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永定河滯洪水庫工程設(shè)計特點
永定河滯洪水庫工程設(shè)計特點 摘要:永定河是全國四大重點防洪河流之一,是首都北京的防洪關(guān)鍵。滯洪水庫位于永定河盧溝橋樞紐以下永定河稻田及馬廠河段內(nèi),通過開挖其右側(cè)灘地,并沿永定河右治導(dǎo)線修建水庫左堤而形成水庫,水庫左堤外的永定河主河道保留行洪。該工程包括“兩庫、四堤、四閘、一河”。工程主要任務(wù)是防洪,控制永定河官廳山峽的洪水。工程修建后,可使永定河三家店以下北京市境內(nèi)河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)由五十年一遇提高到一百年一遇,一百年一遇洪水劉莊子口門不分洪,可在較大程度上減免長辛店地區(qū)及小清河分洪區(qū)的淹沒損失,并有利于河北省和天津市的防洪體系建設(shè)。
關(guān)鍵詞:工程目的及任務(wù) 工程布置及規(guī)模 工程設(shè)計 技術(shù)問題 工程施工
1 工程目的及任務(wù)
永定河滯洪水庫位于永定河盧溝橋樞紐以下永定河稻田及馬廠河段內(nèi),距北京市市區(qū)約20km。水庫的主要任務(wù)是防洪,控制永定河官廳山峽的洪水。
永定河官廳水庫以下至三家店稱官廳山峽,為多發(fā)性暴雨區(qū),又系石質(zhì)山區(qū),坡陡流急,易產(chǎn)生較大洪水。永定河歷史上發(fā)生的幾次大洪水中,約90%產(chǎn)生于官廳山峽。至今官廳山峽洪水沒有得到控制,對北京及下游地區(qū)的防洪安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
在永定河盧溝橋以下河道內(nèi)修建滯洪水庫,滯蓄官廳山峽洪水,可使永定河三家店以下北京市境內(nèi)河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)由五十年一遇提高到一百年一遇,一百年一遇洪水劉莊子口門不分洪,可在較大程度上減免長辛店地區(qū)及小清河分洪區(qū)的淹沒損失,解決該地區(qū)42萬人的防洪避險轉(zhuǎn)移問題,并有利于河北省和天津市的防洪體系建設(shè)。
2 工程布置及規(guī)模
永定河滯洪水庫工程等別定為二等,主要建筑物為2級,堤防為1級,設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為一百年一遇,地震設(shè)防烈度為Ⅷ度。工程施工總工期三年。
別永定河滯洪水庫位于盧溝橋以下永定河稻田及馬廠河段內(nèi),通過開挖其右側(cè)灘地,并沿永定河右治導(dǎo)線修建水庫左堤而形成滯洪水庫,水庫左堤外的永定河主河道保留行洪。該工程包括“兩庫、四堤、四閘、一河”,其布置詳見工程平面示意圖。
“兩庫”為新建的稻田水庫和馬廠水庫,其中稻田水庫最大滯洪庫容3008萬m3;馬廠水庫最大滯洪庫容1381萬m3;連同已建的大寧水庫3661萬m3,總滯洪庫容達(dá)8000萬m3。
“四堤”為新建的滯洪水庫左堤和橫堤、加高培厚永定河右堤和加寬永定河左堤,水庫堤防總長為36.9km。
“四閘”即新建的滯洪水庫進(jìn)水閘、連通閘和退水閘以及擴(kuò)建小清河分洪閘。進(jìn)水閘位于大寧水庫左側(cè)南端與稻田水庫的連接處,共6孔,每孔凈寬10m,控泄流量2429m3/s。連通閘位于京良公路永立橋右側(cè),稻田水庫與馬廠水庫連接處,共5孔,每孔凈寬12m,控泄流量1098m3/s。退水閘位于黃良鐵路橋以上500m,馬廠水庫的尾端,共8孔,每孔凈寬7m,控泄流量400m3/s。小清河分洪閘泄量由現(xiàn)狀2760 m3/s增加到3730 m3/s,為確保泄洪暢通,需在小清河分洪閘右側(cè)按原閘規(guī)模擴(kuò)建4孔,每孔凈寬12m。
“一河”為1.5km長的小清河整治工程,即對小清河分洪閘下至大寧水庫入庫跌水段河道進(jìn)行疏挖和部分展寬,打開京廣鐵路橋右側(cè)被淤堵的2孔,并對京廣鐵路橋、老京周公路橋和新京周公路橋的基礎(chǔ)進(jìn)行防護(hù)。
3 工程設(shè)計中遇到和解決的幾個主要技術(shù)問題
工程設(shè)計由水利部天津水利水電勘測設(shè)計研究院和北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院共同完成。在設(shè)計過程中遇到和解決的技術(shù)問題很多,現(xiàn)僅就幾個主要問題簡述如下:
① 華北地區(qū)最長的細(xì)砂堤防
滯洪水庫左堤長10.2km,其左側(cè)為永定河行洪河道,右側(cè)為滯洪庫區(qū),為兩水夾一堤,其安全與否,對整個工程以及永定河左堤的安全至關(guān)重要。根據(jù)本工程的實際情況,筑堤材料均取自庫區(qū)土方開挖,而庫區(qū)土方開挖料完全是細(xì)砂和極細(xì)砂。據(jù)堤防規(guī)范,細(xì)砂和極細(xì)砂不宜用做筑堤土料,而在如此長且又十分重要的堤防采用細(xì)砂填筑,在國內(nèi)也不多見。為解決這一技術(shù)難題,查閱了全國有關(guān)細(xì)砂筑堤資料,特別研究了松花江砂堤在1999年洪水中出現(xiàn)的問題,并請有關(guān)專家進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo),研究細(xì)砂筑堤要解決的地基液化、滲透穩(wěn)定、堤身滲漏、堤坡穩(wěn)定和堤坡抗沖等諸多技術(shù)問題,結(jié)合滯洪水庫的運用和大量棄土的特點,分別采取了加大斷面、放緩堤坡、加強(qiáng)護(hù)砌等措施來保證堤防安全,并根據(jù)滯洪水庫左堤的實際運用情況,經(jīng)計算和分析研究,最終取消了原設(shè)計的堤身防滲墻,從而節(jié)省了大量工程投資。
② 退水閘地基處理
根據(jù)工程地質(zhì)評價,滯洪水庫退水閘的基礎(chǔ)位于細(xì)砂層上,局部地基承載力不滿足設(shè)計要求,并且細(xì)砂層地基在飽水情況下,遇Ⅷ度地震將發(fā)生液化,這是在滯洪水庫工程設(shè)計中遇到的又一重要技術(shù)問題。根據(jù)閘的工程布置以及細(xì)砂層的分布情況,基礎(chǔ)下的細(xì)砂層太厚,不宜單純采用換基的方法,經(jīng)研究比較,采用換基和混凝土防滲墻圍封相結(jié)合的措施加以解決。經(jīng)過深入的調(diào)查研究,防滲墻擬采用300毫米厚的混凝土薄墻。
③ 連通閘地基處理
a. 閘室基礎(chǔ)處理
滯洪水庫連通閘的基礎(chǔ)也存在退水閘的問題,閘室基礎(chǔ)位于細(xì)砂層上,地基在飽水情況下,遇Ⅷ度地震將發(fā)生液化,考慮到細(xì)砂層較薄,采用全部挖除、換填砂礫料的方法,使整個閘室坐落在中砂層上。
b. 翼墻基礎(chǔ)處理
上下游翼墻與兩岸護(hù)坡的為斜坡式連接型式,為減少上下游翼墻的開挖和回填量、提高地基承載力、解決地震液化問題,翼墻基礎(chǔ)下布設(shè)碎石振沖樁,樁徑600mm,間排距2.0m,梅花形布置,樁底高程坐落在地質(zhì)建議的中砂層上。
④ 退水閘不均勻沉降分析及處理措施
退水閘主體完工,控制樓施工前,鋪蓋、閘室、消力池、護(hù)坦底板發(fā)現(xiàn)裂縫,左右邊墩發(fā)生傾斜,為此,建設(shè)單位先后組織了四次專題會議,也邀請了有關(guān)專家和單位進(jìn)行了分析和研究,認(rèn)為底板裂縫及閘墩傾斜主要是由不均勻沉降引起的,引發(fā)和影響不均沉降的因素較多,一是與砂土的不均勻性和地基受力的不均勻性有關(guān),二是與砂基地下水位聚降、墻后回填土的施工方法和順序及碾壓速率有關(guān)。
根據(jù)沉降觀測資料分析,退水閘的最大沉降量及相鄰板塊之間的沉降差均在《水閘設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的范圍之內(nèi),不會導(dǎo)致止水的破壞,也不會影響閘門的正常運用,但考慮到閘墩的美觀,應(yīng)進(jìn)行處理,同時原設(shè)計的控制樓緊靠邊墩及翼墻,其自重及其上的設(shè)備還會在邊墩、翼墻上產(chǎn)生附加應(yīng)力,還會導(dǎo)致邊墩外的地基下沉,如沉降過多,勢必加大邊墩外傾,以致造成不良后果。
經(jīng)研究采用控制樓外移方案。結(jié)合440m2退水閘小院報批遇到的設(shè)計院在京注冊難題,取消管理小院,將原來控制樓和小院共1000余m2的面積,設(shè)計成二層小樓,布置在閘室右側(cè)距邊墩15m之外,以作為控制室和管理房之用;維持閘室左側(cè)樓梯間不變。在二層管理小樓和啟閉機(jī)房之間,設(shè)計為透明的封閉走廊,走廊立面做好裝飾設(shè)計,以達(dá)到美觀和把管理房與啟閉機(jī)房連為一體的效果。此方案有兩大好處:其一是避免了退水閘小院規(guī)劃批準(zhǔn)的難題,其二避免了在邊墩和翼墻外近距離再增加荷載,導(dǎo)致地基加劇沉降的問題。
對退水閘不均勻沉降引發(fā)的裂縫進(jìn)行化學(xué)灌漿處理,材料為改性環(huán)氧樹脂;裂縫表面用TK砂漿封堵抹平。
⑤ 連通閘后澆帶設(shè)計
連通閘兩岸連接京良公路,雙向四車道,路面凈寬15m,由此布置要求閘室順?biāo)飨蜷L度較大,已達(dá)29.7m,為防止不均勻沉降、溫度等原因引起閘底板及閘墩出現(xiàn)裂縫,在樁號0+10.00處設(shè)置寬1.2m的后澆帶,后澆帶上下游閘底板及閘墩分別施工,預(yù)留插筋,待上下游閘底板及閘墩沉降等變形基本穩(wěn)定后,再進(jìn)行后澆帶的回填。工程竣工后經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)裂縫。
⑥ 特殊的消能防沖設(shè)計
本工程進(jìn)水閘、連通閘和退水閘均位于滯洪水庫大堤上,進(jìn)水閘和連通閘下游為庫區(qū),退水閘下游為永定河灘地,這三座閘有一個共同的水力學(xué)問題就是水流過閘后漫流進(jìn)入庫區(qū)或灘地,在地面上形成的水深極淺,其消能計算不同于一般的河道水閘。結(jié)合工程優(yōu)化布置,經(jīng)過反復(fù)計算和分析研究,最終尋求到適合本工程條件的消能計算方法,得出合理的消能工的規(guī)模尺寸,經(jīng)水工模型試驗驗證,其消能布置是合理的。在水閘防沖設(shè)計中,根據(jù)閘下細(xì)砂抗沖流速低的特點,為防止防沖槽內(nèi)細(xì)砂和拋石流失而導(dǎo)致海漫工程的淘刷破壞,在海漫末端設(shè)置了混凝土防沖墻以策安全。
另外,在滯洪水庫設(shè)計過程中,重視科學(xué)試驗研究工作,注重設(shè)計與科學(xué)試驗的密切結(jié)合。堤防設(shè)計采用的土料壓實干容重、相對密度等物理力學(xué)指標(biāo),均進(jìn)行了室內(nèi)試驗和現(xiàn)場碾壓試驗;此外,為論證本工程建成后對永定河河勢的影響以及永定河洪水對水庫左堤的影響,退水閘泄流對永定河左堤、下游鐵路橋及河道的影響等諸多問題,均進(jìn)行了水工模型試驗,并根據(jù)模型試驗結(jié)果,對設(shè)計進(jìn)行了修改和補充。
⑦ 模袋混凝土護(hù)坡新技術(shù)應(yīng)用
本工程堤防筑堤材料為細(xì)砂,對護(hù)面的襯砌型式選擇又為重要,設(shè)計曾考慮了漿砌石、混凝土、模袋混凝土等型式,經(jīng)認(rèn)真分析研究后,采用了模袋混凝土,即把流動性混凝土用混凝土泵壓入用高強(qiáng)度化學(xué)纖維制成的模型墊袋里形成的高強(qiáng)度混凝土硬化體。由于墊袋本身的透水性使混凝土中多余水分在灌注壓力的作用下被部分?jǐn)D出,從而降低混凝土水灰比,提高了混凝土的密度和強(qiáng)度。作為一種新的工藝,模袋混凝土與其它護(hù)砌型式相比,其防止高速水流沖刷能力較強(qiáng),具有施工迅速、安全、節(jié)省費用等特點。
模袋混凝土護(hù)坡設(shè)計考 永定河滯洪水庫工程設(shè)計特點慮了袋材選擇、模袋縫制、厚度確定、穩(wěn)定性分析、排水設(shè)計、護(hù)坡構(gòu)造及抗滑措施考慮等。目前該模袋護(hù)坡投入運用已經(jīng)二年了,其坡面平整、美觀,不需保養(yǎng),也已經(jīng)歷了寒冷氣侯的考驗,說明模袋混凝土護(hù)坡在本工程中的使用是成功的。
⑧ 土方平衡中難以解決的棄土問題
由于水庫是利用開挖永定河右側(cè)灘地形成的,其土方開挖量巨大,為4300萬m3,因此,土方平衡和棄土處理成了主要的技術(shù)問題。在可研階段,認(rèn)為稻田庫上部砂石料儲量較多,開挖出的砂石料除本工程使用外,尚可外賣1300萬m3。而在初設(shè)階段,經(jīng)過詳細(xì)的地質(zhì)勘察,發(fā)現(xiàn)砂石料開挖量甚少,這樣,本可以外賣的砂石料變成了無用的細(xì)砂棄土,為解決這個棘手的問題,首先,進(jìn)行了較詳細(xì)的地形測量,對用做棄土場的采砂坑容積重新核算,其次,在保持水庫滯洪容積不變的原則下,調(diào)整水庫主庫區(qū)布局,將水庫堤防稍微抬高以減少挖方和增加填方,最終使土方達(dá)到了挖填平衡。
4. 工程施工
4.1 施工條件
該工程由于距北京市區(qū)僅20km,且附近有京石高速公路、京周公路和京良公路等較高等級公路跨越河道。從小清河至滯洪水庫退水閘的永定河左、右兩堤均有道路相通。因此,本工程對外交通便利。
本工程位于永定河右側(cè)灘地內(nèi),地勢平坦、開闊,便于工程施工。
本工程水源為開采地下水,水量尚能滿足施工需要。
根據(jù)對永定河天然砂礫料場的勘探以及工程附近砂石料源的調(diào)查,在進(jìn)水閘閘址下游1km范圍內(nèi),天然砂礫料儲量約110萬m3,可滿足本工程混凝土的施工需要。混凝土細(xì)骨料以人工砂為主摻加部分天然砂。工程擬建篩分加工廠并制備人工砂。
4.2 施工導(dǎo)流
根據(jù)本工程實際情況,選擇施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為十年洪水重現(xiàn)期。依據(jù)三家店水文資料,十年一遇汛期洪水最大流量為1681m3/s;非汛期洪水最大流量為107m3/s。但由于上游有官廳水庫、三家店調(diào)節(jié)池等控制工程及河道滲漏等因素,實際上在非汛期,河道內(nèi)基本上沒有徑流。
經(jīng)水力學(xué)計算:汛期洪峰流量為1681m3/s時,其河床水位為48.3~51.2m,水位均未超過原天然灘地高程;加之水庫左堤可在汛前填筑一定高程,從而形成天然圍堰,以保障工程的實施,因此,本工程可不設(shè)專門的導(dǎo)流、截流建筑物工程。
4.3 施工工期
由于本工程建筑物混凝土量較小,因此,只利用枯水季節(jié)施工即能滿足進(jìn)度要求。土方工程采用大型施工機(jī)械,機(jī)動性強(qiáng),且?guī)靸?nèi)無需臨時設(shè)施,基本上可全年施工。
永定河滯洪水庫工程施工總工期為三年。
5. 結(jié)語
本文僅對永定河滯洪水庫工程的興建目的、工程布置和規(guī)模、設(shè)計中遇到并解決的幾個技術(shù)問題以及施工條件做簡要、粗淺的闡述。永定河滯洪水庫工程瀕臨京都,為大型工程,工程項目多、線路長,隨著工程設(shè)計和施工的不斷深入,必將遇到和解決更多的技術(shù)難題,它的實踐必將豐富水利工程設(shè)計和施工的經(jīng)驗寶庫。
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