吉林省月亮泡蓄滞洪区分洪口门裹头工程设计初探

2015-02-28许经宇韩冬梅宗志聪李雪松

东北水利水电 2015年7期

许经宇，韩冬梅，宗志聪，李雪松

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春 130021）

蓄滞洪区能对河段分泄的洪水起到削减洪峰，或短期阻滞洪水作用，是我国防洪体系不可替代的重要防洪措施。而在蓄滞洪区的建设中，对于启用概率较低的一般蓄滞洪区来说，考虑建闸启用频率低，并且投资较大，后期管理运用较麻烦，采用分洪口门裹头临时爆破的分洪型式就显得尤为重要。然而关于分洪口门裹头的设计资料参考范围小，裹头的泄流曲线及稳定等计算的探讨较少。下文对月亮泡蓄滞洪区工程中的裹头设计相关计算等进行分析探讨，以供类似工程参考。

1 工程概况

吉林省月亮泡蓄滞洪区位于嫩江一级支流洮儿河入嫩江河口处，蓄滞洪区核心为月亮泡水库。月亮泡蓄滞洪区主要任务是拦蓄套儿河洪水，分蓄部分嫩江洪水，减轻哈尔滨市防洪压力，同胖头泡一起承担哈尔滨市100～200年一遇防洪任务。

月亮泡蓄滞洪区包括月亮泡库区片、4号坝以西片、新荒泡片和6号坝片4部分，总面积686.01 km2。月亮泡库区片和4号坝以西片与洮儿河相联接；新荒泡片由新荒泡1～3号坝和5号坝与月亮泡库区片、4号坝以西片分隔开；6号坝片由6号坝与月亮泡库区片分隔开。6号坝片和新荒泡片目前具备分区运用条件。

由于新荒泡1号坝上4孔闸合和5孔闸、5号坝上涵洞1和涵洞2规模较小不能满足分洪要求；6号坝上没有建筑物，因此需在5号坝、6号坝上建分洪口门，以满足分洪要求。下文以6号坝裹头设计为例进行探讨。

2 裹头设计主要计算

6号坝分洪口门选在1998年大洪水冲开处，也是6号坝位置最低处，位于6号坝桩号7+120～7+200 m处，该处地质条件单一，上部均为壤土层，壤土层较厚，下部为细砂层，地形地质条件均较好，进水退水条件均较好。

2.1 裹头宽度的确定

裹头宽度是裹头设计的核心内容，需要经过调节计算确定。首先要明确调洪原则。

2.1.1 6号坝裹头的调洪原则

调洪原则：分洪起调水位月亮泡片达到133.5 m；6号坝片无水；6号坝片分洪；6号坝片和月亮泡片同时达到134.57 m。

2.1.2 6号坝裹头泄流能力计算

裹头的泄流能力从运行情况分析，在分洪时，6号坝片水位上涨，月亮泡片水位下降，最后同时达到同一水位134.57 m。在进行泄流曲线计算时就需要有各种情况分析。因此先采用100 m裹头宽度，上游同一水位情况下，下游水位变化时为一个泄流曲线，同样上游水位每下降0.1 m时的泄流曲线，在进行调洪计算后反复调节，确定最终裹头宽度。泄流公式采用宽顶堰过流公式：

式中：Q——设计流量，m3/s；b——过流净宽，m；H0——计入行近流速水头的堰上水头，m；ε——侧收缩系数；σm——淹没系数。

自由出流或者淹没出流方式根据堰前水位和堰后水位的高低判断，只有当堰后水位大于堰顶高程时才可能发生淹没出流。设hs为堰后水位与堰顶高程之差，则当hs/H＜0.8时为自由出流，hs/H≥0.8时为淹没出流。自由出流时，淹没系数取1；淹没出流时，上下游水位查《水力计算手册》中表3-2-8取值；m——流量系数，流量系数采用八字形前沿进口的宽顶堰流量系数。计算的泄流曲线成果见表1。

表1 泄流曲线计算成果表

根据调洪原则、洪水工程线及泄流曲线等进行调节计算得出裹头设计宽度80 m。

2.2 裹头稳定计算

裹头稳定计算也是裹头设计的重点，计算方法本文简化为重力式挡土墙的计算方法进行计算。

2.2.1 冲刷深度计算

水流平行于岸坡产生的冲刷深度采用GB50286-2013《堤防工程设计规范》中式D.2.2-1与D.2.2-2计算：

式中：hs——局部冲刷深度，m；H0——冲刷处水深，m；UCP——近岸垂线平均流速，m/s；U——行近流速，m/s；UC——泥沙起动流速，m/s；n——与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=1/4～1/6；η——水流流速不均匀系数。

经计算，6号坝冲刷深度为1.79 m。

2.2.2 抗滑稳定计算

裹头简化为重力式挡土墙进行稳定应力计算，六号坝底部深入冲坑以下1.71 m，桩长8 m。填土侧考虑土压力和地下水压力，临水侧按分洪和退洪两种工况考虑，其中退洪为控制情况。退洪时，临水侧水位与冲坑底高程相同。

抗滑稳定安全系数采用SL379-2007《水工挡土墙设计规范》中式6.3.5-1计算：

式中：KC——挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；ΣG——作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；ΣH——作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载，kN；f——挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数，取0.2。

2.2.3 抗倾稳定计算

采用SL379-2007《水工挡土墙设计规范》中式6.4.1计算：

式中：KO——挡土墙抗倾覆稳定安全系数；MV——对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩，kN·m；MH——对挡土墙基底前趾的倾覆力矩，kN·m。

经计算，得 KC=1.47，KO=2.99（允许值 KC=1.05，KO=1.30），计算结果均满足规范要求。

3 裹头设计结构形式选择

裹头主要控制宽度，保护口门两侧堤身免遭冲刷。一般口门可采用浆砌石、抛石、高喷灌浆墙体等几种型式的裹头控制。在口门型式选择上，应力求简单、实用。考虑裹头分洪时流速较大，水流紊乱，选定高压旋喷桩成墙形成裹头。

6号坝裹头为1孔布置，未启用前过流段为原坝材料封堵，堤顶高程为135.00 m，堤顶宽度4 m，上游边坡 1∶2.5，下游边坡 1∶3。

裹头采用扒口型式分洪，分洪两侧需布置高喷灌浆裹头，对分洪口两侧大堤进行保护。高喷体平面上成喇叭口形，通过高喷形成的壁状加固体控制裹头宽度，上游扩散角30°，下游扩散角10°，旋喷桩桩径1.0 m，排间距0.8 m。喷体贯穿大堤，壁厚根据重力式挡土墙稳定计算试算确定，上部高程与堤防横断面外轮廓保持一致，下部高程应深入地基以下3.5 m。考虑最外侧裹头分洪时冲刷流速最大，水流紊乱，容易造成较大冲刷，为安全起见，最外侧一排高压旋喷桩深入土层以下6.5 m，高压旋喷桩的最大深度为11 m。

为了防止分洪时水流对两侧堤身的淘刷，增加复堤难度，对裹头两侧堤身进行防护，防护长度两侧各30 m，对堤防迎水侧采用混凝土铰接板块护坡（为与其他设计保持一致）；对堤防背水侧边坡采用膜袋混凝土护坡，护坡厚度150 mm，护坡底部采用1 m×0.5 m混凝土固脚。