河道型水库工程护坡设计研究

设计施工

水利规划与设计

21 0 3年第 2期

河道型水库工程护坡设计研究许尚伟和桂玲(山东省水利勘测设计院山东济南 2 1 ) 0 3 5 0

【摘要】针对我国目前大力开展生态河道型水库等水利工程建设的情况，通过对刘家道口枢纽上下游 堤防护坡设计研究，提出一种新型河道水库护坡设计理论。该工程竣工后经过五年蓄水运行，护坡质量良 好。验证了该设计理论方法的正确性。为目前南水北调山东段大力推广预制块混凝土护坡提供了设计理论方法和经验。

【关键词】刘家道口枢纽

混凝土预制块护坡

设计

【O D I编码】 1 . 9 9 j i s . 6 2 2 6 . 0 3 0 . 2 0 3 6/ . sn 17—4 9 2 1.2 0 1

【图分类号】中

T 8 1【献标识码】 B【 V 6文 文章编号】 17—2 6 2 1) 2 05 3 6 2 4 9( 03 0—0 6一O

1枢纽概况 1 1工程概况 .

12水文气象条件 .沂河属淮河流域，源于沂蒙山区的鲁山南发麓，全长 3 3m。刘家道口以上流域面积 3k 14 8 m,年平均降雨 8 7 m右，降水量年内 0 3 k 0m左分配很不均匀，6 8~月份雨量占年雨量的6% O~ 8% 2 2雨量最少，仅占年雨量的 1%右， 0;1~月 0左

刘家道口枢纽工程是沂沭泗洪水东调南下工程实现 5 0年一遇建设标准的主要工程，是实施沂沭河洪水东调入海，空骆马湖库容接纳南腾

四湖洪水的关键工程，也是目前国内设计流量最大的平原水闸。

春秋两季各占年雨量的 1%右。根据临沂气象 5左站 18~ 1 8年实测资料统计，多年平均气温 95 99 1 .℃,月平均气温 7份最高为 2℃,极端最 32月 6高气温 4℃,极端最低气温一 4 9。无霜期 2 2.℃ 1 0 1 5,冻土深一般为 0 3m最大冻土深 8~ 9天 .0,为04m . 0,多年平均最大风速 1m s 4/。据临沂市气象站 1 8￣ 2 0年共 2年实测资料统计，低气 9 5 07 2最温1月份，月平均气温一 .℃。 17 1 3工程规模及洪水标准 . ( )刘家道口枢纽

工程等别为 I等，工程 1

刘家道口枢纽的主要任务是调控、拦蓄沂河上游来水，在大官庄枢纽工程的配合下，使沂沭河中上游洪水的 6% 8%新沭河东调入海， 0~ 0经 较大程度腾出骆马湖的防洪库容以提高接纳南四湖洪水的能力，同时兼有蓄水、灌溉、排沙、 交通等综合效益。刘家道口节制闸轴线位于分沂入沭河口右岸裹头以下约 2 0,闸轴线垂直沂河两岸大堤。 0m

型式采用开敞式钢筋混凝土小底板结构，主要由闸上翼墙、铺盖、闸室和闸下消力池、护坦、海漫、防冲槽、两岸翼墙以及闸下两岸护坡、闸上左岸裹头护坡、彭家道口闸上左岸护坡等组成。

规模为大 ( )型。刘家道口节制闸建筑物级别 1为 1级，沂河堤防建筑物级别为 2级。 ( )刘家道口枢纽洪水标准为，5 2 O年一遇洪水设计，10年一遇洪水校核。当沂河出现 5 0 0年一遇洪水，临沂水文站流量 1 0 0。s时，刘 6 0 m/

刘家道口节制闸设计蓄水位近期5 .m 9 5,远期6 . 0,远期蓄水总库容2 8万m。底板顶高 00m 60。程 5 . 6,闸门下设低堰高 0 5,堰顶高程 2 3m .m 5 . 6。闸室单孔净宽 1 .m 28m 6 0,共 3 5,总净宽 6L 5 6 0。闸门采用 1×8 5宽×高 )弧形钢 7.m 6 m . m(质闸门并配备液压启闭机。闸上设交通桥。

家道口节制闸设计流量 10 0。s 2 0m/,相应闸上水位 6 . 4,闸下水位 6 . 6,此时彭家道口分 1 1m 0 9m洪闸分洪流量 4 0 m/。当沂河出现 10年一遇 0 0。s 0

作者简介：许尚伟 ( 9 0年一 )男，高级工程师。 17,

6 5

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水利规划与设计为计算条件。 4 1方案比选 .

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洪水，临沂水文站流量 l 0 0/时，刘家道口 9 0 m s 节制闸流量 1 0 0/,相应闸上水位 6 .6 4 0 m s 17 m,

闸下水位 6 .5 1 m,此时彭家道口分洪闸分洪流 5量 5 0 m。 00/ s

从施工进度、工艺和质量上考虑，块石护坡

由于受当地块石材料产量的限制，以满足

工程难建设进度的需要，且材料质量低，施工难度大。 而混凝土预制块制作工艺先进，砌筑方便，能加满足工程建设进度的需要，质量能达到规范要求，安全可靠。从投资考虑，混凝土预制块护坡单位平方米造价略高于浆砌石护坡。从管理考虑，混凝土预制块护坡美观大方，便于管理。 经综合比较，选择混凝土预制块护坡。

( )闸前设计蓄水位，近期 5 . m远期 3 95,6 0.O m。

( )枢纽控制运用最高挡水位为 6 .6。 4 10m

2设计研究范围( )刘家道口节制闸左岸闸间裹头护坡。 1

刘家道口节制闸和彭家道口闸闸间裹头全部拆除重建，长共 3 5。堤内边坡 1 3渐变至 12 2m::。护砌项高程 6 .~ 6 . 6,内坡脚高程 5 .6 2 5 3 5m 2 3~5 50 3. m。

4 2波高和平均波长计算 .按照 S24 20《压式土石坝设计规范》 L 7— O 1碾

和 G 5 2 6 9《防工程设计规范》的规定， B 0 8- 8堤 波高和平均波长计算公式如下：

( )彭道口闸上游左岸护坡。彭家道口闸 2上游左岸旧砌石护坡拆除重新护砌，长共8 69. m。 70

( )刘家道口节制闸下游左右岸护坡。刘 3-

g h m=

家道口节制闸下游护坡左岸长 2 7 5 9 .m,右岸长35 2m。 2.

O. 3 h 1 t

卜 7]小( 刀f] Lm

3设计指标 3 1设计标准 .

/

( )按蓄水建筑物确定设计标准。刘家道 1口节制闸闸前总库容为 2 8万 m,属于中型水 60。库，根据 S 2 2 20《利水电工程等级划分 L5- 00水及洪水标准》,确定为I等工程，堤防建筑物级 I I别为3。级

式中：

为平均波高，m 平均波长，m;L为；:

为平均波周期，s,平均波周期 4 4 8 . 3

为风区长度，m∥为计算风速，m s;/,取多年平均最大风速的 1 5倍；为水域平均深度；g为 .

重力加速度，取 9 8 m s。 . i/ 刘家道口闸上裹头、家道口闸上游左岸及彭刘家道口闸下游护坡波高计算成果见表 l

。 4 3混凝土护坡面板厚度计算 .由波浪压力大小及波浪等要素确定护坡块

( 2)按堤防工程确定设计标准。根据 G 5 2 6 9《防工程设计规范》,沂河防洪 B 08 - 8堤标准为5年一遇设计，堤防建筑物级别为 2。 0级

( )混凝土抗冻标号按 S 1 1 20水工 3 L 9 - 0 8《

混凝土结构设计规范》确定。因临沂市多年来最低气温为 1份，月平均气温一 .℃,属暖和气月 i7温区，混凝土抗冻标号不低于 F 0 5。

尺寸与护坡厚度。( )按 S 2 4 2 0碾压式土石坝设计 i L 7— 0 l《

规范》计算公式如下：…

护坡设计应同时满足以上规范的技术要求。 3 2主要设计指标 .枢纽控制运用最高挡水位为6 . 6, 10m闸前为远期设计蓄水位6 . m O 0,闸前 5年一遇洪水位为 0 6 . 4。河底高程：5 . 0。 1 1m 3 5 m

;\/争

式中：刀为系数，取 1O .;为累积频率为 1的 %波高，m;b为沿坝坡向板长，0 5 m P . 2;为板的

4护坡设计计算过程采用刘家道口枢纽正常运行工况，非汛期正常蓄水位 6 . m 0 0和汛期5年一遇洪水位 6 . 4作 0 1 1m 66。

密度，取 p=24 tm;m为单坡的坡度系数。 .0/。 坝坡向板长按 0 5m计， .2刘家道 I闸上游左： 1岸裹头、彭家道口闸上游左岸护坡、刘家道口闸下游护坡计算结果见表 2。

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表 1波高计算成果表 工程部位水位 () m6. O 0O

平均水深 () m65 .0 76 .4 6 5 . O 7 6 .4 6 5 .0 7 6 . 4

风区长度 () m20 0 0 2 0 0 0 80 0 80 0 9 0 3 93 0

计算风速 () m2l 2 1 2 1 2 1 2 1 2 l

边坡系数2 5 . 2 5 . 20 . 20 . 30 . 3. 0

尸(% 1)波高 ( ) mO 9 .8 09 . 9 06 . 7 O 6 . 8 O. l 7 6 0 7 0 . 2

平均波长 () m1 .O 29 1. 6 3 O 8 6 . l 8 6 . 5 9 4 .4 9. 9 4

刘家道口闸上裹头61 1 .4 6 .0 0 O

彭家道口闸上游左岸6 .4 1 1 6 .O O 0

刘家道口闸下游护坡

61 1 .4

表 2护坡计算结果工程部位设计水位() m6 .0 OO

流域平均水深( m)6 5 . O 7 6 . 4 6 5 . 0 7 6 .4

坝坡向板长( m)O5 .2 05 .2 05 . 2 0 5 . 2

尸 (% 1 )波高() m0 9 .8 0 9 .9 0 6 .7 0 7 .0

混凝土厚度( m)0. 5 14 0. 5 16 0 0 3 . 9 0 04 . 9

平均波长(1 1) 11. O 29 1. 7 30 8. 5 8 8 9 . 0

刘家道口闸上游左岸裹头6 l L 4 6 .0 O0

彭家道口闸上游左岸6 .4 1 1

6 .0 OO

6 5 .O7 6 . 4

0 5 .20 5 . 2

0 76 . 107 0 .2

0 19 . 00¨O .

9 4 .49 4 . 9

刘家道口闸下游左岸6 .1 1 4

( )按 G 5 2 6 9《防工程设计规范》 2 B08- 8堤

土板的重度，取 p。 4 N m;B为沿斜坡方向=2 k/。(直于水边线 )的护面板长度， m垂；m为斜坡坡率。

计算公式如下：t=

刘家道口闸上游左岸裹头护坡、家道口闸彭式中：为混凝土护面厚度 ( )刀为系数，取 m;上游左岸护坡、刘家道口闸下游护坡计算结果见表 3。

005 . 7;H为累积频率为 1的波高，m r为混凝%;_ b

表 3护坡计算结果工程部位设计水位( m)6. 0 0O

流域平均水深( m)6 5 .O 76 .4 65 .O 76 . 4 65 . 0 7 6 . 4

坝坡向板长() m0 5 .2 0 5 .2 0 5 .2 0 5 .2 05 .2 05 .2

尸 (% 1 )波高( m)O. 8 9 0. 9 9 0 6 . 7 0 6 . 7 0 76 . 1 0 70 . 2

混凝土厚度( m)0 15 .9 0 19 .9 0¨l . 0 l2, 1 0 12 . l 0】 3 .1

平均波长() m1.O 29 l.7 3O 88 .5 89 .0 94 .4 9 4 . 9

刘家道口闸上游左岸裹头6 4 Ll 6 . O O O

彭家道口闸上游左岸61 1 . 4 6 .0 0 0

刘家道

口闸下游左岸61 1 . 4

44混凝土护坡面板厚度确定 .按照同时满足《防工程设计规范》和《堤碾压

胀破坏，自上而下设粒径 5 -0 m - 2 m碎石垫层，厚￣ 0 1m中粗砂厚 0 1m .5, . 5。堤内边坡 1 3渐变至： 12:。护砌顶高程 6 .~ 6 . 6,内坡脚高程 25 35m 5.6 5 .0。为防止淘冲坡脚，坡脚设 M0 32~ 35m 1浆砌石齿墙，深 1 5,宽 10。 .m .m ( )彭家道口闸上游左岸段，自彭家道口 2

式土石坝设计规范》技术要求的原则，根据以上计算成果，刘家道口闸上游左岸裹头护坡厚度取

00 . m,彭家道口闸上游左岸和刘家道口闸下游护 2坡厚度取 01m。 . 2 45护坡设计 .

闸上台阶以上，将旧砌石护坡拆除重新护砌，长 70。堤内边坡为 1 2 3m:,护坡采用联锁式 c 5 2混凝土块，厚度 0 1m . 2,平面尺寸 O 5×0 3 m .2 m .8。为防止堤坡风浪淘刷破坏和冻胀破坏，自上而下设粒径 5 0 m~2 m碎石垫层，厚 (下转第 7 2页 ) 67

( )刘家道口闸上游左岸裹头段，自刘家 1道口节制闸至彭家道口闸上台阶长约 3 5, 2 m采用联锁式 C 5混凝土块护坡，厚度 0 2m 2 . 0,平面尺寸 0 5m . 8。 . 2×0 3m为防止堤坡风浪淘刷破坏和冻

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2 1年第 2期 03

面雨量的比值可看出，两者为直线关系，其中径流厚度与 3日的设计面雨量配合的最好，均为 O 15 . 5。本次即用 0 15与 5、2年频率的 3 .5、3表1频率只日P (n ) In l4、 I

日设计面雨量乘积计算这三个频率的径流厚度， 分别为 l. 3 l. 3 l . 4m 0 8、 6 6、 9 5 m。具体比值及计算结果详见表 1。

各频率不同时段设计面雨量与径流厚度对比分析表1%3 4 5 3.0 3 2. 0 47 21 . 8 7 5 l . 00 94

2%2 4 41 8. 25 2 4. 6 1 5 4 8.6 8 .4 7 0

5%2l . 2 9 9 16 8 9.6 1 3. 9 4 5 6 3 9. 3

1% O1 2 61 7. 1 5. 5 5 2 1 3. 4 1 2 5.4 5 7

2% 0

l6 0 2.4 13 6 1. 3 8.9 2 8 4 5 2. O

3% 3l 7 2 O.8 9.4 7 3 71 O .O 3.3 6 8

5% 06.6 9 8 6.6 4 7 4.3 7 2 2.8 5 4

( i) ml 1 ( m) m

P

只P ( m) m

径流厚度 ( m m)

5 20 1 5 . 50 1 2 . 7

4 4O 1 5 . 50 1 3 . 7

3.9 4 O

2.5 6 7

1.4 9 5

l.3 6 6

l .3 0 8

尸径流厚度/0 2 9 . 30 51 . 5

O 2 7 . 30 5 6 . 0

根据己算出的径流厚度，径流成因简化公按式可计算出涵洞 5、 2年的设计流量分别为、34 5、 3 2、 12m/。 .2 .3 . 0。s

投资，合理确定涵洞的设计流量就显得尤为重要。文对低频率下穿堤涵洞径流形成法流量计本算方法的研究，为涵洞设计开创了一种新的思路，具有一定的现实意义。

3结语 随着国家经济的发展，提高中小河流重点对河段的防洪减灾能力，障区域防洪安全和粮食保安全提出了更高的要求。穿堤涵洞作为堤防上经常设置的建筑物，其设计必须得到相应的重视，

参考文献1周峰 .小桥涵设计流量的计算方法探讨[]山西建筑 . J.2 1, (5: 1 7 1 8 O 1 0) 5~ 5 .

2徐广腾， 李丽 .浅谈高等级公路中涵洞的勘测设计[] J .广西城镇建设 .2 0, ( 5:2—2 . 0 5 O ) 4 53 J G T 6— 4 2 O公路桥涵设计细则[] T/D 50— o7 S.

如何在排除堤外积水、防止内涝的同时节省工程

(上接第 6 7页 )0 1m中粗砂厚 0 1m .5, .5。护砌顶高程根据实际地形定为，6 . 0 6 . O。内 15~ 3O m坡脚高程 5 . 0,坡脚设 M O浆砌石齿墙，深 3 5m I1 0,宽 0 8。 .m . m

防护坡设计。该枢纽工程建成运行六年，护坡质量良好。验证了该设计方法的正确性。

()凝土预制块护坡在水利设计规范中尚 2混未明确计算方法，文提出了一种新的护坡计算本方法。目前南水北调山东段大力推广预制块混为凝土护坡提供了

设计方法和经验。

( 3)刘家道口节制闸下游护坡左岸长 2 75,右岸长 3 2 2,护坡采用联锁式 C 5 9 .m 5 .m 2混凝土块，厚度 0 1m . 2,平面尺寸 0 5 m .8。 . 2×0 3 m下设粒径 5 0 m碎石垫层，厚度 0 2 m￣2 m . 0。堤内

()凝土预制块护坡施工方便，可采用工 3混厂化生产，施工现场安装，降低了施工人工费和工期。

边坡 13护砌顶高程 6 .6,内坡脚高程：, 33m5.6, 2 3 m坡脚设 M O砌石齿墙， 1 0, 0 8。 I浆深 . m宽 . m

()用混凝土预制块护坡，使枢纽整体美 4采

( )混凝土格梁。为保证混凝土块护坡稳 4定安全，以上 3部分护坡均设置 C 0现浇混凝土 2

观整洁，成为一道美丽的风景线。 参考文献S 2 4 2 0碾压式土石坝设计规范[]北京：中国水利 L7- 0 1 S.水电出版社， G 5 2 6 9堤防工程设计规范[]北京：中国计划出 B0 8- 8 S.版社 .

格梁，顺大堤长度每 2m设 1 0道顺坡向横梁，在高程 5 . 0 8 5m与堤顶处各设 1道水平向纵梁，梁尺寸均为宽 0 3,深 0 5。 .m .m

5结论 ()本文提出了针对河道型水库护坡的新 I的设计方法，并应用于刘家道口枢纽上、下游堤

S 11 20 L 9 - 0 8水工混凝土结构设计规范[] s .北京：中国水利水电出版社，

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