丹江金絲峽鎮(zhèn)固床低壩建設(shè)方案探析

謝艷，趙春霞

丹江金絲峽鎮(zhèn)固床低壩建設(shè)方案探析

謝艷，趙春霞

（陜西省商南縣水務(wù)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(jìn)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(jié)構(gòu)、壩滲透及穩(wěn)定性進(jìn)行了探討，以確保該固床低壩科學(xué)合理。

商南；丹江；固床；液壓壩；設(shè)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(yán)重，河床下降，主河槽下切，鎮(zhèn)區(qū)群眾生產(chǎn)生活受到嚴(yán)重威脅。

2 丹江洪水

工程上游丹江干流上設(shè)有丹鳳水文站，下游丹江干流上設(shè)有荊紫關(guān)水文站，上游支流銀花河上設(shè)有竹林關(guān)水文站，下游支流武關(guān)河上設(shè)有武關(guān)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(shí)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(shè)計洪水

工程位于銀花河口下斷面、荊紫關(guān)站之間，經(jīng)分析銀花河口下斷面～荊紫關(guān)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(guān)站設(shè)計洪水，采用區(qū)間面積加權(quán)法計算工程處的設(shè)計洪水，計算公式為：

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

經(jīng)過計算，得工程處不同頻率設(shè)計洪峰流量詳見表1。

表1 工程處不同頻率設(shè)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(biāo)準(zhǔn)》、《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，確定本工程等級為4級，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，相應(yīng)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(shí)測地形圖分析，由于丹江河道內(nèi)采砂嚴(yán)重，河床下降，主河槽下切。近6年來，工程區(qū)河道深泓點(diǎn)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(yán)重威脅。

3.1.2 保護(hù)范圍分析

該河段右岸主要有鎮(zhèn)區(qū)、高速公路收費(fèi)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(shè)計位置應(yīng)位于受保護(hù)建筑物下游側(cè)。

3.1.3 壩址選擇

根據(jù)以上分析，設(shè)計2處壩址進(jìn)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(yīng)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(shè)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(hù)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(jìn)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(shí)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(shè)計壩址斷面河床平均高程367.30 m；2010年堤防工程設(shè)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(shè)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(chǔ)埋深變淺，則原設(shè)計堤防基礎(chǔ)底部埋深不滿足原設(shè)計沖刷深度要求。如果壩底板高程高于2010年堤防設(shè)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(shè)計壩底板高程與2010年堤防設(shè)計時河床平均高程一致，相應(yīng)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(shè)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(shè)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(jìn)行清理，水面效果更好。

3.5 壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

表2 壩址分析選擇表

表3 壩型比較表

設(shè)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(shè)計壩長192 m。

根據(jù)總體布置，主要建筑物布設(shè)為：液壓壩（軸線方向）長192 m，采用DYH40K60J型液壓活動壩，面板結(jié)構(gòu)為高強(qiáng)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(dǎo)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?biāo)鞣较颍╅L50.6 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(guān)站實(shí)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(yīng)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(yīng)重點(diǎn)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(shè)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(dá)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(cè)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(jìn)流速水頭的堰頂水頭，m。

經(jīng)計算，當(dāng)塌壩流量為100 m3/s時，堰頂溢流水深0.44 m，當(dāng)流量為123 m3/s時，堰頂水深0.5 m，達(dá)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(jìn)行計算。經(jīng)計算，當(dāng)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(dāng)基底沿水流方向最小寬度B=ΔH/J實(shí)=4/0.08=50 m時，壩基才能達(dá)到滲透穩(wěn)定。因此，當(dāng)壩底板或上下游鋪蓋總長度達(dá)到以上計算值時，壩基才能達(dá)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(shè)計采用垂直截滲墻方案。

當(dāng)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(jìn)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(fēng)化層厚度約2 m，因此，設(shè)計將截滲墻深入到弱風(fēng)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(fēng)化基巖面以下0.5 m。

4 結(jié)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，相應(yīng)洪水洪峰流量為2954 m3/s。該壩建成后，將對改善當(dāng)?shù)厮睹婷?、提高其防洪能力具有重要作用?/p>

TV871.1

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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(shè)計及施工等工作。