南三河水利工程中攔水壩建設方案探析

劉增淳

（惠州市碧水工程項目管理有限公司,廣東 惠州 516000）

0 引言

惠州市金山新城水環境綜合整治項目位于惠州市惠城區。項目區域位于惠州市主中心和南北發展主軸的戰略疊加區,以城市重大服務設施、門戶樞紐和創新平臺等為主要功能,是惠城區乃至惠州今后城市發展的關鍵板塊。同時,該區域水系發達,河流成網,主要擁有金山湖、金山河、河橋水、蓮塘布河、冷水坑河及其周邊區域,是惠州市“半城山色半城湖”城市形象的典型區域。目前,蓮塘布河、冷水坑河、河橋水、金山河及金山湖區均存在不同程度黑臭現象,加上水體往復交換頻繁,“交叉感染”現象突出,呈現出水體污染聚集效應,河涌主體基本均為劣Ⅴ類水體。同時,區域內河涌生態環境退化,河道環境、健康及安全受到極大威脅,濱水區吸引力受到嚴重影響。因此,南三河水環境綜合整治刻不容緩,本文以南三河中冷水湖堤壩工程為例,深入分析研究了其施工要點及技術。

1 工程概況

惠州市金山新城水環境綜合整治項目位于惠州市惠城區,項目整治范圍為金山新城區域,即北至三環南路、西枝江、惠州大道馬安段,西至紅花峰自然山體,東側與南側至惠城區行政界線,規劃總面積約118.29 km2。項目近期重點治理范圍是金山湖流域,主要包括一湖四河：金山湖、金山河、河橋水、蓮塘布河、冷水坑河及周邊區域。本文主要以冷水湖為例,冷水湖位于惠州市惠城區冷水坑河上游河南岸辦事處西北方向的采石坑處,由上、下兩個調蓄湖泊構成。冷水湖壩址以上流域三面環山,周界高程一般50 m～200 m,地勢大致西南高東北低,河道比降大,水流湍急。綜上,冷水湖規劃條件下流域范圍基本不變。

2 攔水壩建設方案分析

2.1 工程選址及選線

冷水湖位于惠州市惠城區河南岸辦事處惠南大道以西、在建四環南路南側,為已有廢棄花崗巖采石場和兩處山坪塘組成。現狀擋水建筑物主要為下湖北側的土石壩及下湖湖區間的湖堤,經現場踏勘及水文計算復核,兩處擋水建筑物均滿足防洪要求,現狀良好,無滲漏、滑坡等安全隱患。采石坑原為惠州市惠城區勝利石場,設立于2000年9月,于2009年6月到期后因四環南路建設需要關停,經現場查勘,現狀采石坑無滑坡、失穩等安全隱患。具體情況見圖1。

圖1 監測點平面布置圖

上湖及下湖間布置連通管,兼顧泄洪、下游補水功能,來水時下泄,設計最大下泄流量3.63 m3/s；下湖A 區和B 區保留原有土埂,新建過路箱涵；下湖擋水壩現狀良好,無滲流穩定問題,保留現狀,后期結合景觀方案進行改造,原有泄水建筑位于壩體右岸,為1 m 管涵,不滿于整治后泄流要求,對其進行封堵,依據片區規劃,在擋水壩左岸布置溢洪道,堰頂高程為26.50 m,洪水期間為敞泄,最大泄流量為22.20 m3/s；且在左岸布置輸水管,僅下游補水或湖區放空時使用。冷水湖湖區特征水位見表1。

表1 冷水湖特征水位表

2.2 上湖與下湖連通方案比選

上湖至下湖最大泄流量為3.63 m3/s（p=0.33%）,下游最大生態補水流量為1.88 m3/s 。主要采用溢洪道+連通管方案（可研階段方案）和連通管方案（兼顧泄洪和放水功能）進行比選。

（1）方案一：開敞式溢洪道+連通管

上湖溢洪道布置在冷水湖上湖西北側地勢較低處,采用開敞式溢洪道,凈寬3.0 m,堰頂高程31.50 m,與冷水湖正常蓄水位一致。溢洪道由進水渠、控制段、泄槽段、消力池等組成。設計過流量為3.6 m3/s。連通道將上湖水引至下湖,連通道前設置取水口,布置一個檢修閘門,連通道采用DN800鋼管,管道長135 m。方案一示意圖見圖2。

圖2 方案一 開敞式溢洪道+連通管

（2）方案二：連通管（兼顧泄洪和放水功能）

采用管道將上湖水下放至下湖（泄洪兼放水）,管道采用DN1200 鋼管,管道長115 m。進口高程28.50 m,進口設置檢修閘門,出口采用蝶閥控制。方案二示意圖見圖3。

圖3 方案二——連通管方案平面圖

（3）方案比選

通過計算方案一和方案二的石方開挖、土方開挖、土石填筑以及工程耗材,可以得到方案一需花費340.52 萬元,方案二需花費270.0 萬元。經方案比選,方案一投資較高,由于上湖集雨面積較小,最大下泄流量較小,并結合景觀方案,從投資、與景觀結合等因素考慮,推薦采用方案二——連通管方案。

2.3 現有地形高程復核

（1）冷水湖上湖

由于冷水湖上湖利用天然采石坑形成,不新建擋水建筑物,湖周最低高程約為33.25 m,需復核是否滿足壩頂高程要求。壩頂頂高程等于湖區靜水位加壩頂超高。壩頂超高采用下式計算：

式中：y 為壩頂超高,m；R 為最大波浪在壩坡上的爬高,m；e 為最大風壅水面高度,m；A 為安全加高。

波浪平均波高和平均波周期采用莆田實驗站公式計算：

式中：hm為平均波高,m；Tm為平均波周期,s；W 為計算風速,m/s；D 為風區長度,m；Hm為水域平均水深,m；g 為重力加速度,取9.81 m/s2；Lm為平均波長,m；H 為壩迎水面前水深,m。

風雍水面高度計算：

式中：K 為綜合摩阻系數,采用K= 3.6×10-6；β為風向與壩軸線法線的夾角β= 0°,cos 0°=1；按多年平均最大風速計算時,設計：e=0.004 m；校核：e=0.002 m。

壩頂超高采用以上公式計算,各種運行工況壩頂高程計算成果見表2。

表2 冷水湖上湖壩頂高程計算表

壩頂高程由正常運用工況控制,為32.85 m。現狀湖周最低高程約為33.25 m,高于計算壩頂高程,因此現狀地形滿足要求。

（2）冷水湖下湖

由于冷水湖下湖為現狀山坪塘改造而成,現狀擋水建筑物位于下湖北側,壩頂高程最低為32.50 m,需復核是否滿足壩頂高程要求。參照上述計算公式,下湖擋水壩壩頂高程計算成果見表3。

表3 冷水湖下湖壩頂高程計算表

2.4 連通管、輸水管、過路涵設計

（1）連通管設計

根據冷水坑河道需水及水源總體調度需求,在冷水坑上湖西北側地勢相對較低處,開設一個取水口,將冷水坑上湖的水源下泄至冷水湖下湖中進而對冷水坑河道進行補水。根據現場地形及供、排水高程要求,擬定冷水湖上湖正常蓄水位31.50 m,上湖死水位28.50 m。下湖正常蓄水位26.50 m,死水位25.00 m。連通管將冷水坑上湖水引水至冷水湖下湖,連通管道前設置取水口,進口底板高程28.5 m,布置一個檢修閘門,連通管道采用DN1200 鋼管,總長141 m,管道長115 m。

（2）輸水管設計

輸水管將下湖水下放至冷水坑河道中,輸水管前設置取水口,輸水管入口底高程為25.0 m,布置一個檢修閘門,引水管道采用DN1000 鋼管,管道長86.98 m。

（3）過路涵設計

在原有下湖村道中間設一排水箱涵。將下湖B 區與A區貫通,箱涵長度6 m,進口及出口銜接段長5.7 m,底板高程26.50 m,兩孔,單孔凈空3.0 m×1.5 m。

2.5 主要建筑物設計計算

（1）沖刷深度計算

沖刷計算洪水標準。河橋水設計洪水標準為20年一遇（P=5%）,工程等別確定為Ⅲ等,其主要建筑物級別為3 級,次要建筑物為4 級,臨時性建筑物為5 級。根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）,順壩及平順護岸沖刷深度可按下列公式計算：

式中：Ucp為近岸垂線平均流速,m/s；U 為行近流速,m/s；η為水流流速不均勻系數,根據水流流向與岸坡交角α,；hs 為局部沖刷深度（m）；H0為沖刷處水流水深,m；n 為與防護岸坡在平面上的形狀有關,取n=1/4～1/6,本次計算取n=0.20；Uc為泥沙起動流速,m/s,本工程基本處于素填土與粉質黏土河床上,根據《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）可采用張瑞瑾公式：

式中：d50為床沙的中值粒徑,m；γs、γ分別為泥沙與水的容重，kN/m3。

河橋水干流堤岸沖刷深度計算結果見表4,河道發生設計洪水時,堤岸沖刷深度約為0.93 m,故采用格賓石籠+干砌石護腳,防治沖刷對堤防的不利影響。

表4 護岸沖刷深度計算成果表

（2）河道岸坡穩定性計算

根據河橋水斷面位置、岸坡高度,選取代表斷面支0+218.70 右岸進行計算。見圖4。

圖4 典型計算斷面

針對各計算工況選取的最危險典型斷面進行計算,計算方法采用簡化Bishop 法,計算軟件采用Geostudio2012 進行邊坡穩定性計算和分析。采用極限平衡方法計算的邊坡抗滑穩定安全系數控制標準見表5。

表5 邊坡抗滑穩定安全系數控制標準表

綜合考慮,本次計算工況如下：工況一：臨水側為20年一遇設計洪水位,背水側無水的穩定滲流及臨水側堤坡穩定；工況二：河道水位從設計洪水位降落至常水位時的非穩定滲流和臨水側堤坡穩定；工況三：施工期臨水側、背水側堤坡穩定。

如表6所示,經過計算,河橋水水上游段岸坡穩定性滿足要求。

表6 河橋水岸坡穩定計算成果表

3 結語

通過對南三河水利工程中攔水壩建設方案分析,防洪設計標準為20年～30年一遇,校核標準為200年～300年一遇。本次冷水湖水庫工程擋水建筑物擋水高度小于15m,上下游水頭差小于10m。項目建成后,可滿足片區詳細控制性規劃要求的水域面積,同時符合惠州建設綠色化現代山水城市的理念。并且,在一定時間內維持河道所需的生態環境需水量,改善水質、滿足生態環境補水需求。