劈柴河治理工程翻板閘及人工濕地設(shè)計(jì)

尚真宇

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

河道建設(shè)對(duì)地區(qū)防洪排澇、農(nóng)業(yè)灌溉、流域生態(tài)環(huán)境等均具有直接影響，有關(guān)部門調(diào)查統(tǒng)計(jì)，目前我國中小流域有超過80%河段存在嚴(yán)重的水土流失問題，河流水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境也在不斷惡化，各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)很低，平均使用年齡超過30a，因此大范圍內(nèi)的河道治理工程也迫在眉睫。

1 工程概況

劈柴河為大沙河支流，在蛤蟆塘鎮(zhèn)匯入大沙河，河流保護(hù)區(qū)域內(nèi)涉及3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，人口約為1.16萬人，保護(hù)耕地面積達(dá)0.428萬畝。本工程的主要任務(wù)是從黑溝水庫引水至劈柴河，利用其多余水量改善劈柴河水生態(tài)環(huán)境，提高河道防洪標(biāo)準(zhǔn)。其主要工程量如下：引水管線2.2km(黑溝水庫—劈柴河)；分水閘1座、翻板閘2座、潛壩2座；劈柴河河道治理長(zhǎng)度4.33km，修建1.0萬m2人工濕地。受篇幅限制，在此只針對(duì)翻板閘和人工濕地工程的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 洪峰計(jì)算

劈柴河集水面積為18.7km2，河道長(zhǎng)8.93km，平均比降為9.79‰。在此以沙河鎮(zhèn)和湯山城兩處水文站數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用面積比法計(jì)算劈柴河設(shè)計(jì)洪峰值，具體成果見表1[1]。由表1數(shù)據(jù)可知，劈柴河洪峰流量分別為303和217m3/s，在此按照303m3/s作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 設(shè)計(jì)洪峰成果表(P=5%)

3 水力自動(dòng)翻板閘工程設(shè)計(jì)分析

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的水力自動(dòng)翻板閘軸線與河道正交，成“一”字布置[2]。參考其他工程項(xiàng)目，翻板閘總體結(jié)構(gòu)自上而下共分為四段：鋪蓋段、翻板閘段、消力池段、海漫段[3]，下面針對(duì)其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

3.1 自動(dòng)翻板閘工程設(shè)計(jì)

(1)閘基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目翻板閘鋪蓋段長(zhǎng)5.0m，底板為0.5m厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以下設(shè)計(jì)0.1m厚C15混凝土墊層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在此不再詳述[4]。鋪蓋段下游連接翻板閘閘基，閘基整體為C20混凝土澆筑結(jié)構(gòu)，總寬10000mm，兩側(cè)基礎(chǔ)(寬2000mm)深入鋪蓋層以下200mm，保證閘基穩(wěn)定性，如圖1所示[5]。

圖1 水力自動(dòng)翻板閘基本結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

(2)泄流寬度設(shè)計(jì)

水力自動(dòng)翻板閘要求在上游來水量少時(shí)閉閘蓄水，來水量大時(shí)開閘放水，所以其工作過程如圖2所示。本項(xiàng)目翻板閘角度e=75°時(shí)，看作閘門全開放水，此時(shí)需滿足劈柴河洪峰流量Q=303m3/s，以此為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算閘門總寬度，計(jì)算公式見式(1)[6]。

圖2 水力自動(dòng)翻板閘工作過程簡(jiǎn)圖

(1)

式中，σ—翻板門段淹沒系數(shù)；m—翻板門段流量系數(shù)；ε—翻板門段側(cè)收縮系數(shù);B—泄流總寬度，m；H0—閘孔全水頭，m。

經(jīng)計(jì)算，B=35.7m，取值36.0m，共設(shè)計(jì)6孔閘門，每孔凈寬6.0m，高2.5m，泄流總寬36.0m，加上兩端防護(hù)墩各1m，翻板閘工程總寬度為38.0m。

(3)翻板閘抗滑穩(wěn)定計(jì)算

在此翻板閘抗滑穩(wěn)定組合工況有兩種：①上游水位取正常蓄水位14.44m，下游水位取河底高程11.44m；②上游水位取20年一遇的14.91m，下游水位取14.66m。計(jì)算成果見表2，由此可知，各項(xiàng)參數(shù)均滿足規(guī)范要求[7]。

表2 翻板閘穩(wěn)定計(jì)算成果表

3.2 消力池參數(shù)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)在翻板閘下游建設(shè)一處消力池，由于流量不大，所以采用“底流式消能”形式，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)也是P=5%。

(1)池深計(jì)算

消力池深度與消力能力呈正比關(guān)系，池深d計(jì)算公式見式(2)[8]。

d=σ0·hc-hs-ΔZ

(2)

式中，σ0—水躍淹沒系數(shù)，取值1.0；hc—躍后水深，m；hs—出池河床水深，m；△Z—出池落差，m。

經(jīng)計(jì)算，劈柴河翻板閘后接消力池池深d=0.5m。

(2)池長(zhǎng)、底厚、海漫計(jì)算

本項(xiàng)目的消力池長(zhǎng)度及底厚均按照“理論計(jì)算+實(shí)際經(jīng)驗(yàn)”確定，計(jì)算公式分別見式(3)、式(4)，最終確定池長(zhǎng)L=14.0m，底板厚t=0.5m(以防沖為標(biāo)準(zhǔn))[9]。

L=Ls+β·Lj

(3)

(4)

式中，Ls—消力池斜坡段水平投影長(zhǎng)度，m；β—水躍長(zhǎng)度校正參數(shù)，取值0.8；Lj—消力池水躍長(zhǎng)度，m；k—底板計(jì)算系數(shù)，取值0.2；q—過閘單寬流量，m2/s；△H—上下游水頭落差，m。

參照其他工程經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目消力池下游20.0m為海漫段，采用固濱籠干砌石護(hù)砌，固濱籠以下設(shè)0.2m厚礫石墊層及400g/m2土工布一層[10]。

4 人工濕地工程設(shè)計(jì)分析

本次劈柴河治理工程中的人工濕地對(duì)提高河流環(huán)境承載力、水質(zhì)自凈能力意義重大。本項(xiàng)目通過實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)劈柴河主要污染源為附近城鎮(zhèn)生活污水，主要污染物濃度并不高，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用“表面流+潛流”相結(jié)合的人工濕地[11]。濕地位置設(shè)計(jì)距離蛤蟆塘鎮(zhèn)2.5km，借機(jī)打造一處生態(tài)公園。

4.1 濕地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)濕地進(jìn)出水管路設(shè)計(jì)

人工濕地進(jìn)水系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)的首要原則就是應(yīng)保證配水的均勻性，本項(xiàng)目按照200m3/d規(guī)模利用多孔管進(jìn)行配水，進(jìn)水管比濕地床要高出0.3～0.5m，濕地總體坡度為1.0%；濕地出水系統(tǒng)管路應(yīng)當(dāng)根據(jù)濕地中部水位進(jìn)行調(diào)節(jié)，在此設(shè)計(jì)將集水管安設(shè)于出水口礫石填料層底部，加一個(gè)旋轉(zhuǎn)彎頭和控制閥門來實(shí)現(xiàn)對(duì)床內(nèi)的水位調(diào)節(jié)，如圖3所示[12]。

圖3 人工潛流濕地總體結(jié)構(gòu)示意圖

(2)濕地填料層設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目水平表面流濕地與潛流濕地的面積比為3∶1，兩種濕地結(jié)構(gòu)層存在一些差別，具體參數(shù)詳見表3[13]。

表3 人工濕地結(jié)構(gòu)層詳細(xì)參數(shù)

4.2 濕地植被選擇

濕地植被選取時(shí)應(yīng)當(dāng)兼顧生態(tài)適應(yīng)性、環(huán)境美化、水質(zhì)凈化能力、管理費(fèi)用低等因素，盡量?jī)?yōu)先選擇本地天然濕地中的植物。本項(xiàng)目根據(jù)植物多樣性設(shè)計(jì)了不同配置[14]。

(1)植物選擇分析

漂浮植物選擇水葫蘆、浮萍、大薸等；根莖植物選擇荷花、睡蓮、馬蹄蓮等；挺水植物選擇蘆葦、香蒲、水莎草等[15]。

(2)投資成本計(jì)算

本項(xiàng)目濕地植物以挺水植物為主，具體數(shù)量、投資分配見表4。經(jīng)計(jì)算，總投資為13.25萬元，滿足成本控制要求。

表4 濕地植被分配表

5 結(jié)語

本次劈柴河的治理，可顯著改善劈柴河流域生態(tài)環(huán)境，提高其通洪排澇能力，取得良好的社會(huì)、生態(tài)效益。治理所取得的成功經(jīng)驗(yàn)可較好地應(yīng)用于中小型河道治理工程中，但切不可盲目照搬，因?yàn)楹拥浪魇且粋€(gè)動(dòng)態(tài)變化參數(shù)，必須根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行“量身定做”。此外，河道治理工程一般涉及范圍較廣，因此工程投資較大，所以在實(shí)施過程中盡量利用原河道基礎(chǔ)。劈柴河通過此次治理工程，也應(yīng)當(dāng)吸取之前疏于管理的教訓(xùn)，必須加強(qiáng)日常管理工作，制止污染水質(zhì)、傾倒垃圾、私自在河道旁開墾農(nóng)田等行為。