5m。

b.計算出水池長度。出水池長度計算公式為

式中Lsj——出水池長度；

Ls——出水池斜坡段水平投影長度；

β——水躍長度校正系數，取0.75；

Lj——水躍長度。

經計算,消力池長度為10m。

c.出水池底板厚度計算：

式中k1——出水池底板計算系數，采用0.15～0.2；

ΔH′——上下游水位差。

經計算，消力池底板厚度為0.80m。

出水池后設漿砌石海漫長度為10m。

4 結 語

防洪工程措施的合理與否直接關系到廠區的安全和項目的生存，因此配套合理的防洪布置是至關重要的。本項目作為興縣資源型循環經濟綜合開發示范基地的重要組成部分，項目的建成為興縣資源型循環經濟先行先試、率先突破，成為政策示范的先導區、經濟發展的示范區提供了基礎平臺。項目建成后，將帶動周邊地區的相關行業和第三產業的進一步發展，為山西省以及呂梁革命老區、貧困地區加快發展，全面建成小康社會打下堅實的基礎。

[1] 王文國.山區防洪的重點及安全對策[J].南水北調與水利科技,2003(10).

[2] 翟來順,崔慶瑞,湯懷義.黃河下游防洪存在的問題及對策[J].水利建設與管理,2004(6).

[3] 束永保,高尚青,李培良.平地型尾礦庫調洪計算簡法[C]∥第四屆全國尾礦庫安全運行技術高峰論壇論文集.北京：中國冶金礦山企業協會，2011.

[4] 防洪工程措施對洪水的作用[J].中國水能及電氣化,2009(7).

[5] 陳文嵐,劉明.淺談隧洞通過不良地質段需注意事項[J].中國水能及電氣化,2014(6).

[6] 馬愛冬.引水隧洞斷層破碎帶施工措施[J].水利建設與管理,2010(11).

[7] 王廷學.不良地質條件下泄洪隧洞施工技術[J].鐵道建筑技術,2004(8).

[8] 張歡.柴河水庫泄洪洞滲漏處理施工[J].河南水利與南水北調,2016(5).

Research on flood control engineering design in Chinidui Yard of Chinalco China Resources Lüliang Electrolytic Aluminium Project

LIANG Jintao

(ShanxiTaiyuanWaterConservancyandHydropowerSurveyDesignInstitute,Taiyuan030024,China)

Plant area of Chinalco China Resources Lüliang electrolytic aluminium project is located in mountains. Flood control engineering measures should be adopted in order to ensure flood control safety of buildings in the project area. In the paper, flood control engineering layout of Chinidui Yard is introduced mainly. Rational engineering layout plan is selected from the aspects of flood discharge plan comparison and structure design calculation respectively. Reference basis is provided for flood control project design of plant areas in mountainous area.

flood control engineering; flood plan comparison; structure design and calculation

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.03.020

TV87

A

2096-0131(2017)03- 0068- 03