晋城市沁河河道蓄水工程液压坝水工设计

关红俊

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 工程概况

沁河为晋城境内最大河流，发源于山西沁源西北的二郎神沟，流经沁水县境内苏庄、郑庄、端氏、嘉峰4个乡镇45个村82 km，在嘉峰镇尉迟村入阳城。境内流域面积456.8 km2，系山西省八大河流中含沙量最少的河流。

目前，沁河沿岸由于污水汇入，垃圾堆放，其生态环境的恶化，已经严重影响了当地居民的身心健康。从“以人为本”、“人水和谐”的科学发展治水理念出发，只有彻底改善沁河的水质，才能根治恶劣的生存环境，改善局部小气候，真正将沁水县打造成一个天蓝、水清、地绿、景美、人和自然和谐发展，宜商、宜居、宜工的生态旅游型城市。

水环境整治是环境综合治理的灵魂，沁水县委、县政府高屋建瓴，把沁河沁水县段的河道整治工程作为构建经济生态走廊，实现蓝天碧水工程的突破口，具有得天独厚的优势。

2 工程水文地质

经水文分析测算，工程区沁水河入口以上910 m3/s（P=10%），端氏河入口以上1 380 m3/s（P=10%），芦苇河入口以上1 810 m3/s（P=10%）。

工程区治理段内出露地层主要为古生界二叠系、中生界三叠系、新生界第四系。第四系全新统洪冲积松散地层，主要由卵砾石混合土夹级配不良砾、级配不良砂及粉土质砂、低液限粉土组成，主要分布于河床、河漫滩及阶地为古生界二叠系、中生界三叠系砂页岩及新生界第四系中更新统低液限黏土主要分布于河岸岸坡。

3 坝型比选

项目建设主要是在满足两岸防洪安全的基础上，依托沁河天然水资源优势，打造河道蓄水景观以及为两岸景观的布置搭建亲水平台，既满足在非汛期蓄水，又要在汛期不碍行洪。在河道蓄水美化工程中，国内常用的几种壅水坝有：橡胶坝、液压坝、钢坝闸，本次设计首先对三个坝型在防洪效果、使用寿命、运行维护、投资四个方面进行了对比，通过比较确定采用液压坝。坝型比较见表1。

表1 坝型比较

4 坝址布置

本次沁河生态环境综合治理工程主要对端氏镇至嘉峰镇段进行疏浚和生态综合治理，在该河道上设计8座液压坝。

端氏河：（1）沁河汇入口处（桩号D0+716.8）设置端氏河1#挡水坝，坝高4 m，坝长63 m；（2）河西桥下游40 m处（桩号D0+267.9）设置端氏河2#挡水坝，坝高4 m，坝长70 m；

沁河：（1）端氏镇寄宿中学上游100 m（桩号Z1+186.6）处设置1#挡水坝，坝高3 m，坝长144 m；（2）华羽小区附近（桩号Z1+872.2）设置2#挡水坝，坝高3 m，坝长132 m；（3）坪上桥上游100 m（桩号Z2+569.6）设置3#挡水坝，坝高3 m，坝长126 m；（4）武安电站大坝（桩号Z5+527.5）处设置4#挡水坝，坝高3 m，坝长120 m；（5）郭南桥上游100 m（桩号Z6+449.7）处设置5#挡水坝，坝高3.5 m，坝长108 m；（6）武安村大桥下游160 m（桩号Z15+280.2）处设置6#挡水坝，坝高3.0 m，坝长114 m；

半峪河：（1）半峪河汇入沁河口处设置半峪河1#壅水堰，堰高1.0 m，坝长68 m。

八个坝设置一个中央控制室，设在沁河1#坝左岸处，平面尺寸（宽×长）14.0 m×6.0 m，高3.6 m，为单层砖混结构；控制房内设网络设备室、休息室、卫生间。

5 液压坝水工设计

依据《防洪标准》（GB50201—94），根据蓄水量确定蓄水工程的等别为Ⅴ等，相应液压坝按5级建筑物设计，次要建筑物、临时工程按5级建筑物设计。

5.1 液压坝基础设计

液压坝采用C25钢筋混凝土筏式基础，基础顶面与河床齐平，根据基础内液压装置埋设要求，厚度为1.9 m。

根据坝体坍落宽度和上下游施工检修要求，在顺水流方向，确定底板长度8 m。底板根据液压坝坝片要求每6 m设置伸缩缝，缝间设橡胶止水带，缝内填充中密度闭孔泡沫板。

5.2 边墙设计

液压坝边墙采用C25钢筋混凝土重力式挡土墙结构，与底板浇成一个整体。顶宽0.3～0.5 m，临水侧为直立面，背水侧边坡1:0.3。边墙高3.5～4.5 m。

消力池边墙采用C25钢筋混凝土悬臂式挡土墙结构，顶宽0.5 m，底宽4.9～6.2 m，临水侧为直立面，背水侧边坡1:0.07。

5.3 防渗设计

根据水闸设计规范，为满足液压坝渗透稳定性，延长液压坝的渗径，在液压坝底板下设塑性混凝土防渗墙，深10 m。在液压坝上游不设铺盖，只设格宾石笼护底，液压坝及消力池段采用C25钢筋混凝土结构，在液压坝和消力池之间设伸缩缝，缝间设橡胶止水带，缝内填充中密度闭孔泡沫板。

5.4 消能、防冲设计

液压坝上游采用5 m长的格宾石笼作为护底，格宾石笼规格为5.0 m×3.0 m×0.5 m。

液压坝下游采用底流消能，经计算，消力池池深取0.8 m，池长12 m，尾槛宽0.5 m，消力池与橡胶坝底板间由1：4的斜坡连接，在消力池后设长20 m的格宾石笼海漫防护，石笼厚1.0 m。

①消能设计

消力池剖面图见图1。

消力池的池深d按下式计算：

跌落水舌长度ld=4.30D0.27P；

水舌后水深hd=D0.22P；

收缩水深hc=0.54D0.425P；

跌后水深h″c=1.66D0.27P；

水跃长度lj=6.9（h″c-ht）；

池深s=h″c-ht；

池长ls=ld+0.8lj；

图1 消力池剖面图

②消力池底板厚度计算

消力池底板厚度按《水闸设计规范》SL265-2001计算，公式如下。

式中：

t——池底板始端厚度，m；

△H——上下游水位差，m；

K——经验系数，0.15～0.2。

计算结果见表2。

③防冲设计

防冲设计由两部分组成：海漫及防冲槽，海漫长度按《水闸设计规范》SL265-2001公式计算，公式如下。

式中：

Lp—海漫长度，m；

qs—消力池末端单宽流量；

Ks—海漫长度计算系数；

△H′—上、下游水位差，m。

防冲槽深度按《水工设计手册》第六册计算，公式如下：

式中：

q——考虑流量集中后的海漫末端的单宽流量。q=α·q0，其中q0为海漫末端的平均单宽流量，α 为集中系数，α=1.05～1.5；

ht——海漫末端的水深，m；

d——河床砂料的平均粒径，cm；

k——系数，1.05～1.22。

防冲槽底宽按下式计算：

式中：

h——防冲槽砌置深度，m；

t——冲刷坑的深度，m；

m1、m2——防冲槽上下游边坡系数，m1=2～3，m2=3；

m——冲刷坑上游边坡系数，m=3～6；

d——冲刷坑上游坡铺砌厚度，取d＝0.4～0.6 m；

k——考虑块石在水流作用下铺砌不均匀的安全系数，1.1～1.3。

经计算，海漫长度20.0 m，本工程在消力池下游设20 m长格宾石笼海漫，厚1.0 m；防冲槽深1.5 m。

5.5 控制室设计

液压坝的控制室除4#液压坝（武安电站处）设在河道的右岸外，其他7座液压坝均设在河道的左岸边墙处。控制室为地下式泵房，尺寸为：3.0 m×2.3 m×1.5 m(长×宽×高)。

5.6 地基处理

基础坐落在天然地基上，该基础能够满足厂房的稳定要求。要求对地基土进行夯实处理，压实度达到不小于0.94或相对密度不小于0.65。

6 结束语

液压坝是水利科技的一项革命性成果，是目前世界领先的活动坝技术，广泛应用城市河道景观工程建设。液压坝不阻水、不怕泥砂淤积、放坝快速，不影响防洪安全。它攻克了传统活动坝型的所有缺点，同时它又具备传统坝型的所有优点。液压坝在河道治理工程中大范围的应用，对推动新技术的发展有着不可替代的作用。