瀍河河道景觀治理工程中水量平衡與液壓壩設計淺析

張艷艷

（洛陽水利勘測設計有限責任公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

城市水資源污染嚴重、水資源時空分布不均勻，已經嚴重制約城市的發展。因此，河道治理逐漸受到人民的重視。欽震杰等[1]對生態砌塊工程對河道整治效益進行研究，介紹一種新型的河道整治方案；邸玉翠[2]認為使用海綿城市理論進行城市河道治理，具有較好的工程效益；李念斌[3]、王慶[4]、宋燕琴[5]以河道整治為例，對生態治理工程進行研究；邵帥[6]、謝瑩[7]以大凌河為例，對河道治理設計和影響進行進行分析，認為河道整治具有較好的工程效益和社會影響；李勇等[8]、田勇等[9]以黃河下游灘區治理為例，分析不同的治理方案，并提出治理工程展望；黃勁柏[10]以喀什噶爾河為例，對河道治理方案進行研究。故本文在前人研究基礎之上，對瀍河河道治理工程進行研究。

1 工程概況

瀍河歷史文化景觀帶水面工程主要包括液壓壩工程、攔河堰工程和景觀水面工程。液壓壩工程位于洛吉快速路下游115 m處后李村，壩高4.0 m，壩長72.0 m，由12扇4 m×6 m聞門組成，液壓壩前景觀水面工程正常蓄水位181.0 m，形成水面面積6.83 hm，蓄水方量共計16.25萬m；攔河堰工程共布設7處，由固定堰段和液壓壩段組成，固定堰總高2.5 m，地上部分高0 m，液壓壩高1.5 m，凈寬6.0 m，由1扇1.5 m×6 m間門組成;7座攔河堰共形成景觀水面面積共8.1 hm，蓄水方量共計4.99 萬m3。

圖1 瀍河水系圖

2 設計洪水位

2.1 液壓壩處設計洪水位

液壓壩壩址位于河道治理中心樁號13+285.3處，根據水文計算結果可知，壩址處20年一遇洪水位為181.39 m。液壓壩泄洪能力按堰流基本公式計算。根據洪水流量、液壓壩下游水位、堰頂水頭和壩底板高程，采用水力學寬頂堰流公式計算，經計算，建壩前后壩址處河道20年一遇設計洪水位分別為181.39 m、180.83 m，建壩后不產生壅水。

2.2 攔河堰處設計洪水位

工程規劃布設7處攔河堰，分別位于河道治理中心樁號10+503、11+285、11+897、12+270、12+516.5、12+700、12+714 處 ，根據水文計算結果可知，攔河堰處20年一遇洪水位分別為201.18m、195.41m、190.55m、188.63m、186.44m、184.51m、184.39 m。

3 水量平衡分析

3.1 蓄水量

工程規劃布設7座攔河堰和1座液壓壩，可形成7級水面，共計蓄水量21.24萬m3，可形成水面面積14.93 hm2。

3.2 上游來水量

瀍河上游河道常年干枯，無法形成有效徑流，因此本次工程蓄水來水量不考慮天然徑流的因素，僅考慮污水處理廠排放的中水。上游孟津縣污水處理廠日處理污水排放水量為1.5萬m3，年排放量可達到547.5萬m3/a。根據景觀用水過程每年換水6次，在3月、4月、5月、6月、10月、11月考慮水體的循環水量，則換水時段上游中水來水量為274.5萬m3。

3.3 需水值

工程需水量包括水體蒸發量、滲漏量和換水量。蒸發量計算采用P=75%蒸發量乘以水面面積的方法得到，洛陽市P=75%保證率水面蒸發量1200 mm(4＞20)乘以蒸發系數（0.64)，并減去相應保證率降水量（578.2 mm) 得到。根據水面工程防滲措施，滲漏損失量按蓄水量的10%考慮。換水量計算:為有效保護水體的水質，水體為景觀用水，不接納城市污水、不參與城市防洪，只接受庫面降雨，由于水體更新受湖體納污能力影響，考慮保證水體清澈，不發生富營養化，采用增加水體循環的方式，加大循環水量，所以考慮每年換水6次。主汛期7月～9月和冰凍期12月～次年2月不考慮河流的水體循環，因此，僅在3月、4月、5月、6月、10月、11月考慮水體的循環水量。經計算，工程年需水量133.46萬m3，需水量計算相見表1。

表1 景觀需水量分析

根據上述分析，上游孟津縣污水處理廠可利用中水水量為274.5萬m3/a，工程景觀蓄水量133.46萬m3/a，上游來水量可滿足工程用水要求。

4 液壓壩設計

4.1 壩址位置選取

液壓壩垂直于河道布置，壩址位于洛吉快速路下游115 m處(樁號3+285.3)，壩高4.0 m，正常蓄水位181.0 m。液壓壩段長72 m，共布置（6 m×4 m）/扇×12扇，邊墩厚度為1.5 m。兩壩肩設翼墻，長10.4 m。上游防滲鋪蓋長70 m，下游消力池長25 m，深1.5 m，海漫長度40 m。液壓壩管理房總面積為200 m，布置于左岸二級臺地上。

4.2 壩底板高程及蓄水位選定

壩底板高程的選擇影響因素較多，既要考慮水面規劃情況，又要考慮蓄水、壩高的要求以及河床實際情況與行洪、淤積等因素。底板過高會影響行洪，增加上游淤積和下游沖刷；底板過低會增加壩高，影響蓄水，尤其是河床淤積影響運行，因此在多泥沙河流上，在滿足防洪標準的前提下，底板應盡量抬高一些。

綜合考慮以上影響因素，該段河道為淺山丘嶺區，植被較差，水土流失嚴重，該段為河道泥沙的主要來源地，此外受河道梯級開發建設影響，同時根據水位、流量、泥沙、施工及檢修條件等確定。經比較論證，壩底板比河床平均高程適當抬高，略高于現河床平均高程或規劃河床高程，本工程擬定壩底板比河道底部高程高0.5 m。

壩頂高程即蓄水位的選擇，主要考慮河道縱坡、上下游水面銜接，形成水面景觀效果，庫區平均高程等因素，同時壩高滿足國內液壓壩生產要求，最終確定瀘河萬國商匯段水面高程和壩頂高程。各級液壓壩壩底板、壩頂及水面高程見表2。

表2 液壓壩壩底板、壩頂及水面高程表

4.3 液壓壩結構設計

液壓壩總寬75 m，凈寬度72 m，邊墩厚1.5 m，共布置液壓壩12扇，每扇6.0 m寬，4.0 m高。壩底板采用C25鋼筋砼結構，順水流方向長度為10.0 m，厚2.5 m，底板頂部高程177.0 m，底板上下游側設齒墻，底寬1.0 m，內側坡度1∶0.5，深度依據地質情況深入粘土巖設定為1.0 m～2.23 m。底板下鋪設10 cm厚C15混凝土墊層。底板垂直水流方向每18.0 m設一道伸縮縫，縫寬2 cm，縫內設651橡膠止水帶和閉孔低發聚乙烯板。液壓壩邊墩高4.5 m，采用C25鋼筋混凝土結構，邊墩頂部設不銹鋼欄桿，欄桿高1.2 m。液壓壩底板面層一期澆筑鉸支座安裝埋件，同時預留液壓缸孔、支撐桿孔安裝埋件，待埋件安裝完畢后，再回填二期混凝土。

4.4 液壓壩穩定性分析

4.4.1 液壓壩防滲排水分析

壩基防滲長度采用下式進行計算:

式中:L為壩基防滲長度，即壩基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長度的總和，m；C為允許滲徑系數值，根據壩基土質情況取用，壩底板下為沙卵石層，滲徑系數取4；△H為上下游水位差，m。

在蓄水期，上游正常蓄水位181.0 m，下游枯水位176.0 m，最大水位差△H=5.0 m，計算閘基防滲長度為20 m。

液壓壩壩底板上游齒墻座落在粘土巖上，根據壩基防滲布置，防滲輪廓由上游鋼筋混凝土鋪蓋及壩底板組成。根據工程總體布置計算的防滲輪廓總長40.1 m，大于正常蓄水位計算防滲長度20 m，閘基防滲布置滿足規范。

4.4.2 壩基滲透壓力計算

壩基滲透壓力按基巖設帷幕全截面直線分布法簡化計算。計算公式如下:

式中:I為作用于閘底板底面上的滲透壓力，kN/m；y為水的密度，9.81 kN/m3；L為帷幕（齒墻）下游距底板上游距離，m，本工程為1.0 m；α為滲透壓力強度系數，取0.25；L’為閘底板底面水平投影長度，m；H為閘底板上游水位，取181.0 m；hs為閘下游水位，取176.0 m。

經計算，U=85.84 kN/m。

4.4.3 壩基穩定性計算

液壓壩工程等級為3級，液壓壩穩定計算考慮以下兩種工況:

A完建情況:荷載特殊組合情況，即壩室上下游均無水情況，僅考慮永久荷載，可變作用中的風荷載較小，可忽略不計。

B正常蓄水位情況:荷載基本組合情況，即液壓壩上游正常蓄水位、下游無水情況。

穩定計算分別計算邊跨和中跨一個分縫段穩定情況，計算結果見表3～表4。水閘現行規范規定:土基基本荷載允許抗滑穩定安全系數不小于1.25，特殊組合不小于1.1；基地不均勻系數基本組合不大于2.0，特殊組合不大于2.5。由表3～表4可知，液壓壩中跨、邊跨抗滑安全系數及基地不均勻系數均滿足規范要求，結構設計合理。

表3 中跨計算結果

表4 邊跨計算結果

5 結論

（1）對瀍河河道景觀整治工程從設計洪水位、水量供需平衡進行計算可知，進行整治后可以改善瀍河斷流的現象，同時可有效保障汛期沿岸居民的生命財產安全，具有較好的生態、環境、社會和經濟效益。

（2）選用液壓壩作為河道整治的主要壩型，從壩址選取、蓄水位設計、壩型結構設計以及穩定性4個方面，對液壓壩設計進行分析，得出液壓壩可滿足工程安全和景觀要求，可為類似工程提供參考。