小渾河防洪排澇工程設(shè)計(jì)水面線推求

桑桂武，田斯琳

(1.遼寧蘇文工程設(shè)計(jì)有限公司，沈陽，110000；2.沈陽一方正和工程技術(shù)咨詢有限公司，沈陽，110000)

1 引言

洪水泛濫對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定帶來眾多不利影響，為了改善這種情況，很多城市采取了防洪排澇治理工程建設(shè)[1-3]。在工程建設(shè)之前，準(zhǔn)確獲取河道水面線是十分必要的，可為防洪建筑物修建提供基本參數(shù)，若水面線推求結(jié)果偏大則直接造成工程投資偏大，若水面線推求結(jié)果偏小則造成設(shè)計(jì)工程不能滿足防洪需求[4-6]。為了準(zhǔn)確獲取河道水面線，較多的專家、學(xué)者研究出了不同的計(jì)算方法，均取得了較為豐碩的成果。目前，針對水面線推求的方法主要包括：HEC-RAS模型模擬、MIKE21模擬、公式計(jì)算等[7-9]。本文根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對小渾河防洪排澇工程水面線推求進(jìn)行分析。

2 工程概況

燈塔市小渾河疏浚及攔河壩工程以防洪為主，兼有景觀、環(huán)境等綜合效益。攔河壩采用水力自控翻板閘，長73.35m，寬53m。攔河壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇標(biāo)準(zhǔn)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇標(biāo)準(zhǔn)。攔河壩分為水力自控翻板閘段和調(diào)節(jié)閘段。小渾河河長21km，主河槽寬18m，豐水期流量89m3/s。工程以上集水面積由五萬分之一地形圖量算得F=355km2，河道長度L=34.3km，河道平均比降J=0.55‰。水文分區(qū)為Ⅰ2區(qū)。攔河壩平面布置見圖1。

圖1 攔河壩平面布置

3 暴雨及洪水特征分析

3.1 暴雨特征

小渾河流域暴雨受天氣系統(tǒng)影響，較大降水過程一般集中在3天以內(nèi)，而且多以暴雨形式出現(xiàn)。最大3天雨量一般約占年量的15%左右，雨型呈東北西南向或西南西到東北東帶狀分布。

小渾河流域內(nèi)降水量四季變化明顯，年內(nèi)分配很不均勻。一般6月份才進(jìn)入雨季，7-8月份為降雨全盛時期，約占全年的85%～95%，其中又以7月下旬、8月上旬為最多，約占全年的56%左右。

3.2 設(shè)計(jì)洪水

此次治理工程位于小渾河佟二堡鎮(zhèn)段，由于河道無水文站，缺乏相關(guān)水文數(shù)據(jù)，采用以下方法推求設(shè)計(jì)洪水。

(1)基本資料

工程以上集水面積為F=355km2，河道長度L=34.3km，河道平均比降J=0.55‰。水文分區(qū)為Ⅰ2區(qū)。

(2)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

工程以上集水面積大于300km2，采用“遼寧產(chǎn)匯流計(jì)算方法”進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，小渾河P=5%洪峰流量Q=326m3/s；P=2%洪峰流量Q=443m3/s。

4 設(shè)計(jì)水面線計(jì)算

4.1 攔河壩水位計(jì)算

攔河壩過流能力采用下式計(jì)算：

Q=nσεψWQ單

(1)

(2)

式中：Q為翻板壩泄流量；n為閘孔數(shù)；σ為淹沒系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；ψ為行進(jìn)流態(tài)影響系數(shù)；W為行進(jìn)流速折減系數(shù)；Q單為單扇閘門泄流量。

泄流曲線計(jì)算成果見表1及圖2。

表1 翻板閘泄流量計(jì)算成果

圖2 水位～流量關(guān)系曲線

采用內(nèi)插法計(jì)算攔河壩20年一遇、50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時水位，計(jì)算結(jié)果為P=5%、P=2%洪水標(biāo)準(zhǔn)時水位分別為16.66m、17.70m。

4.2 河道水面線推求

此次河道疏浚及綜合治理工程，水面線推算采用20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，洪峰流量采用326m3/s。

4.2.1 設(shè)計(jì)河底

此次治理段河道所處地貌單元為平原，地形平緩，河道比降較小。根據(jù)遼官線佟興橋下游河道現(xiàn)狀、河底高程，進(jìn)行河道疏浚。河道疏浚段內(nèi)小渾河河道設(shè)計(jì)比降15‰。起點(diǎn)為擬建攔河壩壩址上游0.1km處，設(shè)計(jì)河底高程11.93m。河道疏浚及綜合治理工程可分為兩部分，一部分為佟二堡大橋段，起點(diǎn)位于設(shè)計(jì)攔河壩上游0.1km處，終點(diǎn)至佟二堡大橋；另一部分為佟興橋段，起點(diǎn)位于佟興橋，終點(diǎn)至原西小渾河入河口處。

4.2.2 起點(diǎn)水位及糙率

經(jīng)分析計(jì)算，20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時，攔河壩處水位高程為16.66m，該斷面作為水面線推求的起點(diǎn)水位。

小渾河具有典型的平原河道特征，河道較為平緩、順直，是單一的U形河槽，河床質(zhì)大多由耕植土、粉質(zhì)粘土以及河道沉積物組成。根據(jù)臨近地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)，小渾河糙率系數(shù)應(yīng)在0.025～0.032間，綜合考慮取0.03。

4.2.3 水面線計(jì)算

疏浚段河道水面線推求采用能量方程進(jìn)行推算，公式如下：

(3)

式中：Z1、Z2分別為下、上游斷面的水位，m；hf、hj分別為上下斷面間的沿程、局部水頭損失，m；u1、u2分別為下、上游斷面的流速，m/s。

由以上公式計(jì)算，小渾河水面線推算成果見表2。從表2中可知，擬建攔河壩址處設(shè)計(jì)河底高程為11.91m，設(shè)計(jì)水面線為16.66m。

表2 小渾河水面線計(jì)算成果

5 攔河壩設(shè)計(jì)

5.1 攔河壩穩(wěn)定分析及地基應(yīng)力計(jì)算

本工程攔河壩采用水力自控翻板閘，攔河壩地基換填砂礫料層，基礎(chǔ)承載能力按照280kPa考慮。

5.1.1 計(jì)算工況與允許安全系數(shù)

根據(jù)工程建設(shè)情況，計(jì)算以下5種工況下攔河壩的穩(wěn)定性情況，分別為完建、正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和地震。

5.1.2 計(jì)算公式

抗滑穩(wěn)定計(jì)算

(4)

式中：KC為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為基底與地基的摩擦系數(shù)，取0.4；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

5.1.3 基底應(yīng)力計(jì)算

(5)

式中：Pminmax為閘室基地應(yīng)力的最大值、最小值，kPa；∑M為對于地基底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m；A為基底面積，m2；W為對于垂直水流方向的形心軸的截面距，m3。

計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

表3 攔河壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

表4 攔河壩基底應(yīng)力最大值與最小值之比值成果

根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算成果，攔河壩在各工況下穩(wěn)定性均滿足要求，大壩結(jié)構(gòu)安全。同時攔河壩極低最大應(yīng)力小于280kPa，壩基土承載力也滿足需求。

5.2 消力池底板厚度計(jì)算

消力池底板厚度需要滿足抗沖、抗浮要求。

5.2.1 計(jì)算情況

分別計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量為洪峰流量值的25%、50%、75%、100%時的消力池底板厚度。

5.2.2 計(jì)算公式

(1)抗沖計(jì)算

(6)

式中：t為底板厚度，m；k1為計(jì)算系數(shù)，取0.2；q為設(shè)計(jì)單寬流量，m3/s·m；△H為上、下游水位差，m。

(2)抗浮計(jì)算

(7)

式中：k2為安全系數(shù)，取1.2；U為揚(yáng)壓力，m3/s；W為水重，m；γb為底板飽和重度，kN/m3；Pm為脈動壓力，其值取躍前收縮斷面流速水頭值的5%。

計(jì)算結(jié)果見表5、表6。

表5 消力池底板抗沖計(jì)算成果

表6 消力池底板抗浮計(jì)算成果

通過以上分析計(jì)算，消力池在設(shè)計(jì)洪峰流量25%時，底板計(jì)算厚度最大?？紤]到施工方便和預(yù)留富余安全余量，消力池底板厚度取0.5m。

6 結(jié)論

(1)通過內(nèi)插法計(jì)算不同頻率下小渾河的洪水水位，攔河壩20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時水位16.66m；50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時水位17.70m。

(2)通過地質(zhì)調(diào)查結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定小渾河工程河道糙率取值為0.03，利用能量公式推求水面線。

(3)通過計(jì)算，河道地基土承載力滿足小渾河攔河壩承載力需求，在各個工況下攔河壩的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。通過計(jì)算，為了滿足抗浮、抗沖刷要求，同時預(yù)留施工安全余量，確定消力池板厚為0.5m?？蔀轭愃乒こ烫峁﹨⒖?。