潮白河小高坨跌水橡胶坝设计分析

朱博然，李 琦，李文星，李 杰

(河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056000)

1 工程概况

潮白河位于海河流域北部，西界永定河，北依蒙古高原，东界滦河，南临渤海。潮白河上游由潮河、白河两大支流组成，流经北京市密云县，纳怀河过顺义流入平原，下游河道流经北京市通州区、河北省三河市及大厂回族自治县，至香河县吴村闸，于香河县荣各庄进入天津市宝坻县境内，在里自沽纳青龙湾减河，至宁车沽防潮闸汇入永定新河。河道全长 467km，流域面积19354km2，其中山区面积16810km2[2]。新建小高坨跌水橡胶坝，位于荣各庄扬水站下游约560m，对潮白河径流进行调节，满足河道两侧灌区抗旱灌溉应急供水要求。

香河县潮白河小高坨跌水橡胶坝工程的实施，大幅度加大了河道蓄水面积，增加河道入渗量补充地下水，提高了雨洪资源利用率，改善了河道两岸生态环境，不仅保障了作物播种期和作物生长关键期的基本需水，同时还可作为抗旱应急水源在旱期为周边居民提供生活用水，产生了巨大的环境和社会效益。

2 工程布置

在满足防洪要求的前提下，新建小高坨跌水橡胶坝，位于荣各庄扬水站下游约560m，对潮白河径流进行调节。潮白河河道为复式断面，为减少对河道行洪影响，节省工程量，橡胶坝布置在河道主槽内，橡胶坝口门宽度应与主槽宽度基本相同；同时，为保证河道大蓄水量和减少蓄水后对两岸产生浸没影响，橡胶坝蓄水位应尽量接近河道两岸滩地高程，不宜高于两岸地面高程。根据橡胶坝布置原则[3]，确定小高坨跌水橡胶坝位于河道主槽内，坝长160m，坝高2.5m，蓄水位6.5m，顺水流方向长79.5m，由上游连接段、坝室段和下游连接段三部分组成。

上游连接段长20m，进口设浆砌石水平防护，长10m，梯形过水断面，底宽161m，边坡1∶4，底高程4.0m，厚0.5m，下设0.1m厚碎石垫层；铺盖长10m，为钢筋混凝土结构，厚0.4m，坡比1:50，底高程由4.0m渐升至4.2m；两岸边墙为钢筋混凝土悬臂式，设圆弧翼墙与上游河道、坝室段连接，墙顶高程7.0m，高出蓄水位0.5m。

坝室段顺水流方向长9.0m，为钢筋混凝土结构，包括底板、边墩、中墩和坝袋，两孔布置，单孔坝长80m，总坝长160m，坝高2.5m。坝底板顶高程4.2m，厚0.9m。两岸边墩为钢筋混凝土悬臂式，墙顶高程7.0m，为避免坝袋塌肩，边墩、中墩底板坝袋一侧采用1∶10斜坡，抬高底板0.2m。坝袋采用枕式充水坝袋，坝袋设计内外压比1.3。充坝水源取自深井，利用深井泵取水充坝。泵房布置在河道右岸，为地下结构。汛期橡胶坝坍坝运行。

下游连接段长50.5m。橡胶坝坝后设0.5m水平段，后接斜坡段，坡比1∶5，长3.5m，下游设钢筋混凝土消力池，池深0.5m，池底高程3.5m，池长10m，底板厚0.6m，池内设Φ100排水孔，间距1.5m，梅花形布置，下设反滤层；消力池下游钢筋混凝土护坦长10m，底高程4.0m，厚0.5m，两岸边墙为钢筋混凝土悬臂式，墙顶高程7.0m；出口设浆砌石水平防护，长10m，底高程4.0m，厚0.5m，下设0.1m厚碎石垫层，设圆弧翼墙与护坦、下游河道连接，河道为梯形过水断面，底宽161m，边坡1∶4；后接抛石防冲槽，长 11.5m，为梯形槽，底宽2.5m，上、下游边坡分别为1∶3、1∶4，槽深1.5m；防冲槽后两岸设浆砌石护坡，长5m，厚0.5m。

橡胶坝技术指标见表1。

表1 橡胶坝技术指标表

3 大坝设计

3.1 设计坝底、坝顶高程

为防止过坝推移质泥沙随水流卷入坝袋底部增加坝袋的磨损，根据《橡胶坝技术规范》(SL227-98)，坝底板高程宜比上游河床地形平均高程适当提高0.2-0.4m，取0.2m；坝顶高程宜高于上游正常水位0.1-0.2m，取0.2m。

为避免对河道行洪影响，节省工程量，橡胶坝上、下游河底高程维持现状河底高程，小高坨跌水橡胶坝设计河底高程4.0m，蓄水位6.5m，确定设计坝底高程4.2m，坝顶高程 6.7m。

3.2 坝袋设计

潮白河河道为复式断面，小高坨跌水橡胶坝位于河道主槽内两孔布置，单孔坝长 80m，总坝长 160m，坝高 2.5m。坝袋采用枕式充水坝袋，坝袋设计内外压比1.3；坝袋与两岸连接采用直墙式结构；坝袋两端顶部设排气阀以排除坝内空气；坝袋材料选用二布三胶锦纶帆布，采用有搭接坝袋，坝袋颜色由业主自定；锚固结构型式为螺栓压板锚固，上压板宽-厚(mm)：130-15，下压板宽-厚(mm)：140-10，螺栓直径M24，锚固线布置为双锚固线。坝袋指标见表2。

3.3 水力设计

3.3.1 消能防冲设计

汛期橡胶坝坍坝运行，根据水面线推算成果，河道过 50a一遇设计洪峰流量时，橡胶坝为淹没出流，不需修建消力池；非汛期橡胶坝充坝运行，根据以往工程经验，橡胶坝坝上溢流水深超过 0.3m 时，坝袋有可能发生振动，工程运行中，通过河道上游吴村闸控制坝上溢流水深不超过 0.3m[4]。根据运用条件选择不利的水位和流量进行消能防冲计算，橡胶坝坝上溢流流量按《橡胶坝技术规范》(SL227-98)附录A的公式进行计算，消能计算按《水闸设计规范》(SL265-2001)附录B.1的公式进行计算。

表2 坝袋指标表

1)坝上溢流流量计算。

(1)

式中：Q为过坝流量，m3/s；B为溢流断面平均宽度，m；H0为计入行近流速水头的堰顶水头，m；m为流量系数，取0.38；ε为堰流侧收缩系数；σ为淹没系数。

2)消能防冲计算。

(2)

式中：d为消力池深度，m；σ0为水跃淹没系数，取1.05；hc″为跃后水深，m；hc为收缩水深，m；α为水流动能校正系数，取1.0；q为单宽流量，m2/s；ψ为流速系数；b1为消力池首端宽度，m；b2为消力池末端宽度，m；T0为由消力池底板顶面算起的总势能，m；△Z为出池落差，m；hs′为出池河床水深，m。

橡胶坝下游水深按规划后的河道断面采用明渠均匀流公式计算，消能防冲计算成果见表3。

表3 橡胶坝消能防冲计算成果表

由表3可知，消力池池深最大仅为0.16m，由于池深较浅，橡胶坝下游按结构要求设置消力池，橡胶坝坝后设0.5m水平段，后接斜坡段，坡比1:5，长3.5m，下游设消力池，池深0.5m，池长10m。

为防止橡胶坝挡水时，消力池发生抗浮破坏，消力池内设Φ100 排水孔，排水孔为无砂混凝土，梅花形布置，间距1.5m。

3.3.2 橡胶坝处河道行洪能力计算

汛期橡胶坝坍坝行洪，潮白河河道为复式断面，跌水橡胶坝位于河道主槽内，50a一遇设计洪峰流量 3300m3/s，根据水面线推算，跌水橡胶坝处河道上、下游水位分别为 11.02m、10.97m，淹没度 hsH0≥0.9，橡胶坝及河道两岸滩地行洪能力按《水闸设计规范》(SL265-2001)附录 A.0.2 计算。

(3)

式中：B0为闸孔总净宽，m；H0为计入行近流速水头的堰上水深，m；g为重力加速度，取 9.81 m/s2；hs为由堰顶算起的下游水深；μ0为淹没堰流的综合流量系数。

橡胶坝为两孔布置，单孔坝长80m，总坝长160m，两岸滩地宽260m。橡胶坝处河道行洪能力计算成果见表4。

表4 橡胶坝处河道行洪能力计算成果表

由表4可知，橡胶坝处河道行洪流量为3385.12m3/s，大于河道50a一遇设计洪峰流量3300 m3/s，满足河道行洪要求。

3.3.3 下游防冲槽设计

1)下游河床冲刷深度计算。

橡胶坝防洪标准为50a一遇[5]，相应的设计洪峰流量为3300m3/s，下游河床冲刷深度按《水闸设计规范》(SL265-2001)附录B.3的公式进行计算。

(4)

式中：dm为护坦末端河床冲刷深度，m；qm为护坦末端单宽流量，m2/s；[v0]为河床土质允许不冲流速，取0.85m/s；hm为护坦末端河床水深，m/s。

经计算，下游河床冲刷深度为6.36m。

2)防冲槽断面面积计算。

(5)

式中：A为防冲槽断面面积，m2；dm为下游河床冲刷深度，m；t为冲坑上游护面厚度，取0.5m；m为塌落的堆石形成的边坡系数，取3.0

经计算，跌水橡胶坝下游防冲槽面积为10.06m2，设计防冲槽为抛石梯形槽，底宽2.5m，上、下游边坡分别为1:3.0、1:4.0，槽深1.5m,防冲槽断面面积11.125 m2，大于计算面积，满足规范要求。

3.3.4 滩地冲刷计算

橡胶坝两岸滩地冲刷按《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)公式D.2.2-1-2计算：

(6)

式中：hs为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深，m；Ucp为近岸垂线平均流速,m/s；Uco 泥沙启动流速,m/s；U为行近流速，m/s；n为与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=0.25；η为水流流速不均匀系数。

经计算，两岸滩地冲刷深度为0.70m，主槽岸顶设1.0m齿墙防护。

3.4 防渗设计

3.4.1 防渗长度计算

根据《水闸设计规范》(SL265-2001)，防渗长度按下式确定：

L=C△H

(7)

式中：L为防渗长度，m；△H为上、下游水位差，m；C为允许渗径系数值。

1)橡胶坝顺水流方向防渗长度计算。

跌水橡胶坝上、下游最大水位差为2.5m,基础为粉质黏土，允许渗径系数值C取5；经计算，防渗长度为12.5m，实际布置防渗长度23m，满足规范要求。

2)两岸滩地防渗长度计算。

河道蓄水位为6.5m，两岸外地面高程最低为6.0m，最大水位差为0.5m，两岸滩地地层为细砂，允许渗径系数值C取9；经计算，防渗长度为4.5m,现在左岸滩地宽约130m，右岸滩地宽约110m,满足规范要求。

3.4.2 渗流计算

渗流计算采用河海大学工程力学研究所开发的《水工结构分析系统》AutoBank5.3 程序进行计算[6]，计算工况按橡胶坝上游蓄水位，下游无水考虑，经计算，橡胶坝水平段、出口段渗流坡降分别为0.06、0.29，均小于允许水力比降0.15、0.40，满足要求。

3.5 橡胶坝稳定计算

橡胶坝稳定计算按以下四种工况进行计算：

工况一：完建工况，橡胶坝充水试坝(基本组合)；

工况二：河道正常蓄水位，下游无水(基本组合)；

工况三：橡胶坝坍坝运行，河道过50a一遇设计洪水(基本组合)；

工况四：河道正常蓄水位+8°地震，下游无水(特殊组合)。

荷载组合见表5。

表5 荷载组合表

1)抗滑稳定计算。

(8)

式中：Kc为沿基底面的抗滑稳定安全系数；f为基底面与地基之间的摩擦系数；∑G为作用在橡胶坝上的全部竖向荷载，kN；∑H为作用在橡胶坝上的全部水平向荷载，kN。

2)偏心距及基底应力计算。

(9)

跌水橡胶坝基础为粉质黏土，根据地质报告，摩擦系数f取值为0.25，橡胶坝稳定计算成果见表6。

表6 橡胶坝稳定计算成果表

由表6可知，橡胶坝抗滑稳定安全系数不满足规范要求，橡胶坝基础采用碎石土垫层[7]换填，厚1.0m，增大基底摩擦系数，取值为0.45，土料采用黏性土，土料中黏粒含量15%-30%，碎石含量 40%(重量)，碎石级配5-20mm；碎石土垫层与原地基抗滑稳定采用简化计算，将碎石土垫层与橡胶坝按整体考虑验算与原地基抗滑稳定，重新计算后，橡胶坝稳定计算成果见表7。

表7 橡胶坝稳定计算成果表(基础换填后)

由表7可知，基础换填后，各种工况下橡胶坝稳定计算满足要求。

4 结 语

综合分析，采用跌水橡胶坝对于潮白河径流进行调节，不仅可以满足河道的防洪要求，同时也可以满足河道两侧灌区抗旱灌溉应急供水需求。文章综合分析地形、地质、工程材料及工程管理等情况，小高坨跌水橡胶坝选址、坝型的确定以及坝体的设计符合相关规范要求，该设计方案可为类似工程大坝设计提供借鉴。

[1]赵文好.橡胶坝应用研究[D].合肥：合肥工业大学,2003.

[2]姚治君，管彦平，高迎春.潮白河径流分布规律及人类活动对径流的影响分析[J].地理科学进展，2003，22(06):599-606.

[3]胡中平，吴效红，杜华冬.马来西亚沐若水电站大坝布置研究[J].人民长江，2009，40(23):12-14.

[4]陈汉杰.花都湖橡胶坝工程消能防冲计算方法分析[J].广东水利水电，2014(10):4-6.

[5]肖义.水库大坝防洪安全标准及风险研究[D].武汉：武汉大学，2004.

[6]郭国林.宁化桥下水库大坝渗流稳定分析[D].南京：河海大学，2005.

[7]王国栋.碎石土垫层法在地基处理中的应用[J].江西建材，2014(19):72-72.