老鹰水库水源保护望水河泄水工程沉砂结构设计

段艳芳

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概况

老鹰水库水源保护望水河泄水工程位于四川省资阳市望水乡及雁江区祥符镇、临江镇境内，工程任务是在简阳市望水乡场镇下游建设泄水系统，将望水河枯期及5 月汛前的污水泄至老鹰水库下游，从而改善老鹰水库的入库水质，保障资阳市城区的供水安全，改善生态环境，促进地方社会经济的可持续发展。工程设计泄水流量1.96 m3/s。主要建筑物包括挡水闸、进水口、上游挡墙、下游护坦、隧洞、管道及田家沟生态堤防等建筑物。

九曲河为沱江右岸一级支流，流域面积368 km2，干流长57.5 km，平均比降1.77‰。老鹰水库位于九曲河上游，是一座以防洪、灌溉、城市供水为主，兼有发电等综合利用的中型水库。水库枢纽位于资阳市雁江区临江镇境内，坝址以上集雨面积80.8 km2，总库容3670 万m3，正常库容2374 万m3，调节库容1380 万m3，死库容300 万m3，正常蓄水位393.85 m，死水位386.85 m。望水河为九曲河源头，也是老鹰水库库区最大的支流，发源于简阳市芦葭桥，在望水乡下游约0.5 km 处的余家坝汇入老鹰水库库区。望水河流域面积38.1 km2，河道长17.7 km，平均比降2.3‰。

2 水库沉砂布置和结构设计

沉砂结构总长46 m，宽11.0～14.0 m。沉沙池末端底板高程390.35 m，底板厚0.5 m，采用C25 钢筋混凝土衬砌，底板以下覆盖层采用C15 混凝土换填。底板顺水流向每15 m 设计一道永久结构缝，缝内设橡胶止水带。

沉砂左、右岸边墙采用C25 混凝土，根据地形、地质条件不同采用不同的结构型式。

右岸边墙墙顶高程为396.50 m，与闸顶高程等高，总长度为49.15 m，分为两段，靠近进水口闸室渐变段桩号为右防0+000—0+015 m，长度15 m，由重力式过渡到仰斜式。桩号右防0+015—0+049.15 m，为C25 混凝土结构仰斜式挡墙，顶宽1.0 m，迎水面坡1∶0.5。由于右岸挡墙顶外侧约5～6 m 为现有村道路，为不影响道路，采取都开挖强支护的型式，因此堤顶以下后坡基岩段开挖坡比为1∶0.3，土质边坡临时开挖坡比为1∶0.5，堤顶以上土质永久边坡开挖坡比为1∶1.25。土质临时边坡设直进式锚杆Φ25 mm，间排距3 m，L=4.5 m 和设φ50 mmPVC 排水管，土质永久边坡采用C25 混凝土框格梁+草皮护坡型式，框格梁节点设直进式锚杆Φ25 mm，L=4.5 m。右岸边墙内侧在1∶0.5 坡比开挖段采用C15 混凝土回填。挡墙基础均位于基岩上。

左岸边墙总长度为67.36 m，分为两段，靠近进水口闸室渐变段桩号为左防0+000～0+015 m，长度15 m，由重力式过渡到仰斜式，墙顶高程为396.50 m～395.00 m。桩号右防0+015～0+067.36m，为C25 混凝土结构仰斜式挡墙，顶高程395.00 m，顶宽1.0 m，迎水面坡1∶1。墙后土质边坡临时开挖坡比为1∶0.75。挡墙基础基岩上。

在左岸边墙中部设3 m 宽下河检修清淤道路，坡比为10%，总长度为56.5 m。便于后期水库库区清淤。

沉砂底板、边墙C25 砼抗冻标号为F100，抗渗标号为W6。

3 水库沉砂结构设计计算

3.1 水库沉砂长度计算

根据规范要求，本工程沉沙结构设计最小沉降粒径取0.05 mm，大于等于设计最小沉降粒径的泥沙沉降率取80%。

根据进水口处地形、地质条件，本工程沉沙结构形式拟采用条渠沉沙结构型式，单室结构，横断面为梯形。

3.1.1 工作宽度按以下公式计算

式中：Bp——池厢工作宽度，m；

Qp——通过池厢的工作流量，取10 m3/s；

Hp——池厢工作水深，取2.1 m，可取用池厢深度的70%～75%；

V——池厢平均流速，取0.5 m/s。

3.1.2 池厢工作长度按以下公式计算

式中：Lp——池厢工作长度，m；

ξ——安全系数1.5，可取1.2～1.5；

ω——泥沙沉降速度，0.946 mm/s。

3.1.3 沉沙池出口含砂量按以下公式计算

式中：S——沉沙池出口含砂量，kg/m3；

S0——沉沙池进口含砂量，12 kg/m3；

e——常数，可取e=2.718 28；

a——与泥沙粒径、水力要素有关的系数，淤积时可取a＜0.5，冲刷时可取a=1.0；

z——泥沙悬浮指数；

L——沉沙池总长度，46 m；

h——沉沙池平均水深，2.1 m。

根据计算，当沉沙池池厢长度为46.0 m，宽度为10.5 m，平均水深为2.1 m 时，大于等于0.05 mm 粒径的泥沙沉降率为80.5%，满足规范要求。此时沉沙池出口含砂量为0.925 kg/m3。

3.2 水库沉砂边墙稳定计算

3.2.1 计算理论及方法

C25 混凝土挡墙的计算目前主要根据传统的重力式挡土墙结构进行尺寸布置设计，计算采用北京理正软件设计研究所编制的设计软件进行挡墙抗滑、抗倾稳定和基底应力计算。计算公式如下：

3.2.2 滑动稳定性验算

式中：Kc——挡土墙沿基底的抗滑稳定安全系数；

f——挡土墙墙底与地基之间的摩擦系数；

∑G——作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；

∑H——作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载，kN。

3.2.3 倾覆稳定性验算

式中：K0──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抗倾覆力矩，kN·m。

3.2.4 基底应力计算

∑G——作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；

∑M——作用于挡土墙上的全部荷载对于水平面平行前墙墙面方向形心轴的的力矩之和，kN·m；

W——挡土墙基底面对于基底面平行前墙墙面方向形心轴的截面矩，m3；

A——挡土墙基底面的面积，m2。

3.2.5 计算荷载

作用在墙体上的荷载有基本荷载组合和特殊荷载组合两类。基本荷载组合：自重、静水压力、扬压力、风浪压力、土压力、人群荷载；特殊荷载组合：不计地震荷载。

3.2.6 计算工况

根据本工程实际运行过程中可能遇到的情况，拟定各工况如下：

（1）完建工况（正常工况）：内外侧均无水；

（2）正常工况：墙前水位为多年平均水位，墙后水位与墙前相同；

（3）水位骤降工况(非常工况)：墙前水位为墙顶高程，墙后水位与墙前相同；

3.2.7 挡墙参数

挡墙建基位于强风化基岩上，根据闸线区土体物理力学参数建议值,取混凝土与基岩抗剪f=0.3，抗剪断摩擦系数f′=0.3，c′=0.2 MPa，基础允许承载力［R］为0.3 MPa，本工程地震设计烈度为VI 度，闸坝建筑物不需进行抗震计算。

3.2.8 计算结果及结论

挡墙设计采用理正挡土墙计算软件，计算结果见表1，由计算结果看出，挡墙结构稳定及应力满足规范要求。

表1 沉砂边墙稳定及应力计算成果表

4 计算结果及结论

通过计算确定沉砂池的长度和宽度；通过对沉砂边墙进行抗滑、抗倾稳定计算和基底应力进行计算，确定沉砂池拟定的边墙结构尺寸合理。