长兴岛2#河道主渠多级跌水工程设计

汤 慧

(大连市水利规划设计院，辽宁 大连 116024)

1 工程背景

大连市长兴岛临港工业区2#河道总长1163.2m，河道下游南疏港路南侧至渤海入海口段长870m，已完成施工图设计；2#河道主渠即河道上游南疏港路北侧至两条支渠汇入口段，长293.2m，桩号0+000～0+293.2，本段为新建工程。主渠上游两条支渠分别从东、西两方向汇入，汇入口(桩号0+293.2)河底高程7.00m，下游衔接处(桩号0+000)根据现有施工图纸可知河底高程为3.43m，则主渠比降为1.22%，流速在3.5～4.7m/s之间，水流对岸墙和河底冲刷严重。为了调整河道比降，使上游渠道流速小于河道抗冲流速，并综合考虑工程项目经济、美观、实用的效果，决定采用多级跌水工程[1]衔接上、下游河道，解决跌差大的问题。

2#河道所在区域地貌单元属低山丘陵，根据地质勘察报告[2]地表以下简单介绍为：

(5)弱风化泥灰岩(Zc)：灰色，微晶～泥质结构，块状构造，属较软岩，较完整，岩体基本质量等级为Ⅳ级，该层揭露厚度：2.50～12.00m。地基土承载力特征值fa=800kPa。

2 跌水工程结构布置

2.1 主体结构布置

跌水由进口、跌水墙、侧边墙、消力池和出口等部分组成。进口包括进口翼墙、护底及跌水口三部分[3]。进口衔接段起始桩号0+269.3，终止桩号0+249.3，顺水流方向总长20m。跌水口的过水断面比上游渠道过水断面小，上游渠道为梯形断面型式，跌水口采用矩形缺口，桩号0+249.3，宽25m，底高程与上游渠底高程同为7.00m；扭曲面翼墙衔接上游渠道和跌水口侧边墙，保证水流平顺，侧边墙墙顶高程9.10m；为防止水流对渠底的冲刷，采用0.5m厚干砌石护底，下铺设土工布反滤。

跌水墙为重力式混凝土挡土墙，墙顶宽度0.4m；侧边墙为重力式浆砌石挡土墙，墙顶宽度0.5m；墙内设Ф75排水管，跌水墙和侧边墙按一般挡土墙设计。

跌水墙下设矩形消力池，第一级消力池顺水流方向长11m，底板高程5.00m；第二级消力池顺水流方向长10m，其中水平段长度9.5m，尾坎段0.5m，底板高程3.50m；消力池底板采用钢筋混凝土结构，厚0.5m，下铺设0.1m厚素混凝土垫层；跌水墙与消力池底板连接处设橡胶止水。左、右岸侧边墙高程由9.10m渐变至8.00m，渐变至6.40m。

为调整出池的水流，设计20m长出口段[4]，宽度与下游渠道同为25m，底高程4.10m渐变至4.04m。采用0.5m厚干砌石护底，下铺设土工布反滤，始、末端做1.0m深的齿墙伸入渠底以下。

2.2 地基处理方法

根据地质资料显示：地基杂填土、素填土和淤泥质粉质黏土不宜做持力层，根据软弱土层的深度以及下卧土层的承载力，设计采用1.0m厚碎石料换填处理地基。碎石料垫层底面两侧向上放坡坡比为1∶1，顶面每边超出基础底边缘1.5m。采用的碎石料须级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质，压实数须达到0.95。换填垫层地基应按JGJ79-2012《建筑地基处理技术规范》进行检测，保证0+228.7～0+249.27段地基承载力达到160kPa，其余段地基承载力达到100kPa。

3 多级跌水工程设计计算

多级跌水工程位于桩号0+249.3，渠底总跌差2.9m。若修建单级跌水，则跌水墙墙高3.5m左右，渠道侧边墙墙高5.6m左右，断面尺寸较大，增加地基承载负担。为了节省工程量和投资，根据渠道的设计纵坡和实际地形情况分为两级跌水。

根据城市保护对象的重要程度和防洪保护区人口数量，按照相关规范中的规定，确定河道防洪标准为10年一遇[5]，河道堤防工程及跌水建筑物级别为5级[6]。

多级跌水本质上属于多级消力池，但二者在水力计算上仍有差别[7]，本次多级跌水工程的设计思路和计算过程如下。

3.1 第一级消力池计算

2#河道主渠10年一遇洪峰流量为109.47m3/s，进口宽25m，则单宽流量q=4.38m2/s。第一级跌水高差P1=2.0m，由下列经验公式[8]计算可求解：

(1)第一级消力坎高c1

(1)

(2)

(3)

(4)

(2)第一级平台长度l1

跌落水舌长度ld=4.30D0.27P1

(5)

收缩水深hc=0.54D0.425P1

(6)

第一级平台长度

(7)

δc1为消力坎顶长度，流量小的时候可取跌水墙墙顶宽度，流量大时取δc1=(1～2)H1，本次设计取δc1=H1≈1.6m，则第一级平台长度l1=10.46m，本次设计取11m。

3.2 第二级消力池计算

第二级即最后一级消力池跌差P2=0.9m，跌水高差为P2+C1+d，其中，d为消力池深度，P2+C1由3.1计算成果可知为1.8m。因最后一级消力池计算受下游河床水深影响，故按照SL265- 2006《水闸设计规范》附录B计算消力池深度、长度。

(1)消力池深度d

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，σ0—水跃淹没系数，可采用1.05～1.10，取σ0=1.10；φ—流速系数，φ值与堰的进口形状、出流型式、单宽流量、堰面糙度和流程长度等影响因素有关，宽顶堰自由溢流时可采用0.80～0.90，取φ=0.85；α—水流动能校正系数，可采用1.0～1.05，取α=1.0；hS′—出池河床水深,m；T0—由消力池底板顶面算起的总势能,m；ΔZ—出池落差,m。

表1 消力池池深计算

(2)消力池长度Lsj

Lsj=βLj

(12)

(13)

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；Lj—水跃长度,m。

消力池长度的设计流量是通过的最大流量。经计算Lsj=8.69m，消力池长度取9.5m，尾坎宽度0.5m，则计尾坎宽度的消力池长度为10.0m。

4 结语

长兴岛2#河道多级跌水工程运行两年多来，岸墙和河底未见冲刷破坏现象，水流衔接较平顺，且河道过流时可形成瀑布景观。河道跌水工程国内较少[9]，在实际工程的设计中，可以参考上述设计原则和计算方法确定多级跌水的设计参数，并结合地形、地质情况综合考虑基础安全性和衔接美观性。本文因渠底总跌差不大未做方案比选，多级跌水设计中还应注意比选不同跌差条件下的工程量、整体美观以及上下游衔接等[10- 11]，选出最合理的设计方案。

[1] 陆思. 四家子跌水工程设计[J]. 水利规划与设计, 2016(01): 101- 104.

[2] 大连市水利建筑设计院. 长兴岛临港工业区2#河道上游截洪沟工程初步设计报告[R]. 2013.

[3] 赵文龙, 靳秀梅, 孙立升. 渠道跌水设计[J]. 黑龙江水利科技, 2007(05): 45- 46.

[4] 白阳. 跌水与陡坡适用范围及优缺点分析[J]. 水利技术监督, 2015(02): 49- 54.

[5] GB/T50805- 2012. 城市防洪工程设计规范[S].

[6] GB50286- 2013. 堤防工程设计规范[S].

[7] 高徐军, 李权, 王瑞科, 等. 多级跌水消能在拦河筑湖工程中的应用[J]. 水利科技与经济, 2016(06): 29- 32.

[8] 李炜. 水力计算手册第二版[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.

[9] 曹延明. 东辽河7号跌水复核设计与实践[J]. 吉林水利, 2015(12): 12- 14.

[10] 庞牧华. 多级跌水消能优化设计的研究[J]. 建材与装饰, 2016 (09): 284.

[11] 潘辉. 溢洪道多级跌水消能探析[J]. 水利技术监督, 2010(04).