鐵北防洪閘工程設(shè)計(jì)與滲透壓力計(jì)算

徐連田

(昌圖縣水利事務(wù)服務(wù)中心, 遼寧 昌圖 112599)

1 概述

鐵北防洪閘位于凌海市沈山鐵路以北大凌河堤防上,距沈山鐵路橋530 m。鐵北防洪閘主要任務(wù)為區(qū)域防洪和排澇。澇區(qū)面積13.33 km2,有蔡家和尤山子兩個(gè)村,人口2 000多人,耕地267 hm2,區(qū)域內(nèi)有工礦企業(yè)十多家,有城市凈水廠和污水處理廠等重要基礎(chǔ)設(shè)施。防洪閘對(duì)當(dāng)?shù)毓?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活具有有重要作用。

鐵北防洪閘建于1980年,由凌海市城建部門設(shè)計(jì)施工。閘門為2孔2×2.5 m排水涵洞,兩扇平板鋼閘門,兩臺(tái)電動(dòng)螺桿啟閉機(jī),工作平臺(tái)設(shè)有啟閉室,涵洞進(jìn)口底坎高程為16.67 m。根據(jù)調(diào)查了解的情況,該閘門排水能力較小,閘門進(jìn)口底坎過高,遇有洪澇災(zāi)害,經(jīng)常不能及時(shí)排除積水,致使?jié)硡^(qū)農(nóng)田受淹減產(chǎn),水閘實(shí)際排澇能力不滿足10 a一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),該閘已運(yùn)行40 a,工程老化嚴(yán)重。因此興建新的鐵北防洪排澇工程是十分必要和迫切的。

2 工程總體布置

2.1 工程存在的問題

2.1.1 防洪閘防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低

鐵北防洪閘建于1980年,建設(shè)單位為凌海市市政管理部門,目前已查不到當(dāng)時(shí)的建設(shè)檔案及相關(guān)資料。按照相關(guān)規(guī)劃,大凌河凌海段堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇,根據(jù)調(diào)查,目前閘址段大凌河堤防堤頂和防洪閘工作平臺(tái)頂面高程的防洪標(biāo)準(zhǔn)僅為20 a一遇,防洪閘的防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足要求。

2.1.2 防洪閘排澇能力不足

鐵北防洪閘現(xiàn)閘孔尺寸為2孔2×2.5 m,閘門進(jìn)口底坎高程16.67 m。從實(shí)際運(yùn)行情況看,在發(fā)生10 a一遇左右的暴雨洪水時(shí),由于防洪閘排澇能力不足,底坎高程過高,排水不及時(shí),經(jīng)常造成內(nèi)澇,農(nóng)作物受災(zāi)。

2.1.3 防洪閘工程老化

鐵北防洪閘已運(yùn)行40 a,工程老化嚴(yán)重。閘室混凝土結(jié)構(gòu)多處出現(xiàn)裂紋,閘墩及涵洞混凝土表面侵蝕破壞。鋼閘門銹蝕嚴(yán)重,螺桿啟閉機(jī)及配套設(shè)備老化。

2.2 防洪閘頂高程

2.2.1 防洪閘設(shè)計(jì)洪水位

閘頂平臺(tái)設(shè)計(jì)高程同堤頂設(shè)計(jì)高程一致。堤頂設(shè)計(jì)洪水位即為閘址處大凌河設(shè)計(jì)洪水位。大凌河設(shè)計(jì)洪水位采用《大凌河河道治理保護(hù)規(guī)劃》水面線計(jì)算成果,見表1。

表1 大凌河干流規(guī)劃水面線成果表

采用內(nèi)插法,推求閘址處大凌河設(shè)計(jì)洪水位見表2,P=2%設(shè)計(jì)洪水位為22.15 m。

表2 防洪閘閘址處設(shè)計(jì)洪水位

2.2.2 堤頂設(shè)計(jì)高程

堤頂高程計(jì)算公式為:

Y=R+e+A

(1)

式中:R為設(shè)計(jì)波浪爬高(m);Y為堤頂超高(m) ;A為安全加高值,二級(jí)堤防取0.8m;e為設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度(m)。

其計(jì)算基本參數(shù)見表3。

表3 波浪要素計(jì)算基本參數(shù)

平均波高、波浪平均波周期及平均波長(zhǎng)[1-3]計(jì)算公式為:

(2)

(3)

式中:g為重力加速度,取9.8 N/kg;hm為平均波高(m);Tm為平均波周期(s);W為計(jì)算風(fēng)速(m/s);D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度(m);th是雙曲正切函數(shù)tanh的一種寫法,tanh(x)=sinh(x)/cosh(x),其中sinh為雙曲正弦函數(shù),cosh為雙曲余弦函數(shù)。Hm為水域平均水深(m);v0為計(jì)算風(fēng)速(m/s)。

平均波長(zhǎng)按下式計(jì)算:

(4)

式中:Lm為平均波長(zhǎng)(m);H為壩迎水面前水深(m);

波浪平均波周期、平均波長(zhǎng)計(jì)算值見表4。

表4 波浪要素計(jì)算表

由于該建筑物工程為2級(jí)建筑物[4],由此波高累積頻率確定P=2%。

風(fēng)壅水面高度按下式計(jì)算:

(5)

式中:e為計(jì)算點(diǎn)處的風(fēng)壅水面高度(m);K為綜合摩阻系數(shù)(取3.6×10-6);β為計(jì)算風(fēng)向與壩線法線的夾角;D為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度(m);Hm為水域平均水深(m)。

平均波浪爬高按下式計(jì)算:

(6)

式中:Rm為平均波浪爬高(m);KΔ為斜坡的糙率,草皮護(hù)坡取0.90;Kw為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);m為單坡坡度系數(shù),大壩加固后迎水坡改為單一坡,坡比取2.50;hm為平均波高(m);Lm為平均波長(zhǎng)(m)。

波浪爬高計(jì)算值見表5。

根據(jù)綜上所列公式計(jì)算參數(shù)及計(jì)算成果,土石壩壩頂高程計(jì)算結(jié)果表,見表6。

表6 壩頂高程復(fù)核計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算:防洪閘址處50 a一遇設(shè)計(jì)堤頂超高為2.55 m,堤頂高程為:22.15 m+2.55 m=24.70 m,預(yù)留沉降高度0.25 m,確定堤頂高程為24.95 m,閘頂平臺(tái)設(shè)計(jì)高程位24.95 m。

2.3 重建防洪閘工程總布置

防洪閘改建方案為拆除現(xiàn)有防洪閘,在原閘址新建防洪閘。新建防洪閘閘孔增加為4孔,工作平臺(tái)高程提高24.70 m,閘孔底板高程閘底板高程由16.67 m降為16.50 m。新建防洪閘增加了水閘排澇的過流能力,提高了防洪標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.1 防洪閘運(yùn)行方式

防洪閘布置在堤防上,堤下涵洞排水,閘室布置在堤防迎水側(cè),平板鋼閘門,螺桿電動(dòng)啟閉機(jī)。為滿足排澇要求,閘孔增加為4孔,單孔尺寸為2×2.5 m,按照堤頂高程為確定的防洪閘工作平臺(tái)頂高程為24.95 m。防洪閘要求雙向擋水,當(dāng)外河水位高于堤內(nèi)水位時(shí),閘門關(guān)閉,當(dāng)?shù)谭纼?nèi)水位高于外河水位時(shí),開啟閘門排水。

2.3.2 閘室段

閘室段包括下部排水涵洞,長(zhǎng)(沿流水方向)14.38 m,寬11.3 m;排水涵洞為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),閘室段間墩寬0.7 m,邊墩寬0.6 m;上部框架結(jié)構(gòu),由胸墻、框架柱和工作平臺(tái)組成,胸墻由涵洞頂至工作平臺(tái)底面,墻高5.15 m,寬11.3 m,墻厚0.4～0.6 m;工作平臺(tái)頂平面尺寸為5.0×11.3 m,板厚0.4 m,頂高程24.95 m;平臺(tái)上部啟閉機(jī)室為磚混結(jié)構(gòu),平面尺寸為3.8×11.3 m,房高3.49 m。

由于防洪閘為2級(jí)建筑,經(jīng)計(jì)算:hp(相應(yīng)于波列累計(jì)頻率的波高)=0.75 m,hz(為波浪中心線超出計(jì)算水位的高度)=0.16 m,安全加高值為1.0 m。閘頂計(jì)算高程為:22.15+0.75+0.16+1.0=24.06 m。計(jì)算堤頂高程為24.70 m,因此,閘頂高程考慮沉降0.25 m,取為24.95 m。

2.3.3 排水涵洞

排水涵洞為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),由堤防背水側(cè)堤腳至迎水側(cè)堤腳,總長(zhǎng)41.82 m(包括閘室部分),排水涵洞為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),涵洞分為4孔,非閘室段尺寸為為2.2×2.5 m,2.1×2.5 m,間墩寬0.5 m,邊墩寬0.6 m,涵洞頂板厚0.4 m,底板厚0.6 m,基礎(chǔ)素混凝土墊層厚0.1 m。

2.3.4 進(jìn)出口布置

涵洞進(jìn)口翼墻為懸臂式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),進(jìn)口外口寬16.1 m,內(nèi)口寬10.1 m;涵洞出口由消力池及海曼段組成,消力池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),前部寬10.1 m,尾部寬14.0 m,池長(zhǎng)15.0 m,消力池深0.5 m。海漫段長(zhǎng)13.0 m,寬14.0 m,其中,固賓籠段長(zhǎng)10.0 m,拋石防沖槽段5.0 m。

2.3.5 工作橋

防洪閘后與堤頂之間填土,填土寬度與閘室寬度相同,為11.3 m,兩側(cè)設(shè)混凝土擋土墻,填土表面設(shè)混凝土路面,路面兩側(cè)設(shè)欄桿。

2.3.6 防滲排水布置

擬定閘基防滲長(zhǎng)度L按下式計(jì)算:

L=CΔH

(6)

式中:L為閘基防滲長(zhǎng)度(m);ΔH為上下游水位差(m);C為允許滲徑系數(shù)。

防洪閘內(nèi)外最大水位差發(fā)生在設(shè)計(jì)洪水工況下,外水位22.15 m,堤內(nèi)水位16.5 m,內(nèi)外水位差5.65 m。防洪閘底板分縫之間橫縫設(shè)置橡膠止水?；A(chǔ)為粉質(zhì)黏土或粉土,允許滲徑系數(shù)為5～7。最大水位差為5.65 m。 =(5～7)×5.65=28.25～39.55 m,經(jīng)計(jì)算:實(shí)際滲徑46.70 m,大于允許滲徑,閘基防滲長(zhǎng)度滿足要求。

2.3.7 翼墻

防洪閘上下游進(jìn)口、出口及進(jìn)水渠、出口消能段共布置A、B、C、D、E五段翼墻,翼墻均為鋼筋混凝土懸臂結(jié)構(gòu),墻高3.2～4.0 m。

3 防洪閘工程設(shè)計(jì)

3.1 防洪閘孔口尺寸

由于防洪閘防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)同規(guī)劃的大凌河堤防洪水標(biāo)準(zhǔn)一致,即50 a一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn),相應(yīng)設(shè)計(jì)水位為22.15 m。排澇標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇,排澇最高水位16.16 m。

排澇最大水深H為2.66 m,涵洞高a為2.5,而2.66/2.50=1.06,按照涵洞水力流態(tài)判定方法,當(dāng)時(shí),涵洞內(nèi)水流為無壓流,因此涵洞內(nèi)水流流態(tài)為無壓流,因此,防洪閘按寬頂堰計(jì)算涵洞過流能力,防洪閘孔口為4孔,單孔尺寸為2×2.5 m。

3.2 消能防沖設(shè)計(jì)

3.2.1 消力池水力計(jì)算

防洪閘按雙向擋水、單向過流設(shè)計(jì)。為盡快排除澇區(qū)積水,不控制排澇流量,當(dāng)在外河水位稍低于澇區(qū)水位時(shí)開閘搶排,閘門全開自由出流。水閘下游側(cè)的消力池采用底流式消能,采用下挖式消力池．池深0.5 m。

經(jīng)不同排澇流量計(jì)算,由于水閘排澇內(nèi)外水位差較小,閘口斷面和水閘收縮斷面均為緩流流態(tài),斷面弗勞德(FrC)均小于1.0,因此后不能形成水躍,理論上無需進(jìn)行消能設(shè)計(jì)。但考慮排澇閘在下游無水或水位較低時(shí)開啟,短期會(huì)造成出口沖刷破壞。因此,出口仍需設(shè)置消力防沖設(shè)施。參考其它工程,確定消力池長(zhǎng)15.0 m,池深0.5 m。

3.2.2 消力池底板厚度計(jì)算

根據(jù)抗沖和抗浮要求,確定消力池始端厚度,計(jì)算得端部底板厚t=0.49 m,實(shí)際消力池始端厚取0.5 m。

3.2.3 海漫計(jì)算

海漫長(zhǎng)度按下式計(jì)算:

(7)

式中:ks為海漫長(zhǎng)度計(jì)算的系數(shù),取ks=9(粉質(zhì)粘土);qs為消力池末端單寬流量 ,取3.37 m3/s;ΔH′ 為上下游水位差,取0.57m;Lp為海漫長(zhǎng)度(m)。

計(jì)算得:Lp=13.90 m,實(shí)際取15 m。

3.2.4 消能防沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 滲透壓力計(jì)算

4.1 地基有效深度計(jì)算

計(jì)算公式:由于L0/S0>5,取Te=0.5L0;

式中:S0為地下輪廓的垂直投影長(zhǎng)度(m);L0為地下輪廓的水平投影長(zhǎng)度(m);Te為地基有效深度(m)。

經(jīng)計(jì)算:L0=41.83 m,S0=1.5,由于L0/S0>5,Te=0.5L0=20.92 m。

4.2 分段阻力系數(shù)計(jì)算

4.2.1 進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)

(8)

式中:ξ0為進(jìn)、出口段的阻力系數(shù);S為齒墻的入土深度(m);T為地基透水層深度(m)。

4.2.2 內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)

(9)

式中:ξy為水平段的阻力系數(shù);T為地基透水層深度(m);S為齒墻的入土深度(m)。

4.2.3 水平段的阻力系數(shù)

(10)

式中:S1、S2為水平段首、末齒墻的入土深度(m);Lx為水平段長(zhǎng)度(m);為水平段的阻力系數(shù)[5-7];T為地基透水層深度(m)。

4.3 各分段水頭損失值的計(jì)算

(11)

式中:ξi為第i段阻力系數(shù);ΔH為上下游水位差(m);Σξi為所有分段阻力系數(shù)之和hi為第i段水頭損失值(m)。

4.4 出口段水頭損失值的修正

(12)

(13)

(14)

式中:S′為底板埋深與齒墻入土深度之和(m);T′為齒墻另一側(cè)地基透水層深度(m);h0′為修正后的水頭損失值(m);β′為阻力修正系數(shù);h0為出口段水頭損失值(m);hi為第i段水頭損失值(m)。

4.5 滲流坡降值的計(jì)算

1)修正后水頭損失減少值:

Δh=(1-β′)h0

(15)

2)出口段滲流坡降值計(jì)算公式:

(16)

式中:J為出口段滲流坡降計(jì)算值;Δh為水頭損失(m);β′為阻力修正系數(shù);h0為出口段水頭損失值(m);h0′為修正后的水頭損失值(m);S′為底板埋深與齒墻入土深度之和(m)。

計(jì)算成果見表7。

表7 滲透計(jì)算成果表

計(jì)算結(jié)果表明,鐵北防洪閘底板水平段、進(jìn)口段的滲流坡降計(jì)算值小于基礎(chǔ)土層滲流坡降允許值,因此滿足閘基滲透穩(wěn)定要求。

5 結(jié)語

鐵北防洪閘工程主要任務(wù)為排除區(qū)域內(nèi)山洪、和平原積水,同時(shí)抵御大凌河洪水。當(dāng)大凌河水位低于區(qū)域內(nèi)內(nèi)水位時(shí),開啟閘門排水,當(dāng)大凌河水位高于區(qū)域內(nèi)水時(shí)關(guān)閉閘門,防止大凌河洪水倒灌。鐵北防洪閘承擔(dān)防洪排澇區(qū)域總面積13.33 km2,區(qū)域的西側(cè)邊界為高地和丘陵,大凌河沿岸河谷平原,區(qū)域內(nèi)有兩個(gè)村屯,人口2 000多人,耕地267 hm2。為此對(duì)該防洪閘工程進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對(duì)防洪閘底板滲透壓力進(jìn)行計(jì)算,滿足穩(wěn)定要求。