万载县栈下抬水工程泄水闸设计分析_张万里.pdf

74 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）万载县栈下抬水工程泄水闸设计分析张万里1，张生太2（1.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，南京 210029；2.南京市市政设计研究院有限责任公司，南京 211100）摘 要：为抬高万载县锦江自来水厂与鹏程桥之间河段枯水期水位，设计拟建栈下抬水工程，该工程旨在通过抬高河道水位达到美化城市环境，建设水体景观，提高城市品位。以万载县栈下抬水工程为例，文章首先从各个角度综合考虑，对泄水水闸闸址及坝型的方案比选进行了详细的论述，最终确定坝址为下坝线，闸门采用卷扬直升钢闸门方案；其次，文章还分别对闸底板防渗长度、闸基抗滑稳定、闸基基底应力等进行了复核计算，计算结果均满足相关规范要求，证明设计方案合理。关键词：栈下抬水工程；泄水闸；坝型选择；设计分析中图分类号：TV736文献标识码：B1 工程概况万载县栈下抬水工程位于赣江流域锦河中上游（万载县鹏程大桥下游 1430m 处），坝址以上控制流域面积 1145km2，泄水闸为中型水闸，本工程是锦河干流上一座以城区抬水美化城市环境为主，兼具发电功能的水利枢纽工程。正常蓄水位 80.20m，抬水工程由泄水闸、电站进水口等组成，枢纽呈“一”字型布置，水闸共 13 孔，每孔10m，均为卷扬直升钢闸门。2 坝址及坝型选择2.1 闸坝坝址选择根据万载县城市发展的规划及业主要求，在鹏程桥下游 850m、1250m 及 1430m 处根据地形条件确定了三条坝线，相距分别为 400m 和 180m。上坝线坝线址河宽约 160m，勘察期水面宽约135m，河床底高程为74.778.7m，河床底坡较平缓。两岸为冲积地形，地形较平坦，地势较开阔，左岸地面标高约为 82.7m，右岸地面标高约为 84.5 m，河床底高程为 74.978.6m。中坝线坝址处河宽约 125m，水面宽约 96m，河床底高程为 75.176.6m，河床底坡较平缓。两岸为冲积地形，地形较平坦，地势较开阔，左岸地面标高约为 82.0m，右岸地面标高约为 84.2m。下坝线坝址处河宽约 145m，水面宽约 115m，河床底高程为 74.875.8m，河床底坡较平缓。两岸为冲积地形，地形较平坦，地势较开阔，左岸地面标高约为 81.5m，右岸地面标高约为 83.3m。1）建基面及防渗墙底高程：根据钻孔资料，上、中、下坝址均采用强风化泥质粉砂岩为建基面，两坝址建基面相差不大，坝基伸入强风化基岩以下0.5m（相对不透水层(q10Lu)以下 0.5m）。2）地基承载力及不均匀沉降：根据地勘分析，坝基地层较单一，为强风化基岩，其承载力均可满足要求，不均匀沉降可能性较小。3）闸基抗滑稳定条件：上、中、下坝址均采用强风化泥质粉砂岩为建基面，上坝址建基面高程为 73.6074.80m，下游河床高程为 74.9075.80m。中 坝 址 建 基 面 高 程 为 74.5074.60m，下 游 河 床高 程 为 75.5075.70m。下 坝 址 建 基 面 高 程 为73.1074.50m，下游河床高程为 74.9075.50m。岩收稿日期 2022-12-26作者简介 张万里（1984-），男，吉林公主岭人，工程师；张生太（1986-），男，江苏高邮人，工程师。文章编号:1007-7596（2023）01-0074-03DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.011 75 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）层倾下游偏右岸，倾角较缓，但钻孔中未发现存在缓角的裂隙，坝址下游未发现存在深坑等临空面，因此其抗滑稳定面为坝体与基础的接触面。4）闸基渗漏与绕坝渗漏：上、中、下坝址均采用强风化泥质粉砂岩作为基础持力层，强风化泥质粉砂岩具弱透水性1。不存在坝基渗漏问题。上坝线左岸分布有连续稳定且较厚的砂壤土、粉细砂及砂卵石，具中等 强透水性，闸坝蓄水后将沿闸坝左端产生绕坝渗漏。右岸具中等 强透水性的砂壤土、砂卵石分布高程虽然较高，但污水管附近小范围仍有低于闸坝蓄水后的水面高程，蓄水后易产生绕坝渗漏。中坝线左右岸分布有连续稳定且较厚的砂壤土、粉细砂及砂卵石，具中等透水性，闸坝蓄水后将在闸坝两端产生绕坝渗漏。下坝线左右岸分布有连续稳定且较厚的砂壤土、粉细砂及砂卵石，具中等透水性，大坝蓄水后将在大坝两端产生绕坝渗漏。5）坝线比较：根据对三坝址的工程及水文地质资料分析，其工程性质如表 1 所示。表 1 上、中、下坝线工程性质表坝线比较上坝线中坝线下坝线坝轴线河床宽/水面宽/m160/135125/96145/115坝轴线河床高程/m74.978.675.176.674.875.8相对不透水层深度/高程/m左坝端3.5/75.52.0/73.57.0/74.46河 床1.54.0/74.673.42.0/73.72.0/72.5右坝端3.5/79.48.5/75.75.0/74.6从上表可以看出，上坝线河床宽度最大，下坝线次之，中坝线很床宽度最小。预计开挖深度，左坝端上坝线较中坝线略深，考虑由于钻孔位置的因素，实际深度相当，下坝线开挖深度最深；河床段上坝线比中、下坝线略大；右坝端上坝线开挖深度最浅，中坝线最深。防渗深度，左端上、中坝线较下坝线浅。中、下坝线左、右岸均存在绕坝渗漏问题；上坝线仅左岸存在绕坝渗漏问题，右岸不存在绕坝渗漏问题，仅污水管附近小范围的需防渗处理。综合比选，上、中、下坝线地质条件相差不大，坝线应根据建筑物场地布置要求及经济比选确定。2.2 坝线比较坝址的技术经济比较选用相同正常高水位（80.20m）、相同坝型(卷扬直升钢闸门)进行。坝线比较情况见表 2。表 2 坝址方案比较表（H正 80.20m，采用卷扬直升钢闸门方案）项目单位上坝线中坝线下坝线备注泄水闸水位正常蓄水位m80.2080.2080.20设计洪水位m84.0883.8183.735校核洪水位m85.1284.8284.742泄水闸参数门高m4.50/4.204.50/4.204.50/4.20闸门顶、底高程相同单跨净宽m10.010.010.0闸底板顶高程m76.0076.0076.00坝净宽m 孔10m13 孔10m13 孔10m13 孔主要工程量基础土方开挖万 m312.2718.3613.78坝基强风化岩层开挖m3775275365954坝基弱风化岩层开挖m3253123353448土方回填万 m37.427.218.26砼工程万 m32.412.322.61工程投资万元5173.545235.215424.21根据表 2 知，从投资方面比较：三坝线投资相差不大，上坝线方案投资略省且施工条件较好；中坝线河道较窄，开挖量较大，投资居中，下坝线河床较宽，但下游有个急拐弯，对水流条件不利，需要增加防护工程，故投资相对其他两座坝线略大。从景观方面比较：下坝线水面面积最大，景观效果最好，再次上坝线位于拟建 220 国道多江大桥上游约 330m，中、下坝线分别位拟建 220 国道多江大 76 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）桥下游约70m、250m，从土地升值和经济效益方面，下坝线优于其他两条坝线2。下坝线考虑以后兴建电站水头略大，电站效益更好。综合各方面因素考虑，设计推荐下坝线。2.3 坝型比较根据坝址比较结果，选定下坝址方案。根据下坝址现状地形地质条件，考虑行洪安全、闸坝挡水高度条件，可考虑液压底轴驱动钢闸门方案和卷扬直升钢闸门进行比较。1）液压底轴驱动钢闸门方案（方案）：工程从左至右依次为泄水闸、冲砂闸、电站进水口，枢纽呈“一”字型布置。泄水闸采用液压底轴驱动钢闸门，冲砂闸采用卷扬直升钢闸门，总宽度 167.80m(过流总净宽 130m，其中液压底轴驱动钢闸门 120m，卷扬直升钢闸门 10m，不含电站进水口)。泄水闸共三跨，每跨泄水闸由 1 孔闸门尺寸为 4.2m43.0m(高 宽)的液压底轴驱动钢闸门控制，冲砂闸由 1 孔闸门尺寸为 5.0m10.0m(高 宽)的卷扬直升钢闸门控制。泄水闸顺水流方向长 17.50m，设 3 跨，每跨净宽 43.0m，闸底板顶高程为 76.00m，每跨泄水闸由1孔4.2m43.0m的液压底轴驱动钢闸门控制3。泄水闸下游设有长 20.50m 的 C25 钢筋消力池，底板厚 0.80m、池深 1.2m。后接 9.5m 长 C25 钢筋砼护坦，底板顶高程 75.5075.20m，底板厚 0.50m；后接 11.0m 长干砌石海漫与下游河床衔接。冲砂闸顺水流方向长 10.80m，设 1 跨，净宽 10.0m，冲 砂 闸 底 板 顶 高 程 75.50m，由 1 孔5.0m10.0m 卷扬直升钢闸门控制，门顶高程为为 80.50m(即 正 常 蓄 水 位 80.20m+0.30m)。冲 砂闸下游设有长 5.30m 的 C25 钢筋衔接段和 21.90m长 的 C25 钢 筋 消 力 池，底 板 厚 0.80m、池 深1.2m。后接 9.5m 长 C25 钢筋护坦，底板顶高程75.5075.20m，底板厚 0.50m；后接 11.0m 长干砌石海漫与下游河床衔接。该方案工程总投资 6166万元。2）卷扬直升钢闸门（方案）：工程从左至右依次为泄水闸、电站进水口（河床式厂房），枢纽呈“一”字型布置。泄水闸共 13孔，每孔 10m，均为卷扬直升钢闸门，泄水闸总宽度 150.40m(过流总净宽 130m)。泄水闸总宽 150.40m，共 13 孔，为卷扬直升钢闸门控制，每孔 10.0m，净宽 130.0m，中敦厚1.30m，边墩厚度为 0.90m。其中左侧 10 孔闸门尺寸均为 4.5m10.0m(高 宽)，右侧 3 孔闸门尺寸均为 4.2m10.0m(高 宽)，可闸门顶过水。泄水闸消能段由衔接段、消力池、和海漫组成。其中闸室段一次设有检修闸门和工作闸门。顺水流方向长 10.80m，闸底板顶高程为 76.00m，左侧 10 孔闸门门顶高程均为 80.50m(即正常蓄水位80.20m+0.30m)，右侧 3 孔闸门门顶为 80.20m(可闸门顶过水)。泄水闸下游设有长 7.30m 的 C25 钢筋衔接段和 20.50m 长的 C25 钢筋消力池，底板厚0.80m、池深 1.20m。后接 9.50m 长 C25 钢筋护坦，底板顶高程 75.5075.20m，底板厚 0.50m；后再接11.0m 长干砌石海漫与下游河床衔接。该方案工程总投资 5424 万元。经比较方案比方案少 742 万元；从检修方面方案比方案维修方便；从造价、检修、运行等方面综合考虑，推荐采用卷扬直升钢闸门方案。3 泄水闸复核计算复核计算包括：闸底板防渗长度复核；防渗刺墙防渗长度复核；闸基抗滑稳定复核；闸基基底应力复核。1）闸底板长度复核：由于闸基座落在强风化粉砂岩层上，其闸基具弱透水性，不存在渗透问题。2）防渗刺墙长度复核：因闸坝两岸地基有透水性较大的砂壤土层和砂卵石层，有必要对其进行防绕渗处理。为减少开挖工程量，拟建防渗刺墙往两岸延伸，延长渗径。计算公式如下：L=C H式中：L 为防渗长度（m；C 渗径系数（取5）；H 为上下游水位差（取正常蓄水位情况，即 H=3.90m）。计算得 L=17.5m，设置防渗刺墙向两岸延伸10m，渗径长 20.60m，可满足绕渗长度。3）闸基抗滑稳定及基底应力复核：（下转第 144 页）144 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）对影响范围、影响程度等因素的分析，为制定相应的对策提供参考。在实际工作中，要加强新技术的创新，要有针对性地开发应用模式，要设计智能化的服务体系，增强应用效果。4 结 语综上所述，相关单位在开展水利水电工程项目隧洞钻孔爆破作业的过程中，一定要充分强化施工技术方案设计工作，结合施工现场的实际进行管理，采取各项措施来降低爆破钻孔作业施工成本，提升施工安全性。同时，加强工程技术人员的职业素养和责任意识，确保相关材料、设备质量符合要求，运用新技术加强设计效果，确保爆破技术应用的质量、安全和可靠。参考文献：1 赵根，吴新霞，周先平，等.深水条件下岩塞钻孔爆破关键技术及应用 J.工程爆破，2016,22(05):13-17.2 陈新，王敏.浅谈核电站取水隧洞硬岩段首构施工地面钻孔爆破预处理技术 J.科技创新与应用，2016(02):181-182.3 唐经华.隧洞钻孔爆破技术在水利水电工程施工中的应用分析 J.四川水泥，2020(11):135-136.4 朱常辉.隧洞钻孔爆破技术的发展及其在工程施工中的应用探讨 J.建材与装饰，2015(46):251-252.5 朱海成，韩新平，冀常鹏等.钻孔岩性识别条件下的数字爆破技术研究J.煤炭科学技术，2018,46(10):184-189.根据水闸设计规范荷载计算及组合，常规水闸计算工况一般取施工完建期、正常蓄水位情况、设计洪水位情况及校核洪水位情况，本次设计为抬水工程，采用卷扬直升钢闸门设计方案，在设计洪水位及校核洪水位运行时，闸门不挡水，仅在正常蓄水位挡水，同时考虑设计洪水位和校核洪水位下上下游水位差较小，非控制工况，本次设计仅计算正常蓄水位时下游水位为河床底高程 76.00m 和施工完建期两种工况5。计算结果见表 4。表 4 闸底板稳定及基底应力计算计算成果表类型工况闸基建基面高程/mKc 值Kcmax/kPamin/kPa/kPa泄水闸正常蓄水位73.103.133.00142.7054.77300施工完建期73.102.50111.5674.37由表 4 计算结果可知，闸坝底板抗滑稳定和基底应力复核计算均满足规范要求。4 结 语万载栈下抬水工程由泄水闸及电站进水口等建筑物组成。文章根据地形条件确定了上、中、下三条坝线，从开挖深度、防渗处理范围、施工条件、水景观效果、电站效益以及工程投资等多角度综合比选，最终确定下坝线为推荐方案；通过对液压底轴驱动钢闸门和卷扬直升钢闸门两种坝型进行比较，根据下坝线现状地形地质条件，考虑行洪安全、闸坝挡水高度条件，从造价、检修、运行等方面综合考虑，推荐采用卷扬直升钢闸门方案；通过对正常蓄水位和施工完建期两种工况的复核计算结果表明，在上述两种工况下，闸坝底板抗滑稳定和基底应力复核计算均满足规范要求，为保障工程的建设质量提供数据支撑。参考文献：1 胡尔买提木拉提.仁苏供水工程闸线布置方案比选分析 J.陕西水利.2020,(02):155-156.2 王秀东.新疆白杨河小草湖渠首除险加固闸址方案比选分析 J.水利科学与寒区工程.2020,3(05):160-162.3 宋淑红.西新河综合治理工程东昌府区钢坝闸设计探讨 J.陕西水利.2020,(09):212-215.4 丛野.万载县锦江抬水工程泄洪闸和冲砂闸的设计分析 J.黑龙江水利科技.2017,45(10):116-118.5 张 万 里,胡 凯,等.高 安 市 谢 家 闸 除 险 加 固 工程泄洪闸设计方案分析 J.水利科学与寒区工程.2019,2(05):74-77.（接上第 76 页）