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龍泉市瑞垟引水工程L型重力壩優(yōu)化設(shè)計

2022-04-14 02:55
關(guān)鍵詞:重力壩基巖布置

熊 軍

(龍泉市瑞垟引水一期工程項目建設(shè)指揮部,浙江 龍泉 323700)

堰壩是水利水電樞紐工程的重要組成部分。攔河堰壩布置在主河道上,既能起到一定的攔蓄水作用,又能夠泄洪,在灌溉、防洪、引(供)水、生態(tài)景觀等工程中廣泛使用,有著較高的研究和應(yīng)用價值[1]。

龍泉市瑞垟引水一期工程引水堰壩原設(shè)計方案為傳統(tǒng)的重力壩,正常蓄水位266.5 m,壩體總長148.59 m,其中溢流壩段長74 m,溢流面頂高程266.5 m;非溢流段壩頂高程271.0 m,最大壩高15 m;左岸擋水壩段中預(yù)埋直徑100 cm的生態(tài)放水管兼沖砂管;左壩肩伸入山體22.51 m;永久占用基本農(nóng)田4 000 m2。從理論與技術(shù)方面考慮,原設(shè)計方案是可行的,但根據(jù)引水堰壩所處位置的實際情況,存在以下問題:

1) 永久占用基本農(nóng)田過多,當(dāng)?shù)卮迕褫^為抵觸,且左壩肩原始開挖線內(nèi)有多處墳地,政策處理難度大。

2) 左壩肩施工期間需對縣道X101開挖,前往上游屏南鎮(zhèn)的道路需臨時改至施工區(qū),社會車輛通過施工區(qū),交通導(dǎo)行與安全風(fēng)險高;同時該壩段施工完成后道路需進行恢復(fù),增加投資成本。

3) 左壩肩伸入山體22.51 m,需大面積開挖,破壞原始林地較多。

針對類似占用較多土地和開挖土方量較大的堰壩,需要根據(jù)場址區(qū)的具體地形和地質(zhì)條件,探索一種新的實用壩型或進行壩型的重新布置,使工程設(shè)計更為安全適用、成本合理[2]。在分析傳統(tǒng)重力壩的基礎(chǔ)上,一種L型布置的新型重力壩型式受到學(xué)者們的關(guān)注,有學(xué)者認(rèn)為該壩型具有獨特的逆向壩坡,壩面水壓和壩體自重產(chǎn)生的彎矩方向相反,壩體抗滑穩(wěn)定性更優(yōu)[3]。同時,也有學(xué)者針對新型的導(dǎo)流板式異形丁字壩開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究[4]。這些研究給龍泉市瑞垟引水一期工程引水堰壩的優(yōu)化設(shè)計提供了有益的參考。

龍泉市通過對該工程場址區(qū)的工程地質(zhì)條件進行深入分析,借鑒國內(nèi)類似工程的研究成果,對原設(shè)計方案進行了初步調(diào)整[5-6]。在此基礎(chǔ)上,通過對壩址區(qū)工程地質(zhì)條件分析,開展穩(wěn)定計算,確保方案調(diào)整后堰壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[7-9]。

1 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地層巖性

本工程區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造屬華夏大陸臺閩浙地質(zhì)組成部分,即華南褶皺系、浙東南褶皺帶,構(gòu)造形跡以褶皺為主,龍泉境內(nèi)為低山和中山。壩址位置主要涉及的具體巖土層位如下:⑥-2層卵石、⑨-1含碎石粉質(zhì)黏土、-1全風(fēng)化變質(zhì)花崗巖、-2強風(fēng)化變質(zhì)花崗巖、-3中風(fēng)化變質(zhì)花崗巖。

⑥-2層卵石:沖洪積層(Q3pl-al),灰褐色,中密~密實,層厚1.90~3.20 m。滲透系數(shù)較大,為1.0×10-2cm/s,屬強透水層,不宜作為本工程壩基的持力層。

⑨-1層含碎石粉質(zhì)黏土:殘坡積層(Q3el-dl),黃褐、紅褐色,稍密~中密,層厚0~0.50 m。屬弱透水層。工程性能較差,部分地段層厚較薄,強度不足以滿足設(shè)計要求,不建議作為本工程的壩基持力層。

壩址區(qū)未見有斷層、褶皺情況,壩址區(qū)上部節(jié)理發(fā)育較好,下部節(jié)理不發(fā)育,巖體總體較完整,節(jié)理面可見鐵錳質(zhì)渲染。

左右壩肩坡度較緩,右壩肩基巖出露,左壩肩植被發(fā)育,覆蓋層較厚,自然邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),壩基以強、中風(fēng)化基巖為持力層,需開挖較深。開挖坡比按表1進行,必要時采取臨時支護措施。

表1 壩址區(qū)各巖土層開挖坡比

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

堰壩區(qū)位于花崗巖區(qū),沿線未發(fā)現(xiàn)滑坡、危巖、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象分布,且不受外圍不良地質(zhì)現(xiàn)象影響,場地穩(wěn)定。

1.3 巖體風(fēng)化卸荷

根據(jù)前期地質(zhì)資料,揭示巖性主要為加里東侵入巖(γ3)巖性為變質(zhì)花崗巖,沿線花崗巖全風(fēng)化帶厚度一般為3.10~6.20 m,強風(fēng)化帶厚度一般為1.40~5.60 m。

1.4 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水的含水介質(zhì)、賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征,場地地下水類型主要是表層土體內(nèi)第四紀(jì)松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水,分述如下:

1) 孔隙潛水

擬建場地孔隙性潛水主要分布于進水廠地面鋼管段,由大氣降水和地表溪流徑流補給,潛水水量不大,地下水位隨季節(jié)變化,地下水位年變幅1~2 m??碧狡陂g地面鋼管段測得鉆孔靜止水位埋深0.50~3.50 m。

2) 基巖裂隙水

工程區(qū)深部基巖裂隙水水量受地形地貌、巖性、構(gòu)造、風(fēng)化及季節(jié)性降雨影響較大,補給來源主要為上部上層滯水、第四系松散巖類孔隙潛水,其次為基巖風(fēng)化層側(cè)向徑流補給;徑流方式主要通過基巖內(nèi)的斷層、節(jié)理裂隙由高處向低處滲流,本場地基巖裂隙水水量不大、徑流緩慢,對工程影響小??碧狡陂g山嶺隧道段測得鉆孔靜止水位一般埋深3.00~24.00 m,地下水位年變幅5~10 m。

1.5 不良地質(zhì)作用

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、地質(zhì)測繪及鉆孔揭露,場地為槽谷地形,地形平緩,兩側(cè)邊坡覆蓋層較薄,場地內(nèi)及其周邊未發(fā)現(xiàn)有滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)作用。

1.6 綜 述

根據(jù)地質(zhì)勘測資料,該位置滿足堰壩建設(shè)的條件,但左壩肩植被發(fā)育,覆蓋層較厚,需要開挖較深;而堰壩上游原始河道左岸基巖出露,地質(zhì)條件良好。同時結(jié)合現(xiàn)場具體情況,施工條件很好,便于大型機械進場,利用X101道路,便于進行壩體混凝土澆筑。

2 壩型設(shè)計優(yōu)化

2.1 堰壩結(jié)構(gòu)調(diào)整概況

根據(jù)堰壩工程區(qū)基本農(nóng)田分布,以及墳地(位于堰壩左側(cè)擋水壩段所在山體)、現(xiàn)有道路等現(xiàn)場實際情況,加快推進項目進場建設(shè),經(jīng)項目參建方充分討論研究,擬對堰壩結(jié)構(gòu)布置進行調(diào)整。

1) 對堰壩溢流壩段寬度進行調(diào)整,由原來74.0 m調(diào)整為58.8 m,溢流壩段下游的右側(cè)導(dǎo)水墻相應(yīng)調(diào)整,并略向河道偏轉(zhuǎn),以減少堰壩下游的征地。因溢流寬度變化導(dǎo)致洪水位及單寬流量變化,相應(yīng)調(diào)整壩頂高程及消能防沖結(jié)構(gòu)。

2) 左岸擋水壩段改為折向上游的衡重式擋墻,總長約80 m,以避開左岸的墳地和左壩肩的大開挖,并確保左岸公路暢通,堰壩型式由傳統(tǒng)的攔河重力壩改為L型布置重力壩。堰壩結(jié)構(gòu)調(diào)整見圖1。

圖1 堰壩結(jié)構(gòu)布置調(diào)整圖

3) 生態(tài)流量泄放管調(diào)整由大壩左岸擋水壩段布置,調(diào)整至大壩右岸壩段布置。

管道中心線高程263.0 m,首部埋置與大壩混凝土內(nèi),后部埋管布置,尾部通向沖沙放空渠道內(nèi),管徑DN400,螺旋焊接鋼管,長度30 m。管道頭部布置攔污柵,壩后布置檢修、工作閥,集中布置于檢修閥井內(nèi)。

灌溉放水管同生態(tài)流量泄放管并排,同高布置,布置于同一壩段,布置形式同生態(tài)流量泄放管,管徑DN200,螺旋焊接鋼管,長度30 m。管道過壩后接原灌溉渠道。

2.2 工程等級和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

堰壩結(jié)構(gòu)調(diào)整后,本工程等級和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)保持不變。本工程各單體永久性水工建筑物級別,根據(jù)所屬工程級別和建筑物重要性確定,主要建筑物為3級建筑物(埋管、調(diào)流閥等),堰壩高度低,根據(jù)規(guī)范,降低一級為4級建筑物;次要建筑物為4級建筑物(檢修排水設(shè)施、交通道路等);臨時建筑物按5級設(shè)計。

2.3 調(diào)整前后方案比較

方案比選主要考慮地形地質(zhì)條件、建筑物布置條件、施工條件、技術(shù)風(fēng)險以及投資等方面。

1) 壩基處理

按照原設(shè)計方案,堰壩左壩肩坡度較緩,植被發(fā)育較好,自然邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),壩基以強、中風(fēng)化基巖為持力層,基礎(chǔ)開挖需要進行炸藥爆破。堰壩優(yōu)化后上游壩基以強風(fēng)化基巖為主,地質(zhì)條件較好,僅需少量機械、人工開挖即可,避免了左壩肩的大開挖。

2) 政策處理

方案優(yōu)化后的上游擋墻屬于河道灘地,不需要占用農(nóng)民的林地、田地,對原始地貌的破壞也降到最低。政策處理工作能夠很快進行,既降低了項目成本,也有利于項目能盡早進入施工階段,為后續(xù)的工期計劃提供了極大的便捷。

3) 環(huán)境保護

堰壩壩型優(yōu)化后,堰壩溢流段長度由74.00 m調(diào)整為58.80 m,右岸引水渠平面位置向河道兩側(cè)偏移,減少基本農(nóng)田的永久占用。通過對原設(shè)計圖與優(yōu)化后設(shè)計圖的對比,減少基本農(nóng)田占用896.15 m2,同時避免了左壩肩伸入山體22.51 m的開挖工程,保護了自然環(huán)境。

4) 工程量及投資

兩種方案主要工程量及投資情況見表2。

表2 左壩肩工程量與投資比較表

通過對兩種方案主要工程量與投資的對比,壩型優(yōu)化后的方案雖然在土石方開挖量上有了極大的減少,但在混凝土方量上有較大的增加;壩型優(yōu)化后,縣道X101不需要開挖,也不需修建臨時道路。僅從工程成本考慮,堰壩優(yōu)化后相比于原設(shè)計成本增加25.42萬元。

5) 工程安全

從安全方面分析,堰壩優(yōu)化后無須對縣道X101進行改線,對社會車輛的日常通行不會造成影響,且堰壩施工區(qū)與縣道X101之間利用安全圍欄進行隔離,便于安全管理以及上游屏南鎮(zhèn)群眾安全出行。

通過以上地質(zhì)條件、政策處理、環(huán)境保護、投資、工程安全等方面的對比分析,綜合考慮將引水堰壩由傳統(tǒng)的重力式壩型優(yōu)化為L型布置重力壩。

3 穩(wěn)定計算

3.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL 319-2018)中抗剪斷強度計算公式[4],即

K`=(f`∑W+C`A)/∑P

(1)

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL 319-2018)中應(yīng)力計算公式[5],即

(2)

計算結(jié)果(表3和表4)表明,在各種計算情況下,壩體最大基底應(yīng)力滿足不大于地基允許承載力550 kPa,壩體基底不出現(xiàn)拉應(yīng)力,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)各工況均滿足要求。

表3 非溢流壩段穩(wěn)定應(yīng)力計算成果表

表4 溢流壩段穩(wěn)定應(yīng)力計算成果表

3.2 水力學(xué)計算

1) 泄流能力計算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL 253-2018)中開敞式冪曲線實用堰的泄流能力計算公式[6],即

(3)

(4)

σs=H+v2/2g

(5)

經(jīng)溢洪道泄流能力計算得表5,溢洪道設(shè)計和校核工況下泄流能力均滿足河道調(diào)洪演算下泄流量725 m3/st和2 864 m3/s要求[6]。

表5 溢洪道泄流能力計算表

2) 消能防沖計算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL 253-2018)式A.6.1-1~3和A.6.3-1~3。式(6)—式(11)中,水躍淹沒度σ取1.05;消力池出口段流速系φ取0.95;消力池尾部出口水面跌落ΔZ單位為m。表6為溢洪道效能防沖能力計算表。計算結(jié)果表明,本工程實際取用池長為23.4 m,池深為1.6 m,滿足要求。

表6 溢洪道消能防沖能力計算表

(6)

(7)

d=σh2-h1-ΔZ

(8)

(9)

L=6.9(h2-h1)

(10)

Lk=0.8L

(11)

4 結(jié) 論

針對實際工程需要,通過對L型布置的重力壩優(yōu)化設(shè)計方案進行計算分析,可以得到如下基本結(jié)論:

1) 壩址和壩型選擇是水利水電工程建設(shè)中復(fù)雜、多因素影響的系統(tǒng)工程問題,需要全面綜合考慮利弊得失。

2) 通過綜合對比分析,龍泉市瑞垟引水一期工程引水堰壩優(yōu)化為L型布置重力壩,在功能上完全滿足設(shè)計要求,是完全可行的。

3)L型布置重力壩創(chuàng)造性地將左岸部分壩體改向上游,一次性解決了公路改線、過多永久占用基本農(nóng)田、山體大開挖等工程建設(shè)過程中存在的突出問題。

4) L型布置重力壩已經(jīng)在龍泉市瑞垟引水一期引水工程中建設(shè)完成并投入使用,可為當(dāng)前和今后城鄉(xiāng)安全飲用水工程,尤其是水源地工程建設(shè)設(shè)計提供參考。

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