四家子跌水工程设计

陆 思（辽宁省锦州水文局，辽宁锦州121000）



四家子跌水工程设计

陆 思
（辽宁省锦州水文局，辽宁锦州121000）

四家子河段河道顺直，上游自然水面宽阔，由于建筑物建成后形成的回水区水面连续，很适合修建跌水、护岸及绿化湿地建设。这样能够有效解决下游防冲问题，同时也节省了工程投资。本文对跌水工程主体布设、下游岸坡防护及设计计算进行了分析，建成的跌水工程所形成生态湿地，能够充分体现自然、生态、亲水特点。

跌水工程；设计；地质；分析

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.033

1 地质概况

四家子跌水工程位于辽宁沈阳蒲河生态廊道建设的上游段，棋盘山风景区内。闸址位于四家子社区地形测量桩号1 +840m处，河床顺直，地势平坦，属冲积平原地貌。闸址区为第四系冲积地层，其岩性，从勘探孔揭露的深度范围内由上至下描述如下。

（1）河床岩性表层为耕土：黑褐色，稍湿，松散，主要成份为粘性土，含少量植物根系，层厚0.5m，层底标高110.28～110.08m。

（2）砾砂：黄褐色，稍湿～湿，松散，级配良好，颗粒呈次圆形，长石、石英质，含少量粘粒，层厚0.8m，层底标高109.48m。

（3）淤泥质粉质粘土：黄褐色，灰色，流塑，絮状结构，略有光泽，干强度、韧性低，无摇震反应，层厚1.3～1.5m，层底标高108.88～108.58m。

（4）圆砾：级配良好，松散～稍密，颗粒呈次圆形，由石英岩及花岗岩等碎块组成，最大颗粒110mm，颗粒呈强—中风化，中粗砂充填空隙，含少量粘粒，层厚1.4～1.9m，层底标高107.86～106.89m。

（5）碎石：级配良好，松散～中密，颗粒呈棱角形，由石英及花岗等碎块组成，最大颗粒120mm，颗粒呈强—中风化，中粗砂充填空隙，含少量粘粒，层厚1.5～2.6m，层底标高105.58～105.26m。

（6）强风化花岗岩：黄白色，节理裂隙强烈发育，岩芯呈砂土状或碎块状，中粒结构，块状构造，主要矿物成份为钾长石、石英及云母等，层厚4.7～5.8m，层底标高100.78～99.46m。

本次勘察期间，在勘察孔揭露的深度范围内，见有主要接受大气降水补给的上层滞水，其初见水位为1.70～2.10m；稳定水位为1.00～1.20m。

2 跌水工程主体结构布置

四家子跌水工程项目建设主要内容：倒伏闸门式跌水，净宽20m（垂直水流方向），闸门挡水高度1.2m，主体结构包括上游铺盖、闸室底板及边墩、消力池、海漫、防冲槽、两岸翼墙及闸址下游（50m）岸坡防护工程。

四家子跌水位于四家子社区桩号1 +840（连心桥0 +000桩号）处，垂直该河段布置。

跌水进口净宽20m（垂直水流方向），出口净宽23.4m，设计挡水位107.20m，闸门挡水高1.20m，底板顶高程106.00m。跌水结构主要由闸室，上游铺盖、下游消力池、石笼海漫、防冲槽及两岸钢筋混凝土翼墙等组成。

上游防冲铺盖采用格宾石笼结构，顺水流方向长5.0m，铺盖顶高程106.00m，厚0.50m，两侧翼墙高程由108.6渐变至107.80m。

闸门跌水为液压倒伏式钢闸门结构，闸室底板为钢筋混凝土结构，底板顶高程为106.0m，顺水流方向长13.81m，前底板厚0.5m，闸门锚固段厚1.0m。两侧边墩顶高程为108.6m。

下游消力池为钢筋混凝土结构，顺水流方向总长6.6m，其中池底水平段6.0m，尾坎段0.6m。消力池底板顶高程105.01m，厚0.50m，两侧翼墙高程由108.6渐变至107.80m。

海漫采用格宾石笼结构，顺水流方向长15.0m，海漫顶高程106.00m，厚0.50m，下铺设反滤土工布；下游防冲槽为抛石结构，梯形断面，上顶宽4.5m，深1.00m，下底宽1.00m。

铺盖、闸底板、消力池部分左右岸滩面均采用0.3m厚石笼网垫进行平面防护，防护宽度15.0m。

3 跌水下游岸坡防护

跌水工程下游岸坡防护左右岸长度均为50m，防护结构为0.3m厚石笼网护垫，上铺0.1m种植土，并进行植物防护，设计边坡坡度1∶2.5。

4 设计计算

4.1 闸址断面设计水位推求

由推求得：二十年一遇洪水流量为313.9m3/ s，设计边坡1∶2.5（m=2.5），糙率n =0.025，设计主槽河道底宽20m，左岸滩地过水宽度15m，右岸滩地过水宽度15m，河道比降1 /500。计算能满足二十年一遇设计流量的水深，即求出闸址处二十年一遇设计水位。经试算，求出闸址处二十年一遇设计水位为109.4m。

4.2 消能防冲计算

消能防冲计算工况为下游初始状态无水，设上游每隔0.3m一个翻板门开启高度，进行消能防冲计算。

（1）消力池深度计算

根据《水闸设计规范》（SL265-2001）附录B，消力池深度可按下式计算：

式中：

d—消力池深度，m；

h"c—跃后水深，m；

hc—收缩水深，m；

T0—由消力池底板顶面算起的总势能，m；

ΔZ—出池落差，m；

h's—出池河床水深，m。

σ0—水跃淹没系数，可采用1.05～1.10，取σ0=1.05；

ψ—孔流流量系数，可采用0.95～1.0，取ψ=0.95；

b1—消力池首端宽度，m；

b2—消力池末端宽度，m；

α—水流动能校正系数，可采用1.0～1.05，取α=1.05；

q—过闸单宽流量（m2/s），q =Q/B0。

经计算，各工况消力池深度最深需0.42m，本次设计消力池池深根据闸门底板构造，取0.99m。

（2）消力池长度计算

根据《水闸设计规范》（SL265-2001）附录B，消力池长度按下式计算：

式中：

β—水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8，本次设计取0.75；

Lsj—消力池长度，m；

Ls—消力池倾斜段水平投影长度，为0.0；

Lj—水跃长度，m。

经计算，各工况消力池长度最长需5.51m，本次设计消力池池长取6.00m。

（3）消力池底板厚度计算

根据《水闸设计规范》（SL265-2001）附录B，消力池厚度按抗冲公式进行计算，之后对计算结果按抗浮公式进行验算：

式中：

t—消力池底板厚度，m；

K1—消力池底板计算系数，可采用0.15～0.20，取0.15；

q—出闸单宽流量，m3/s；

△H—上下游水位差，m。

按消力池底板抗浮公式对以上计算结果（抗冲计算）进行验算：

式中：

t—消力池底板厚度，m；

K2—消力池底板安全系数，可采用1.10～1.30，取1.20；

U—作用在消力池底板底面的扬压力，kPa；

W—作用在消力池底板顶面的水重，kPa；

Pm—作用在消力池底板上的脉动压力，kPa；

γb—消力池底板的饱和重度，kN/m3。

按消力池抗冲要求进行计算，各工况消力池底板厚度要求不小于0.42m，本次设计消力池底板厚取0.50m。按消力池抗浮要求进行验算，计算得各工况消力池底板抗浮厚度要求不小于0.29m，消力池底板厚度0.50m满足要求。

（4）海漫长度计算

根据《水闸设计规范》（SL265-2001）附录B，海漫长度按下式计算：

式中：

Lp—海漫长度，m；

Ks—海漫长度计算系数，可由《水闸设计规范》（SL265-2001）附录B表B.2.1查得，本次设计根据河床土质情况取11；

qs—消力池末端单宽流量，m3/s。

经计算，各工况海漫长度最长需13.7m，本次设计海漫长度取15m。

4.3 堰基渗透稳定计算

本次渗流计算采用《水闸设计规范》推荐的改进阻力系数法。计算工况为上下游水头差最大的不利工况，即上游水位至堰顶高程（107.2m），下游无水（106.0m），上下游水头差1.20m。具体过程采用北京理正软件设计研究院开发的《理正渗流分析软件》完成。

地基的有效深度按照扬压力分布曲线、渗流量、出逸坡降值等不在变化时的原则确定，其有效深度按下式计算：

式中：

S0—地下轮廓线的垂直投影长度，m；

Te—水闸的地基有效深度，m；

L0—地下轮廓线的水平投影长度，m。

进、出口段的阻力系数按下式计算：

内部垂直段的阻力系数按下式计算：

水平段的阻力系数按下式计算：

进出口水头损失修正按下式计算：

渗流出口段：采用公式

水平段：采用公式

跌水堰体及消力池地基为砾砂及圆砾，根据规范查表得［J0］=0.22，［J水平］=0.50。

经计算，堰基水平段渗透比降最大为0.18，出口渗透比降为0.14。堰基渗透稳定满足要求。

4.4 堰体稳定计算

作用在堰体上的荷载主要有结构自重、水重、水压力、浮托力、渗透扬压力、泥沙压力、浪压力、风压力等。

堰体稳定计算具体过程由《理正结构计算软件》完成，计算公式如下：

（1）堰体基底应力按下式计算：

式中：

∑G—作用在堰体上的全部竖向荷载，kN；

A—堰体基底面积，m2；

e—偏心矩。

∑M—各力对底板前趾的力矩。

η—基底应力分布不均匀系数。

各工况堰体基底应力计算成果见表1。

表1 堰体基底应力计算成果表

式中：

Kc—沿堰体底面的抗滑稳定安全系数；

f—堰体底面与地基之间的摩擦系数，取0.23；

∑G—作用在堰体上的全部竖向荷载，kN；

∑H—作用在堰体上的全部水平荷载，kN。

各工况堰体抗滑稳定计算结果见表2。

经计算，各工况堰体稳定均满足规范要求。

（2）堰体抗滑稳定按下式计算：

表2 堰体抗滑稳定计算成果表

经计算，各工况堰体稳定均满足规范要求。

5 结语

在跌水工程设计中，遵循上述规划设计原则和计算分析方法，采用既经济防冲效果又好的材料，并根据工程的地理位置，采取行之有效的防冻措施，建成的跌水工程项目达到美观实用的效果。

［1］张红武.西藏之水开发利用问题的探讨［J］.水利规划与设计，2011（01）.

［2］王华，董小涛.城乡集约化供水模式探析——以江苏宜兴市为例［J］.水利规划与设计，2011（01）.

［3］张杰，茅樵，唐光凤，朱晓燕.构筑济南水网，打造现代水利［J］.水利规划与设计，2011（05）.

［4］余彦群，邵善忠，刘玲，赵凯.淮河蚌埠～浮山段行洪区调整工程规划思路［J］.水利规划与设计，2012（04）.

［5］张志军，黄宝连.基于水资源优化配置的多目标决策模型探析［J］.水利规划与设计，2011（03）.

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2015-04-15

陆 思（1978年—），女，工程师。