干河子拦河坝下游二级消力池水毁原因分析及修复措施

2012-06-30李敬

水利建设与管理 2012年8期

李敬

(沈阳市浑北灌区管理处 110035)

1 水毁工程概况

干河子拦河坝为沈阳市浑北灌区渠首有坝引水的主要枢纽建筑物，位于浑河主河道，坝全长360m，承担着1.47万hm2水田灌溉及沈阳市浑河城市段景观用水和南北运河、卫工明渠、蒲河、丁香湖的环境供水任务。干河子拦河坝建于1996年，由于下游河床下切严重，2003年续建了二级消力池，二级消力池纵向长23.7m、横向宽340m，池深1.0m、底板厚0.5m，消力池坎后与干砌石海漫连接，海漫全长30m、宽360m、厚0.5m。海漫尾部设防冲槽，防冲槽深度为2m。

干河子拦河坝工程等别为Ⅲ等，建筑物等级为3级。按30年一遇洪水(洪水流量为2625m3/s)标准设计，100年一遇洪水(洪水流量为3337m3/s)标准校核，坝前水位为54.50m。

2011年春季，在消力池内的积水全部排出后，发现二级消力池底部部分淘空，底板横向断裂约150m，部分底板发生了不同程度的位移，最大下沉1m，消力坎局部倾斜，一级消力池齿墙底部部分淘空，下游海漫部分损坏。

2 水毁原因分析

2.1 河道下游过度开采砂石

由于以往河道下游过度开挖砂石，造成干河子坝下游存在多处开挖砂石的深坑，最深处与坝顶高相差11m，致使河床横向产生不均匀高差，一定时期内改变了海漫底层的水流方向，形成偏横向地下径流，导致海漫局部塌陷;另外由于没有对开挖的深坑进行填平处理，经过几年汛期洪水的不断冲刷，河道比降不断陡降，在大洪水时，引起二级消力池及海漫严重破坏。

2.2 洪水

2010年主汛期洪水尽管在标准洪水流量范围内，但是持续时间长、流量大，导致水流持续冲刷下游河道，造成二级消力池底部因进水被淘空，使消力池底板处于悬空状态。

2.3 冻胀

以往冬季坝上有水流通过，消力池内不能结冰，但是2010年冬季坝上不过流，消力池内没有积水，冻胀严重，从而造成消力池损坏。

2.4 消能防冲效果不佳

2.4.1 消能复核计算

二级消力池尺寸的复核按底流水跃消能计算。

a.消力池深度复核计算:

以上式中 H10——坎前总水头，m;

m——过坎水流的流量系数，一般取0.42;

d ——消力池深，m;

σ0——水跃淹没系数，取1.05;

h″c——跃后水深，m;

hc——收缩水深，m;

α——水流动能校正系数，取1.0;

q ——单宽流量，m3/(s·m);

b1——消力池首端宽度，m;

b2——消力池末端宽度，m;

T0——由消力池底板顶面算起的总趋势能，m;

ΔZ ——出池落差，m;

h's——出池河床水深，m。

b.消力池长度复核计算:

上二式中 Lsj——消力池长度，m;

Ls——消力池斜坡段水平投影长度，m;

β——水跃长度校正系数，取0.7;

Lj——水跃长度，m。

由表1和表2的计算成果，二级消力池池深为1.31m、池长为 27.66m，原设计的池深 1.0m、池长23.7m不能够满足计算要求。

表1 二级消力池池深计算成果

表2 二级消力池池长计算成果

c.消力池底板厚度复核计算。由于消力池设有排水孔，因此仅根据抗冲要求计算，公式采用《水闸设计规范》公式计算:

式中 t——消力池底板始端厚度，m;

k1——消力池底板计算系数，取0.15;

q ——单宽流量，m3/(s·m);

ΔH'——上下游水位差，m。

经计算，消力池底板厚度0.79m，二级消力池原设计厚度0.5m，原设计不能满足要求。

综合以上计算成果可以看出，原消力池长度、深度和底板厚度均小于复核值，故消力池尺寸设计不能满足规范要求。

2.4.2 海漫长度复核计算

按下式计算:

式中 Lp——海漫长度，m;

ks——海漫长度计算系数，取9;

qs——消力池末端单宽流量，m3/(s·m);

ΔH'——上下游水位差，m。

经计算，海漫长度为49.29m，而原设计的海漫长度为30m，不能满足要求。

2.4.3 防冲槽深度复核计算

按下式计算:

式中 dm——海漫末端河床冲刷深度，m;

qm——海漫末端单宽流量，m3/(s·m);

［ν0］——河床土质允许不冲流速，m/s;取0.75m/s;

hm——海漫末端河床水深，m。

经计算防冲槽深度为11.4m，根据《水闸设计规范》条文说明，对于砂性土河床，若按防冲槽深度计算结果来设计，不仅不经济而且施工困难，参照已建工程实际经验，下游防冲槽深度一般为1.5～2.5m。原防冲槽深度为2m，能够满足要求。

2.4.4 消能复核结果

从消能复核计算结果可以看出，二级消力池的长度、深度、底板厚度及海漫的长度均不能满足消能要求。

3 设计重建措施

由于消力池及下游海漫水毁严重，在重建二级消力池的设计中，对以前的设计方案进行了修正。二级消力池斜坡段长19.10m，与原一级消力池挑坎采用2m宽水平段连接，斜坡段坡比1∶3;消力池水平段长21.00m，池深 1.50m。原一级消力池挑坎高程48.20m，此次设计二级消力池斜坡段高程由48.20m渐变到42.50m，消力池底高程为42.50m。二级消力池挑坎顶高程为44.00m。

下游海漫长度50m(包括防冲槽)，采用土工格栅块石型式，厚度为0.6m，下设碎石垫层和砂垫层各0.1m、无纺布一层。海漫前21.5m采用顶高程44.00m，然后以1∶15的斜坡段与防冲槽连接，防冲槽顶高程43.00m。海漫前段防冲槽深度为4.0m，底宽为2.0m，坡比为1∶2，防冲槽顶宽度12m范围内，为增加抗冲刷能力，最上层采用格宾网箱块石型式。海漫末端防冲槽深度为2.5m，上下游坡比为1∶2.5。