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永定河滞洪水库工程设计特点论文
摘要：永定河是全国四大重点防洪河流之一，是首都北京的防洪关键。滞洪水库位于永定河卢沟桥枢纽以下永定河稻田及马厂河段内，通过开挖其右侧滩地，并沿永定河右治导线修建水库左堤而形成水库，水库左堤外的永定河主河道保留行洪。该工程包括“两库、四堤、四闸、一河”。工程主要任务是防洪，控制永定河官厅山峡的洪水。工程修建后，可使永定河三家店以下北京市境内河道的防洪标准由五十年一遇提高到一百年一遇，一百年一遇洪水刘庄子口门不分洪，可在较大程度上减免长辛店地区及小清河分洪区的淹没损失，并有利于河北省和天津市的防洪体系建设。
关键词：工程目的及任务 工程布置及规模 工程设计 技术问题 工程施工
1 工程目的及任务
永定河滞洪水库位于永定河卢沟桥枢纽以下永定河稻田及马厂河段内，距北京市市区约20km。水库的主要任务是防洪，控制永定河官厅山峡的洪水。
永定河官厅水库以下至三家店称官厅山峡，为多发性暴雨区，又系石质山区，坡陡流急，易产生较大洪水。永定河历史上发生的几次大洪水中，约90%产生于官厅山峡。至今官厅山峡洪水没有得到控制，对北京及下游地区的防洪安全构成严重威胁。
在永定河卢沟桥以下河道内修建滞洪水库，滞蓄官厅山峡洪水，可使永定河三家店以下北京市境内河道的防洪标准由五十年一遇提高到一百年一遇，一百年一遇洪水刘庄子口门不分洪，可在较大程度上减免长辛店地区及小清河分洪区的淹没损失，解决该地区42万人的防洪避险转移问题，并有利于河北省和天津市的防洪体系建设。
2 工程布置及规模
永定河滞洪水库工程等别定为二等，主要建筑物为2级，堤防为1级，设计洪水标准为一百年一遇，地震设防烈度为Ⅷ度。工程施工总工期三年。
别永定河滞洪水库位于卢沟桥以下永定河稻田及马厂河段内，通过开挖其右侧滩地，并沿永定河右治导线修建水库左堤而形成滞洪水库，水库左堤外的永定河主河道保留行洪。该工程包括“两库、四堤、四闸、一河”，其布置详见工程平面示意图。
“两库”为新建的稻田水库和马厂水库，其中稻田水库最大滞洪库容3008万m3；马厂水库最大滞洪库容1381万m3；连同已建的大宁水库3661万m3，总滞洪库容达8000万m3。
“四堤”为新建的滞洪水库左堤和横堤、加高培厚永定河右堤和加宽永定河左堤，水库堤防总长为36。9km。
“四闸”即新建的滞洪水库进水闸、连通闸和退水闸以及扩建小清河分洪闸。进水闸位于大宁水库左侧南端与稻田水库的连接处，共6孔，每孔净宽10m，控泄流量2429m3/s。连通闸位于京良公路永立桥右侧，稻田水库与马厂水库连接处，共5孔，每孔净宽12m，控泄流量1098m3/s。退水闸位于黄良铁路桥以上500m，马厂水库的尾端，共8孔，每孔净宽7m，控泄流量400m3/s。小清河分洪闸泄量由现状2760 m3/s增加到3730 m3/s，为确保泄洪畅通，需在小清河分洪闸右侧按原闸规模扩建4孔，每孔净宽12m。
“一河”为1。5km长的小清河整治工程，即对小清河分洪闸下至大宁水库入库跌水段河道进行疏挖和部分展宽，打开京广铁路桥右侧被淤堵的2孔，并对京广铁路桥、老京周公路桥和新京周公路桥的基础进行防护。
3 工程设计中遇到和解决的几个主要技术问题
工程设计由水利部天津水利水电勘测设计研究院和北京市水利规划设计研究院共同完成。在设计过程中遇到和解决的技术问题很多，现仅就几个主要问题简述如下：
① 华北地区最长的细砂堤防
滞洪水库左堤长10。2km，其左侧为永定河行洪河道，右侧为滞洪库区，为两水夹一堤，其安全与否，对整个工程以及永定河左堤的安全至关重要。根据本工程的实际情况，筑堤材料均取自库区土方开挖，而库区土方开挖料完全是细砂和极细砂。据堤防规范，细砂和极细砂不宜用做筑堤土料，而在如此长且又十分重要的堤防采用细砂填筑，在国内也不多见。为解决这一技术难题，查阅了全国有关细砂筑堤资料，特别研究了松花江砂堤在1999年洪水中出现的问题，并请有关专家进行技术指导，研究细砂筑堤要解决的地基液化、渗透稳定、堤身渗漏、堤坡稳定和堤坡抗冲等诸多技术问题，结合滞洪水库的运用和大量弃土的特点，分别采取了加大断面、放缓堤坡、加强护砌等措施来保证堤防安全，并根据滞洪水库左堤的实际运用情况，经计算和分析研究，最终取消了原设计的堤身防渗墙，从而节省了大量工程投资。
② 退水闸地基处理
根据工程地质评价，滞洪水库退水闸的基础位于细砂层上，局部地基承载力不满足设计要求，并且细砂层地基在饱水情况下，遇Ⅷ度地震将发生液化，这是在滞洪水库工程设计中遇到的又一重要技术问题。根据闸的工程布置以及细砂层的分布情况，基础下的细砂层太厚，不宜单纯采用换基的方法，经研究比较，采用换基和混凝土防渗墙围封相结合的措施加以解决。经过深入的调查研究，防渗墙拟采用300毫米厚的混凝土薄墙。
③ 连通闸地基处理
a。 闸室基础处理
滞洪水库连通闸的基础也存在退水闸的问题，闸室基础位于细砂层上，地基在饱水情况下，遇Ⅷ度地震将发生液化，考虑到细砂层较薄，采用全部挖除、换填砂砾料的方法，使整个闸室坐落在中砂层上。
b。 翼墙基础处理
上下游翼墙与两岸护坡的为斜坡式连接型式，为减少上下游翼墙的开挖和回填量、提高地基承载力、解决地震液化问题，翼墙基础下布设碎石振冲桩，桩径600mm，间排距2。0m，梅花形布置，桩底高程坐落在地质建议的中砂层上。
④ 退水闸不均匀沉降分析及处理措施
退水闸主体完工，控制楼施工前，铺盖、闸室、消力池、护坦底板发现裂缝，左右边墩发生倾斜，为此，建设单位先后组织了四次专题会议，也邀请了有关专家和单位进行了分析和研究，认为底板裂缝及闸墩倾斜主要是由不均匀沉降引起的，引发和影响不均沉降的因素较多，一是与砂土的不均匀性和地基受力的不均匀性有关，二是与砂基地下水位聚降、墙后回填土的施工方法和顺序及碾压速率有关。
根据沉降观测资料分析，退水闸的最大沉降量及相邻板块之间的沉降差均在《水闸设计规范》规定的范围之内，不会导致止水的破坏，也不会影响闸门的正常运用，但考虑到闸墩的美观，应进行处理，同时原设计的控制楼紧靠边墩及翼墙，其自重及其上的设备还会在边墩、翼墙上产生附加应力，还会导致边墩外的地基下沉，如沉降过多，势必加大边墩外倾，以致造成不良后果。
经研究采用控制楼外移方案。结合440m2退水闸小院报批遇到的设计院在京注册难题，取消管理小院，将原来控制楼和小院共1000余m2的面积，设计成二层小楼，布置在闸室右侧距边墩15m之外，以作为控制室和管理房之用；维持闸室左侧楼梯间不变。在二层管理小楼和启闭机房之间，设计为透明的封闭走廊，走廊立面做好装饰设计，以达到美观和把管理房与启闭机房连为一体的效果。此方案有两大好处：其一是避免了退水闸小院规划批准的难题，其二避免了在边墩和翼墙外近距离再增加荷载，导致地基加剧沉降的问题。
对退水闸不均匀沉降引发的裂缝进行化学灌浆处理，材料为改性环氧树脂；裂缝
表面用TK砂浆封堵抹平。
⑤ 连通闸后浇带设计
连通闸两岸连接京良公路，双向四车道，路面净宽15m，由此布置要求闸室顺水流向长度较大，已达29。7m，为防止不均匀沉降、温度等原因引起闸底板及闸墩出现裂缝，在桩号0+10。00处设置宽1。2m的后浇带，后浇带上下游闸底板及闸墩分别施工，预留插筋，待上下游闸底板及闸墩沉降等变形基本稳定后，再进行后浇带的回填。工程竣工后经检查未发现裂缝。
⑥ 特殊的消能防冲设计
本工程进水闸、连通闸和退水闸均位于滞洪水库大堤上，进水闸和连通闸下游为库区，退水闸下游为永定河滩地，这三座闸有一个共同的水力学问题就是水流过闸后漫流进入库区或滩地，在地面上形成的水深极浅，其消能计算不同于一般的河道水闸。结合工程优化布置，经过反复计算和分析研究，最终寻求到适合本工程条件的消能计算方法，得出合理的消能工的规模尺寸，经水工模型试验验证，其消能布置是合理的。在水闸防冲设计中，根据闸下细砂抗冲流速低的特点，为防止防冲槽内细砂和抛石流失而导致海漫工程的淘刷破坏，在海漫末端设置了混凝土防冲墙以策安全。
另外，在滞洪水库设计过程中，重视科学试验研究工作，注重设计与科学试验的密切结合。堤防设计采用的土料压实干容重、相对密度等物理力学指标，均进行了室内试验和现场碾压试验；此外，为论证本工程建成后对永定河河势的影响以及永定河洪水对水库左堤的影响，退水闸泄流对永定河左堤、下游铁路桥及河道的影响等诸多问题，均进行了水工模型试验，并根据模型试验结果，对设计进行了修改和补充。
⑦ 模袋混凝土护坡新技术应用
本工程堤防筑堤材料为细砂，对护面的衬砌型式选择又为重要，设计曾考虑了浆砌石、混凝土、模袋混凝土等型式，经认真分析研究后，采用了模袋混凝土，即把流动性混凝土用混凝土泵压入用高强度化学纤维制成的模型垫袋里形成的高强度混凝土硬化体。由于垫袋本身的透水性使混凝土中多余水分在灌注压力的作用下被部分挤出，从而降低混凝土水灰比，提高了混凝土的密度和强度。作为一种新的工艺，模袋混凝土与其它护砌型式相比，其防止高速水流冲刷能力较强，具有施工迅速、安全、节省费用等特点。
模袋混凝土护坡设计考虑了袋材选择、模袋缝制、厚度确定、稳定性分析、排水设计、护坡构造及抗滑措施考虑等。目前该模袋护坡投入运用已经二年了，其坡面平整、美观，不需保养，也已经历了寒冷气侯的考验，说明模袋混凝土护坡在本工程中的使用是成功的。
⑧ 土方平衡中难以解决的弃土问题
由于水库是利用开挖永定河右侧滩地形成的，其土方开挖量巨大，为4300万m3，因此，土方平衡和弃土处理成了主要的技术问题。在可研阶段，认为稻田库上部砂石料储量较多，开挖出的砂石料除本工程使用外，尚可外卖1300万m3。而在初设阶段，经过详细的地质勘察，发现砂石料开挖量甚少，这样，本可以外卖的砂石料变成了无用的细砂弃土，为解决这个棘手的问题，首先，进行了较详细的地形测量，对用做弃土场的采砂坑容积重新核算，其次，在保持水库滞洪容积不变的原则下，调整水库主库区布局，将水库堤防稍微抬高以减少挖方和增加填方，最终使土方达到了挖填平衡。
4。 工程施工
4。1 施工条件
该工程由于距北京市区仅20km，且附近有京石高速公路、京周公路和京良公路等较高等级公路跨越河道。从小清河至滞洪水库退水闸的永定河左、右两堤均有道路相通。因此，本工程对外交通便利。
本工程位于永定河右侧滩地内，地势平坦、开阔，便于工程施工。
本工程水源为开采地下水，水量尚能满足施工需要。
根据对永定河天然砂砾料场的勘探以及工程附近砂石料源的调查，在进水闸闸址下游1km范围内，天然砂砾料储量约110万m3，可满足本工程混凝土的施工需要。混凝土细骨料以人工砂为主掺加部分天然砂。工程拟建筛分加工厂并制备人工砂。
4。2 施工导流
根据本工程实际情况，选择施工导流标准为十年洪水重现期。依据三家店水文资料，十年一遇汛期洪水最大流量为1681m3/s；非汛期洪水最大流量为107m3/s。但由于上游有官厅水库、三家店调节池等控制工程及河道渗漏等因素，实际上在非汛期，河道内基本上没有径流。
经水力学计算：汛期洪峰流量为1681m3/s时，其河床水位为48。3~51。2m，水位均未超过原天然滩地高程；加之水库左堤可在汛前填筑一定高程，从而形成天然围堰，以保障工程的实施，因此，本工程可不设专门的导流、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较小，因此，只利用枯水季节施工即能满足进度要求。土方工程采用大型施工机械，机动性强，且库内无需临时设施，基本上可全年施工。
永定河滞洪水库工程施工总工期为三年。
5。 结语
本文仅对永定河滞洪水库工程的兴建目的、工程布置和规模、设计中遇到并解决的几个技术问题以及施工条件做简要、粗浅的阐述。永定河滞洪水库工程濒临京都，为大型工程，工程项目多、线路长，随着工程设计和施工的不断深入，必将遇到和解决更多的技术难题，它的实践必将丰富水利工程设计和施工的经验宝库。
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