牛栏江引水工程盘龙江入口段瀑布堰体设计

郑小芳 桂 重 李忠洪

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

·水利工程·

牛栏江引水工程盘龙江入口段瀑布堰体设计

郑小芳 桂 重 李忠洪

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

以牛栏江引水工程盘龙江入口段防洪工程为例，介绍了该工程瀑布堰体的设计方案，着重对瀑布堰体的稳定性、应力及沉降变形进行了计算分析，计算结果表明：南段直坎段和北段三跌坎段瀑布在各荷载组合工况下，均能满足抗滑移、抗倾覆稳定性要求。

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1 工程概况

牛栏江引水工程盘龙江入口段防洪工程位于昆明市盘龙区北部山水新城核心区，该片区的规划主要依托牛栏江—滇池补水工程的引水，方能匹配其山水新城中“水”。

与此同时，牛栏江—滇池补水工程兼顾作为城市备用水源和应急水源功能的要求，输水线路末端的控制性高程——大五山隧洞出口底板高程为EL.1 912 m，比盘龙江底高10 m，利用该丰富而独有的水力资源打造昆明市独一无二的瀑布、湿地景观，可以更加凸显山水新城的“水之灵动”，提升盘龙区山水新城、盘龙江乃至昆明城市形象，大大促进地区经济的快速发展，打造盘龙区对外形象的一张新名片。项目建成后将与盘龙区园博园相互辉映，形成盘龙区北部、盘龙江沿岸新景观。

2 瀑布堰体设计

瀑布堰体三维模型见图1。

瀑布堰体直线幅宽300 m，展开面总长400 m，过水段长度340 m。根据景观规划设计及水力计算结果，瀑布总体分为北段、南段两段进行结构设计。北段瀑布展开面长度225 m，过水堰顶长度约190 m，南段瀑布展开面长度175 m，过水堰顶长度约150 m，瀑布落差为12.5 m。

北段瀑布堰体采用重力式宽顶堰，堰顶平均高程1 914.94 m，堰顶水头初估0.06 m，堰顶宽度3 m。堰面上游侧铅直，下游侧折算坡比1∶0.85，内部为埋石混凝土结构，外部采用铺砌天然石造景。下游砌石采用三台叠水，台宽按水力学三维计算成果设置为2 m～5 m，台高4 m，可根据景观要求灵活建筑，力求体现自然景观。

南段瀑布堰体采用重力式宽顶堰，堰顶平均高程1 914.90 m，堰顶水头初估0.1 m，堰顶宽度3 m。重力式单台堰高13.9 m，下游面铅直，上游坡比1∶0.85，堰体采用埋石混凝土结构，外立面采用人工天然石砌贴。重力式宽顶堰底部设置扩大式底板，以均布堰体应力，增加堰体整体稳定。底板宽出堰体上、下游各3 m。

北段瀑布堰顶平均高程比南段瀑布堰顶平均高程高0.04 m，经水力学计算成果分析，当来流量小于6.3 m3/s时，分流后北段瀑布也能保证有贴壁水流，大部分流量将集中自南段瀑布倾泻，保证南段直跌瀑布景观。

南直段三维模型见图2，北跌坎段三维模型见图3。

3 瀑布堰体稳定、应力及沉降计算

3.1 瀑布堰体稳定与应力计算

根据相应场地地质条件对北、南段瀑布堰体进行抗滑稳定及应力分析，堰体稳定计算各荷载组合分成基本组合和特殊组合，按表1进行采用。

表1 堰体荷载组合工况

根据SL 379-2007水工挡土墙设计规范重力式挡墙抗滑稳定、抗倾覆稳定及基底应力相关公式进行计算，计算成果见表2。

表2 计算成果汇总表

3.2 深层抗滑稳定验算

根据目前已经完成的地勘成果，瀑布堰体基底以下土层分布如表3所示。

表3 瀑布堰体基底以下土层分布

南段地基仅在上部2 m深度范围内存在软弱夹层，可采用换填法或强夯挤於法进行处理，不存在软弱下卧层稳定问题；而北段在基底下5.8 m～11.2 m范围存在软弱夹层，按照规范要求，需进行深层抗滑稳定性验算。基底以下各土层物理力学指标见表4。

表4 瀑布堰体基底以下土层物理力学指标

根据经验，⑥层卵石土综合内摩擦角取39°，⑦层圆砾综合内摩擦角取35°，粘聚力均为0。计算考虑地震作用，基底超载按照特殊工况下基底应力添加，计算简图见图4。

计算方法为圆弧滑动法。根据计算结果，滑面最低点位于基底以下7.7 m处，即穿过⑦1层淤泥质粘土，最小安全系数Fs=1.91，表明不存在深层抗滑稳定安全问题。

北段三跌坎瀑布深层抗滑稳定计算结果图见图5。

3.3 瀑布堰体沉降变形计算

根据目前已经完成的地勘成果，瀑布堰体基底以下土层分布见表4。

根据规范，土质地基挡墙最终沉降量计算公式如下：

式中：n——地基压缩层计算深度范围内的土层数；e1i——基底以下第i层土在平均自重应力下，由压缩曲线查得的响应孔隙比；

e2i——基底以下第i层土在平均自重应力加附加应力作用下，由压缩曲线查得的响应孔隙比；

hi——基底以下第i层的厚度；

ms——地基沉降量修正系数。

根据规范要求，最终沉降量不宜超过150 mm，相邻部位最大沉降差不宜超过50 mm。计算深度，按照计算层面处附加应力与自重应力之比为0.15控制。

根据第三节堰体基底压力计算结果，南段直坎段堰底平均压力相对比较大，σm=217.5 kPa，因此沉降计算时以南段直坎段为准。

基底处自重应力σcz=140 kPa，则附加压力Pz=77.5 kPa，求得计算深度为20 m处附加应力σz=43 kPa，自重应力为σcz=298 kPa，σz/σcz=0.14，满足计算深度要求。

因圆砾和卵石土层没有压缩试验资料，因此采用下式进行近似估算：

式中：σ——基底以下计算土层平均应力，σ=130 kPa；E——平均压缩模量，取E=20 MPa。

则可求得S=13 cm，基本满足要求。

4 结语

1)根据堰体稳定性和结构应力计算结果，南段直坎段和北段三跌坎段瀑布在各荷载组合工况下，均能满足抗滑移、抗倾覆稳定性要求，地基应力和结构截面应力均低于允许值，瀑布堰体体型、结构尺寸和材料是合适的。

2)为满足稳定性要求，地基土应满足以下要求：压实后修正承载力应不低于300 kPa，持力层范围内平均压缩模量达到20 MPa。

3)瀑布地基基本为圆砾土层，浅层局部存在软弱土层，应进行处理，以满足承载力要求。

瀑布堰体为本工程的核心所在，堰体为大型重力式挡墙结构，堰体设计的成败关乎整个工程及昆明市北部山水新城的形象面貌(见图6)。目前瀑布堰体工程已经完工将近一年，观测资料显示，一年多时间里瀑布堰体累计沉降9 mm，满足规范要求。

[1] SL 379-2007，水工挡土墙设计规范[S].

[2] 徐建新,刘英利,刘颜江.重力式挡土墙在高边坡治理中的应用[A].第十二届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ册)[C].2003.

[3] 王俊奇.重力式挡土墙的可靠度优化设计[A].第七届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ卷)[C].1998.

[4] 郑旻晟,陈 燃,张季超.水泥搅拌桩重力式挡土墙在基坑支护中的应用[A].第16届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ册)[C].2007.

ThewaterfallweirdesigninPanlongriverentrancesectionofCowshedriverwaterdiversionproject

ZHENGXiao-fangGUIZhongLIZhong-hong

(KunmingSurveyDesignResearchInstituteCo.,Ltd,ChineseElectricPowerConstructionGroup,Kunming650051,China)

Taking the flood control project in Panlong river entrance section of Cowshed river water diversion project as an example, this paper introduced the design scheme of the project waterfall weir, emphatically calculated and analyzed the stability, stress and sedimentary deformation of waterfall weir, the calculation results showed that: the southern section straight ridge segment and north three drop ridge segment waterfall weir in various load combination condition, could meet the requirements of anti slip and anti overturning stability.

waterfall weir, stability, stress, calculation, settlement

1009-6825(2014)33-0217-03

2014-09-14

郑小芳(1982- )，男，工程师

TV551.3

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