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        丹江金絲峽鎮(zhèn)固床低壩建設方案探析

        2017-08-01 00:21:39謝艷趙春霞
        陜西水利 2017年2期
        關鍵詞:丹江金絲壩址

        謝艷,趙春霞

        丹江金絲峽鎮(zhèn)固床低壩建設方案探析

        謝艷,趙春霞

        (陜西省商南縣水務局,陜西商南726300)

        丹江河道下切威脅沿岸防洪安全,通過對金絲峽鎮(zhèn)丹江河道洪水、河勢進行分析,提出了修建液壓壩一座。并對壩址、壩形選擇和壩高、壩結構、壩滲透及穩(wěn)定性進行了探討,以確保該固床低壩科學合理。

        商南;丹江;固床;液壓壩;設計方案

        1 概況

        商南縣金絲峽鎮(zhèn)總面積298.3 km2,人口24418人。發(fā)源于陜西省商洛市秦嶺東段鳳凰山的丹江繞鎮(zhèn)而過,先后流經(jīng)商州、丹鳳,于商南縣梳洗樓附近出省境。丹江是漢江最大的一級支流,屬于雨源性河流,徑流隨降雨而變化,金絲峽鎮(zhèn)多年平均徑流量為9.72億m3。由于丹江河道內(nèi)采砂嚴重,河床下降,主河槽下切,鎮(zhèn)區(qū)群眾生產(chǎn)生活受到嚴重威脅。

        2 丹江洪水

        工程上游丹江干流上設有丹鳳水文站,下游丹江干流上設有荊紫關水文站,上游支流銀花河上設有竹林關水文站,下游支流武關河上設有武關水文站。

        2.1 暴雨洪水特性

        丹江上游的洪水由暴雨形成。洪水最早出現(xiàn)在4月,其峰量較小,年最大洪水主要發(fā)生在7月~9月,根據(jù)丹鳳站實測資料統(tǒng)計,7月~9月年最大洪水占80%左右。10月由于受淋雨影響,亦有洪水發(fā)生。丹江上游山高坡陡,河短流急,匯流迅速,洪水陡漲陡落,一次洪水過程一般為一日左右,洪水過程線大多數(shù)呈單峰,且峰形尖瘦。

        2.2 設計洪水

        工程位于銀花河口下斷面、荊紫關站之間,經(jīng)分析銀花河口下斷面~荊紫關站間洪水特性基本一致,故本次根據(jù)上、下游的銀花河口下斷面、荊紫關站設計洪水,采用區(qū)間面積加權法計算工程處的設計洪水,計算公式為:

        式中:Q工程處、Q銀花河口下、Q荊紫關分別為工程處、銀花河口下、荊紫關站設計洪峰流量;F工程處、F丹鳳、F荊紫關分別為工程處、銀花河口下、荊紫關站流域面積。

        經(jīng)過計算,得工程處不同頻率設計洪峰流量詳見表1。

        表1 工程處不同頻率設計洪峰流量計算成果表單位:m3/s

        3 建壩方案

        根據(jù)《防洪標準》、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》,確定本工程等級為4級,防洪標準為20年一遇,相應洪水洪峰流量為2954 m3/s。

        3.1 壩址選擇

        3.1.1 河勢穩(wěn)定分析

        丹江金絲峽鎮(zhèn)固床低壩工程,上起牛圈溝,下至孫家溝,河道長2.8 km,右岸修建有堤防2.317 km,左岸為高速公路和村莊。受兩岸天然岸坎制約,河道平面上一直較為穩(wěn)定。根據(jù)2010年1月、2015年12月實測地形圖分析,由于丹江河道內(nèi)采砂嚴重,河床下降,主河槽下切。近6年來,工程區(qū)河道深泓點下降最大1.92 m,主河槽平均下降1.0 m,兩岸建筑物安全受到嚴重威脅。

        3.1.2 保護范圍分析

        該河段右岸主要有鎮(zhèn)區(qū)、高速公路收費站、汽車站及游客中心、漂流中心等,左岸為高速公路和村莊。因此,工程設計位置應位于受保護建筑物下游側。

        3.1.3 壩址選擇

        根據(jù)以上分析,設計2處壩址進行比選:方案一:上壩址,金絲峽溝口下游185 m,漂流中心下河臺階處;方案二:下壩址,金絲峽溝口下游300 m。見表2。

        經(jīng)分析比較,推薦方案一上壩址。

        3.2 壩型選擇

        丹江固床低壩工程功能為穩(wěn)定河床,蓄水形成水面景觀,壩體應為日常立壩蓄水形成水面景觀,洪水期塌壩,滿足行洪要求。根據(jù)要求,壩型設定三種方案,見表3。

        根據(jù)本河段洪水特性、河道地形條件、保護范圍的重要性、景區(qū)旅游要求等條件,本次分別對液壓壩、自動翻板閘、橡膠壩等3種壩型進行比較,經(jīng)綜合分析比較,采用液壓壩型式。

        3.3 壩底板高程確定

        根據(jù)工程區(qū)實測地形圖,近年來,丹江河道由于采砂河床下降,現(xiàn)狀蓄水區(qū)河底高程366.24 m~370.84 m,河道縱比降為3.8‰,設計壩址斷面河床平均高程367.30 m;2010年堤防工程設計時蓄水區(qū)河底高程367.70 m~371.70 m,河道縱比降為3.3‰,設計壩址斷面河床平均高程368.30 m。

        如果壩底板高程采用現(xiàn)狀河底高程,由于河床下降,基礎埋深變淺,則原設計堤防基礎底部埋深不滿足原設計沖刷深度要求。如果壩底板高程高于2010年堤防設計時河床平均高程,會造成河道淤積,從而減小河道行洪斷面,不滿足行洪要求。因此,本次設計壩底板高程與2010年堤防設計時河床平均高程一致,相應壩底板高程為368.30 m。

        3.4 壩高確定

        根據(jù)河道地形、電站情況,丹江固床低壩采用壩高為4 m,即設計壩頂高程372.30 m。經(jīng)計算,年平均流量情況下,壩頂溢流水面高程372.50 m(溢流水深20 cm),枯水期平均壩頂溢流水面高程372.40 m(溢流水深10 cm),洪水期設計最大壩頂溢流高程372.80 m(溢流水深50 cm,超過即塌壩)。

        壩蓄水回水至汽車站游客中心廣場上游末端,回水長度1200 m。景觀壩位置蓄水水面寬216 m,規(guī)劃碼頭位置蓄水水面寬210 m,平均水深3.2 m,游客中心廣場中部位置蓄水水面寬130 m,平均水深1.4 m。蓄水效果比較理想。建議對回水末端河道內(nèi)的夾心灘進行清理,水面效果更好。

        3.5 壩結構設計

        表2 壩址分析選擇表

        表3 壩型比較表

        設計壩址位于金絲峽溝口下游185 m處,漂流中心下河臺階處。右岸壩邊墩擋墻位于現(xiàn)狀堤防坡腳擋墻位置外2 m,不影響現(xiàn)狀堤防、確保施工安全,左岸壩邊墩擋墻與上下游現(xiàn)狀岸坎線齊平,不縮小行洪寬度,設計壩長192 m。

        根據(jù)總體布置,主要建筑物布設為:液壓壩(軸線方向)長192 m,采用DYH40K60J型液壓活動壩,面板結構為高強度合金鋼(水工專用),擋水高度4 m,單扇寬度6 m,共32扇,由生產(chǎn)廠家定型制作并指導安裝。液壓壩壩面由背水面的液壓缸支撐,通過油管路由液壓泵站控制。壩主體建筑物(順水流方向)長50.6 m,其中截滲墻長0.6 m,壩底板長9 m,消力池長21 m,海漫長20 m,左右岸邊墻及翼墻共470 m,控制室55 m2。

        3.6 塌壩流量

        根據(jù)丹鳳站、荊紫關站實測資料統(tǒng)計分析可知:

        (1)工程區(qū)多年平均月流量為32.17 m3/s,平均月最大流量發(fā)生在9月,為69.84 m3/s,因此,塌壩流量應大于平均月最大流量,以避免頻繁塌壩,影響蓄水區(qū)景觀。

        (2)工程區(qū)多年平均發(fā)生大于60~150 m3/s流量的次數(shù)在全年總數(shù)上有明顯差異,但從年內(nèi)各月發(fā)生次數(shù)來說相差不大,且主要發(fā)生在7~10月,尤其在100~150 m3/s流量間、7~10月間相差次數(shù)僅為1~2次。因此,選定塌壩流量時應重點考慮該區(qū)間流量和次數(shù)。

        (3)丹江洪水主要發(fā)生在7~10月份,且具有集中在某1~3個月內(nèi)連續(xù)發(fā)生大洪水的特性,這種情況是該河道的洪水天然特性,需要河道全斷面泄洪,不能靠塌壩簡單解決。據(jù)統(tǒng)計,去掉連續(xù)發(fā)生大洪水的情況,則發(fā)生大于100 m3/s流量的次數(shù)在4次以下,該流量能夠通過壩頂溢流,滿足最大溢流水深要求,塌壩次數(shù)也基本滿足蓄水區(qū)景觀要求,所以,選擇設計塌壩流量為100 m3/s,多年平均月最多塌壩4次。根據(jù)以上分析計算,豐水季節(jié)壩頂溢流水深能達到溢流壩頂形成瀑布的景觀效果。

        3.7 壩過洪能力計算

        液壓壩立壩時的流量計算采用薄壁堰流量公式計算。

        式中:Q為流量,m3/s;ε為側收縮系數(shù);σ為為淹沒系數(shù);m為流量系數(shù);B為過流斷面凈寬,m;H0為計入行進流速水頭的堰頂水頭,m。

        經(jīng)計算,當塌壩流量為100 m3/s時,堰頂溢流水深0.44 m,當流量為123 m3/s時,堰頂水深0.5 m,達到壩允許最大水深??菟谄骄髁繛?2 m3/s,壩頂溢流水深約10 cm,汛期平均流量為50 m3/s,壩頂溢流水深約30 cm。

        液壓壩塌壩泄洪時的流量計算采用寬頂堰流量公式進行計算。經(jīng)計算,當過壩流量為20年一遇洪水2954 m3/s時,過壩水深4.41 m。

        3.8 壩基滲透穩(wěn)定分析及處理方案

        根據(jù)地質(zhì)勘察成果,下游壩址基巖面深度10.8 m~11.2 m,砂礫石的允許水力坡降為0.08,下游壩前水頭為ΔH=4 m,當基底沿水流方向最小寬度B=ΔH/J實=4/0.08=50 m時,壩基才能達到滲透穩(wěn)定。因此,當壩底板或上下游鋪蓋總長度達到以上計算值時,壩基才能達到滲透穩(wěn)定。而修建壩上游水平鋪蓋,在本河段容易受洪水和推移質(zhì)沖毀,因此設計采用垂直截滲墻方案。

        當壩上游有水、下游無水時,對壩體抗滑穩(wěn)定最為不利,因此,選取該工況進行計算。截滲墻高度為10 m時,即截滲墻完全穿透砂礫石層時,計算的壩基穩(wěn)定值仍不能滿足滲透穩(wěn)定要求,而基巖面深度為10.8 m~11.2 m,風化層厚度約2 m,因此,設計將截滲墻深入到弱風化基巖面以下0.5 m,以滿足滲透破壞要求。為防止繞滲破壞,截滲墻沿壩縱軸線向兩岸延伸布置8 m,總長200 m,由于左右岸修建有翼墻等工程措施,兩岸不會發(fā)生繞滲破壞。根據(jù)以上分析計算,截滲墻總長200 m,平均深度15 m,深入到弱風化基巖面以下0.5 m。

        4 結論

        丹江金絲峽鎮(zhèn)固床低壩是一個防洪固岸工程。通過對河道、河勢、壩址、壩型分析討論,結合功能作用,提出丹江金絲峽鎮(zhèn)固床低壩建于金絲峽溝口下游185 m處,為長192 m、高4 m液壓壩,其防洪標準為20年一遇,相應洪水洪峰流量為2954 m3/s。該壩建成后,將對改善當?shù)厮睹婷病⑻岣咂浞篮槟芰哂兄匾饔谩?/p>

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        B

        1673-9000(2017)02-0174-03

        2017-01-17

        謝艷(1976-),女,陜西商洛人,工程師,主要從事農(nóng)村水利工程的勘測、設計及施工等工作。

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