中小型灌溉引水渠首的岸边工程

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摘 要:拦河闸坝岸边工程常规布置形式是采用上、下游钢筋混凝土或浆砌石岸墙保护河岸,疏导水流。中、小型工程的岸边工程一般墙高5m左右,两侧岸墙总长约80~100m,需几百立方米钢筋混凝土,施工比较复杂,造价高。创新形式的岸边工程布置方案是采用较长的刺墙深入岸边(一般深入3m以上)防止水平绕渗,上下游采用钢筋笼砌石加15cm厚混凝土护面的加强型贴坡护岸。实验工程最长的已运行10余年时间,状况很好,证明这是一种经济安全的岸边工程新方案。并具有节省投资,施工方便,在高寒地区可以延长施工季节等优点,应用前景十分广泛。

关键词:引水渠首;岸边工程;节省投资

0 引 言

拦河闸、坝的岸边工程是整个渠首枢纽工程的重要组成部分,它不仅对枢纽工程的整体安全起着重要作用,而且对枢纽工程的造价及过流状况也有重要影响[1]。

常规设计的岸边工程一般由以下几部分组成:①闸室边墩和坝头边墙;②上游翼墙(包括进口端墙);③下游翼墙(包括出口端墙);④上游护坡;⑤下游护坡。

岸边工程的设计应保证河岸稳定,满足进出水流条件,提高消能防冲效果,满足侧向绕渗条件,尽量降低工程造价,且方便施工。

一般设计的岸边翼墙工程多采用直墙式结构,在上下游水位差不大时,可考虑采用斜坡式结构。在坚实或中等坚实的地基上,翼墙大多采用重力式或半重力式挡土墙或扶壁式结构;在松软地基上,可采用箱式结构。

上游翼墙(包括进口端墙)的平面布置多采用圆弧式或椭圆弧式,下游翼墙(包括出口端墙)的平面布置多采用圆弧(或椭圆弧)与直线组合式或折线式。

上下游翼墙顺水流向的投影长度一般要大于或等于上下游护坦(下游为消力池)的长度[2]。

为了防止水流对河岸的冲刷,在翼墙的上下游还要接做一段护坡工程。上游护坡长度可取3~5倍的闸、坝上游水深;下游护坡段长度应不小于下游海漫长度。

按通常采用的半重力式挡土墙设计断面计算,所需钢筋混凝土量几乎是创新设计整个渠首钢筋混凝土工程量的2倍。岸边工程无论是工程造价还是施工难度,在整个灌溉渠首枢纽工程中都占有相当高的比例。因此对岸边工程设计方案的优化将显着影响为数众多的中小型拦河灌溉渠首工程的改造进度。

1 创新设计岸边工程结构布置

平原河道中小型拦河灌溉渠首闸、坝的挡水高度一般在1.5~2.5m左右,拦河坝顶低于河岸,灌溉时壅高水位,引水入渠。平槽水位时,闸、坝下泄多余水量,下泄流量一般不大。

当河道流量超过平槽流量时,滩地泄流逐渐增加,相应的通过闸、坝的流量则增加缓慢,流量也不很大[3]。此时,闸、坝不起拦河作用。因此,对于这类小型闸、坝工程,水流过闸、坝时,水流条件的优劣可以放在次要地位考虑。岸边工程能够确保枢纽安全则是首要问题。基于平原河道上中、小型渠首上述过流特点,突破传统设计方案,提出了一项结构简单、施工方便、节省投资、又能确保枢纽安全的岸边工程结构布置方案。具体结构布置如图1所示(以铁力市南关渠首改造工程为例)。

这种结构布置方案与常规设计方案的主要区别如下。

(1)岸边工程不采用直立式钢筋混凝土或浆砌石挡土墙作为上、下游翼墙,而是采用加强型贴坡式护岸结构。

(2)护坡结构下面铺设无纺布作为反滤层。

(3)闸坝上游护坡根据需要设防渗层,闸室侧墙和坝头端墙外侧设刺墙伸入岸坡土体防止侧向绕渗对坝肩土体的破坏。

刺墙伸入岸边土体的深度由满足侧向绕渗安全条件决定[4]。

加强型贴坡式护岸纵向投影长度与翼墙的纵向投影长度相同,其顶部高程可低于墙顶高程1~2m;上、下游护坡段尺寸与常规设计方案无区别。

加强型贴坡式护岸常采用钢筋笼砌石结合上层的钢筋混凝土护面结构,砌石与土坡间铺设400g/m2无纺布及10cm厚碎石或卵石垫层,砌石厚度可以由坡顶至坡底逐渐增加。混凝土护面厚度不小于15c[！]m,并应包裹上层钢筋网,护面应适当分缝。块石平面尺寸不小于30cm,砌石底层钢筋网钢筋间距不大于50cm,上层钢筋间距小于30cm,上下层钢筋网均编织摆放,并用竖筋可靠联结,竖筋间距1.0m。所有钢筋直径不小于12mm。

护坡下面的岸坡边坡系数由土质边坡稳定条件确定。

2 工程应用

2.1 概 述上述岸边工程结构形式在黑龙江省尚志市黑龙宫灌区东二干渠首、东三干渠首、东五干渠首,铁力市北关渠首、南关渠首以及齐齐哈尔市甘南县音河灌区的一干渠节制闸、长山分干节制闸、长东一支渠分水闸等多项工程中得到了实际应用。最早建成的黑龙宫灌区东五干渠首工程于1999年10月竣工,至今已安全运行了10余年。其间该拦河灌溉渠首枢纽工程曾经历了平槽流量的洪水考验,经连续多年现场观测,岸边工程结构完好,未出现任何异常变化。对其他几项工程也都进行了连续几年的现场观测,这些工程虽经受了高寒地区的反复冻融和河水冲击,但均未发现有护坡体沉陷和混凝土护面开裂现象。

这些拦河闸、坝枢纽工程实际过流过冰状态比较平稳顺畅,满足设计要求。工程实际应用表明,这种简易的岸边工程结构形式完全可以广泛应用于南北方中小型拦河灌溉渠首工程。它具有适应冰冻及地基土冻胀、融沉作用,施工简易,可以大大节省工程投资等特点。

2.2 工程实例

以图1所示工程为例。铁力市南关拦河闸、坝渠首枢纽工程位于小呼兰河中游,设计灌溉水田面积1 333.3hm2。渠首所在河段稳定河宽70.21m,设计河底高程229.6m,滩地高程232.9m。P=2%校核洪水流量829m3/s,校核洪水位233.74m。岸边工程堤顶高程234.25m。拦河溢流坝高2.0m,闸、坝上游护坦长度12.0m,闸、坝下游消力池总长度20m,消力池深0.8m。岸边工程(常规设计上下游岸墙纵向投影长度范围)采用了结合刺墙的加强型贴坡式护岸,总长度约35m。

护岸结构:混凝土护面厚15cm,纵、横向分缝间距1~1.5m。钢筋笼砌石厚度,下部85cm,上部35cm,下层钢筋间距50cm,上层钢筋间距25cm,上下层连接立筋间距100cm,钢筋直径为12mm。加强型贴坡式护岸顶部高程为232.50m,底部高程为228.60m。228.60m以上部分采用常用的混凝土板护坡,混凝土板厚度10cm。土质岸坡边坡系数为2.0。整个护坡体下铺设10cm碎石垫层及400g/m2无纺布作反滤层。

刺墙结构:刺墙为钢筋混凝土结构,伸入堤顶2.0m。刺墙底部高程与溢流坝基础相同为226.10m,顶部高程为234.25m,墙高8.15m,全长12.30m,厚度为50cm,墙底板厚度60cm,水平宽度4.0~1.0m。刺墙伸入堤内的长度满足水平绕渗安全需要,该项工程刺墙上部承受的最大水位差为校核流量时上下游水位差0.27m,下部承受最大水位差为2.0m,按渗径法计算,实际刺墙长度满足安全要求。

2.3 岸边工程经济效益对比分析按常规设计,拦河闸、坝渠首枢纽岸墙多采用扶壁式或半重力式钢筋混凝土挡土墙。结构尺寸及材料单价以铁力市南关渠首改造工程为例,单侧岸墙(包括上下游端墙长2×10.3m)全长为56m,墙高为5.65m,按常用的半重力式挡土墙断面进行计算,挡土墙断面面积为8.395m2,全部钢筋混凝土量为470.12m3。两种岸边工程设计方案主要工程量及造价对比分析如表1。经计算,单侧立墙式岸边工程费用约47.39万元,单侧贴坡式岸边工程费用约16.24万元,两者比较,贴坡式岸边工程可节省费用31.15万元。贴坡式岸边工程费用仅为立墙式岸边工程费用的34%。参考文献:[1] 宋祖诏,许杏陶,张思俊.渠首工程[M].北京:水利 电力出版社,1993.[2] SL265-2001,水闸设计规范[S].[3] 清华大学水力学教研组.水力学教程[M].北京:高等教育出版社,1996.[4] 冯国栋.土力学教材[M].北京:水利电力出版社,1986