某供水配套工程臨河側(cè)調(diào)蓄水池防洪設(shè)計(jì)研究

趙建民

（河北省滄州水文勘測(cè)研究中心，河北 滄州061000）

1 工程概況

某供水二期配套工程是為保證二期工程與地方已建的人飲與灌溉工程進(jìn)行全面的對(duì)接，真正實(shí)現(xiàn)供水二期工程供水任務(wù)，促進(jìn)當(dāng)?shù)厝罕娒撠氈赂缓蜕鷳B(tài)環(huán)境改善的民生工程。供水范圍涉及4市8個(gè)縣區(qū)，發(fā)展灌溉面積30萬畝，年調(diào)水量近3億m3［1］。二期工程受水區(qū)每年9月全月為停水檢修期，為保障集中供水點(diǎn)的檢修期用水量要求，在該受水區(qū)修建調(diào)蓄水池，位置在河道左岸的灘地上，設(shè)計(jì)有效容積20萬m3，調(diào)蓄水池平面形狀為不規(guī)則圓角四邊形，池軸線長(zhǎng)度共865 m，池深9.3 m。調(diào)蓄水池供水對(duì)象為鄉(xiāng)鎮(zhèn)及周邊農(nóng)村，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇設(shè)計(jì)、100年一遇校核。本文對(duì)調(diào)蓄水池結(jié)構(gòu)、池頂高程、池堤邊坡穩(wěn)定等進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)蓄水池臨河一側(cè)進(jìn)行防洪設(shè)計(jì)分析。

2 調(diào)蓄水池設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)蓄水池為注入式水池，池內(nèi)設(shè)計(jì)水深8.0 m，池頂寬度5.0 m，靠山一側(cè)池堤是將I、II級(jí)階地之間陡坎削坡形成，邊坡1∶2.75，臨河側(cè)池堤為碾壓式均質(zhì)土堤，設(shè)計(jì)池堤迎水面邊坡采用1∶2.75，背水面邊坡1∶2.0，池堤最大填筑高度13.0 m，采用開挖后的壤土、馬蘭黃土、黃土填筑，設(shè)計(jì)壓實(shí)度0.98。迎水面從上往下依次為8 cm厚C20混凝土預(yù)制板、3 cm厚M10水泥砂漿墊層、FN2/1PE-20-500-0.5復(fù)合土工膜、30 cm厚10%水泥土墊層。為滿足管理道路及調(diào)蓄水池排水要求，防止對(duì)調(diào)蓄水池池基造成破壞，設(shè)計(jì)沿靠山側(cè)削坡段池頂外側(cè)布置排水設(shè)施，排水溝采用現(xiàn)澆C20混凝土矩形斷面，深0.4 m，寬0.5 m，襯砌厚度15 cm，調(diào)蓄水池迎水面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖1。

圖1 調(diào)蓄水池迎水面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2 池頂高程確定

池頂高程根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，按兩種運(yùn)行條件計(jì)算確定（①正常蓄水位+正常運(yùn)用條件的壩頂超高；②正常蓄水位+非常運(yùn)用條件+地震安全加高）［1］，計(jì)算結(jié)果取其最大值。

本工程地震設(shè)防烈度為8度，地震安全加高值包括地震沉降和地震壅浪高度，本文取地震安全加高值為1.0 m，調(diào)蓄水池池頂高程計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 調(diào)蓄水池池頂超高計(jì)算表

2.3 池堤邊坡穩(wěn)定計(jì)算

邊坡穩(wěn)定采用等效斷面進(jìn)行計(jì)算，壩體填筑料的容重和內(nèi)摩擦角均采用綜合平均值，按臨河側(cè)池堤標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算斷面見圖2。

圖2 計(jì)算斷面圖

（1）計(jì)算工況

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓土石壩石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，穩(wěn)定分析應(yīng)該核算分以下5種工況計(jì)算：工況①，正常蓄水位，土工膜防滲；工況②，正常蓄水位，土工膜防滲，遇地震；工況③，正常蓄水位，土工膜防滲失效；工況④，正常蓄水位，土工膜防滲失效，遇地震；工況⑤，施工期上、下游壩坡。

（2）計(jì)算方法與參數(shù)

壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用由北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院的理正巖土系列軟件中的邊坡穩(wěn)定分析軟件計(jì)算，理正巖土軟件的邊坡穩(wěn)定分析軟件計(jì)算是按照《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的方法、工況編制的［2］。計(jì)算參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果得到，壤土壩體采用計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 壤土壩體填筑料主要計(jì)算參數(shù)表

（3）計(jì)算公式

本次計(jì)算對(duì)上下游邊坡分別采用考慮條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法（圓弧滑動(dòng)）進(jìn)行分析，計(jì)算公式為：

式中：W為土條重量；Q、V為水平、垂直地震慣性力，kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kPa；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，（°）；b為土條寬度，m；c′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩（地震工況時(shí)考慮），kN·m；R為圓弧半徑，m。

（4）計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，各種工況下池堤的穩(wěn)定計(jì)算成果圖及安全系數(shù)見表3。

表3 調(diào)蓄水池臨河側(cè)填筑池堤邊坡穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)

綜上所述，上下游在各種計(jì)算條件下池堤邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值，滿足規(guī)范要求。

3 調(diào)蓄水池防洪設(shè)計(jì)

調(diào)蓄水池占用了部分河道，為滿足調(diào)蓄水池防洪要求，將此處河道進(jìn)行治理，本次河道治理段左岸（調(diào)蓄水池臨河側(cè)）護(hù)岸按調(diào)蓄水池的校核洪峰流量351 m3/s，對(duì)岸護(hù)岸按調(diào)蓄水池設(shè)計(jì)洪峰流量203 m3/s。按上下游高程開挖行洪通道，治理長(zhǎng)度約450 m，治理段河道縱坡按上下游河道高程設(shè)計(jì)為1/56，設(shè)計(jì)對(duì)本治理段河道兩岸修建防洪設(shè)施進(jìn)行防護(hù)。

3.1 治理河寬的確定

穩(wěn)定河寬確定采用2年一遇的洪峰流量作為造床流量，根據(jù)阿爾圖寧公式計(jì)算，阿爾圖寧公式為：

式中：B為河段整治寬度，m；Q為造床流量，取值為Q=46.1 m3/s。A為穩(wěn)定河寬系數(shù)，本工程取A=1.3；J為河床比降，取裁彎取直后的設(shè)計(jì)比降J=1/56；n為河床糙率，取n=0.03。

經(jīng)計(jì)算，用阿爾圖寧公式計(jì)算得本治理河段穩(wěn)定河寬為19.7 m。計(jì)算成果見表4。

表4 穩(wěn)定河寬計(jì)算成果表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘與測(cè)量，河道在本工程段現(xiàn)狀主河槽寬度大部分在40 m左右，河床寬為10 m～15 m左右，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)有河道的寬度，本治理河段設(shè)計(jì)治理河寬最終確定為20 m。

3.2 防洪工程布置

根據(jù)堤防布置原則，結(jié)合工程具體地理位置，地形條件及保護(hù)對(duì)象等綜合因素進(jìn)行考慮防洪堤基線的布置。對(duì)于本段河道，左岸治導(dǎo)線沿調(diào)蓄水池臨河側(cè)池堤后壩坡坡腳線布置，右岸護(hù)岸按設(shè)計(jì)治理河寬20 m等寬布置。

根據(jù)工程總體布置，左右岸護(hù)岸起點(diǎn)均從本次擬新建的永久管理道路跨河道涵管式過水路面處開始，末端均與下游岸坎平順銜接。兩岸共布置護(hù)岸長(zhǎng)度871 m，其中左岸布置護(hù)岸長(zhǎng)度453 m，右岸布置護(hù)岸長(zhǎng)度418 m。

3.3 設(shè)計(jì)洪水位確定

根據(jù)治理河段的地貌和河道特性，本段河道治理后治導(dǎo)線左右側(cè)等寬布置，本工程防洪河段水深計(jì)算采用明渠均勻流公式計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：Q為流量，m3/s，分別取本段P=1%時(shí)的洪峰流量351 m3/s和P=5%時(shí)的洪峰流量203 m3/s；C為謝才系數(shù)，常用C=R1/6/n；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；R為水力半徑，m；i為河道縱坡，取裁彎取直后河道縱坡1/56；n為糙率，取天然河床糙率0.03。

根據(jù)明渠均勻流公式，計(jì)算得本段河道P=1%和P=5%時(shí)的河道水流特性見表5。

表5 河道治理段河道水流特性表

3.4 沖刷深度計(jì)算

本次沖刷深度計(jì)算，采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中堤岸沖刷深度計(jì)算公式，進(jìn)行沖刷深度計(jì)算。本工程治理河段左岸護(hù)岸沖刷深度按調(diào)蓄水池的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇洪水進(jìn)行計(jì)算，右岸護(hù)岸沖刷深度按調(diào)蓄水池的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)20年一遇洪水進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，本治理段各斷面左右岸泥沙起動(dòng)流速Uc及局部沖刷深度hs計(jì)算結(jié)果分別見表6、表7。

表6 治理河段河道泥沙起動(dòng)流速U c計(jì)算成果表

表7 治理河段河道沖刷深度計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算，治理河段左岸P=1%設(shè)計(jì)洪水時(shí)局部沖刷深度為4.15 m，右岸P=5%設(shè)計(jì)洪水時(shí)局部沖刷深度為3.14 m。根據(jù)上述計(jì)算成果，結(jié)合已建工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為了安全起見，本工程護(hù)岸左岸設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深確定為設(shè)計(jì)河床線以下4.5 m，右岸設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深確定為設(shè)計(jì)河床線以下3.5 m。

3.5 堤頂超高

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，堤頂超高按下式確定：

式中各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算方法和計(jì)算公式與調(diào)蓄水池正常蓄水位+正常運(yùn)用條件下池頂超高計(jì)算一致。經(jīng)計(jì)算，本工程護(hù)岸工程左岸（P=1%）和右岸（P=5%）時(shí)的計(jì)算堤頂超高分別為1.54 m和1.13 m，設(shè)計(jì)分別取1.6 m和1.2 m。護(hù)岸超高計(jì)算成果見表8。

3.6 護(hù)岸設(shè)計(jì)

新建護(hù)岸設(shè)計(jì)主體為夯填壤土，要求壓實(shí)度不小于0.98，橫斷面設(shè)計(jì)為梯形，左岸（臨池側(cè)）考慮調(diào)蓄水池提水泵站管理交通要求設(shè)計(jì)堤頂寬度為4 m，右岸按堤頂一般交通要求設(shè)計(jì)堤頂寬度為3 m，臨水面邊坡1∶1.5，護(hù)面材料為現(xiàn)澆C20混凝土，頂部厚15 cm，底部厚25 cm，在護(hù)坡底部設(shè)寬0.8 m，深0.5 m的混凝土基礎(chǔ)，現(xiàn)澆混凝土板下設(shè)40 cm厚砂礫石抗凍脹墊層。沿堤線每5 m設(shè)一條寬20 mm的橫向伸縮縫，縫內(nèi)填聚乙烯閉孔泡沫板及聚氨脂密封膏，堤頂設(shè)厚10 cm、寬50 cm的現(xiàn)澆C20砼封頂板。

表8 治理河段護(hù)岸超高計(jì)算成果表

4 結(jié)論及建議

該二期配套供水工程20萬m3調(diào)蓄水池采用全池迎水面兩布一膜土工布防滲、半填半挖結(jié)構(gòu)的露天式水池，設(shè)計(jì)池深9.3 m，臨河側(cè)池堤采用重力墻結(jié)構(gòu)，迎水面垂直。通過蓄水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和臨河側(cè)防洪設(shè)計(jì)方法研究，對(duì)調(diào)蓄水池的設(shè)計(jì)、施工具有重要的參考意義。